基于專家控制的爐外濕法脫硫自動控制研究及應用

朱竹軍

（山西平朔煤矸石發電有限公司，朔州 036800）

山西某電廠300MW循環流化床機組，采用爐內脫硫+爐外濕法脫硫兩級聯合脫除方式控制SO2的排放，爐外濕法脫硫設備設計的指標為3000 mg/m3，即爐內脫硫控制SO2濃度在3000 mg/m3以下。循環流化床鍋爐爐外濕法脫硫過程的大遲延、大慣性、非線性、時變等過程特性，使得使用常規PID無法實現其自動控制，因此很多發電企業依靠運行人員不斷手動調節石灰石漿液補給量，以保證SO2的排放濃度滿足環保指標，并保證脫硫塔內的pH在合適的范圍內。

然而，手動控制存在石灰石漿液投入量突增、突減的現象，導致pH值波動較大，使生產的石膏品質變差。在此情況下急需一種控制策略來實現濕法脫硫自動控制。而國內外學者對CFB機組爐外濕法脫硫系統的相關研究，大多主要集中在脫硫工藝、脫硫反應機理及其影響因素上[1-7]，僅有少部分國內學者對CFB機組爐外濕法脫硫系統控制進行了研究，但也多集中于控制方法的設計和仿真[8-12]。由于大多數的仿真在設計時并未考慮到實際運行中的各種復雜多變的因素，以及存在現有的DCS能否支持高級的算法等問題，致使所設計的控制方法并不適用于現場實施。故在此提出了適合于工業應用的一種基于動態疊加的慢速粗調+快速細調+前饋控制的控制策略，以實現爐外濕法脫硫自動控制。

1 爐外濕法脫硫系統

爐外濕法脫硫系統是由北京清新環境公司自主研發的單塔一體化脫硫除塵裝置，主要由以下系統構成：煙氣系統——事故噴淋等；S2O吸收系統——包括脫硫塔、除霧器、氧化風機、漿液排出泵等；石灰石漿液制備系統——包括石灰石粉倉、石灰石漿液配置箱、石灰石漿液儲存箱、石灰石漿液輸送泵、石灰石供漿泵等；石膏脫水系統——包括石膏漿液漩流器、廢水漩流器、真空皮帶過濾機，濾液箱等；脫硫廢水處理系統——包括廢水加藥系統、廢水處理系統、污泥處理系統；工藝水及壓縮空氣系統；等。該電廠的濕法脫硫工藝系統如圖1所示。

爐外脫硫系統配套有3臺漿液循環泵，3臺氧化風機（兩用一備），2臺變頻供漿泵。其出口SO2排放濃度的控制采用石灰石補漿量控制方式，此種方式是把漿液補給管直接接于漿液循環泵入口，新舊漿液在管路中混合，直接送入高效噴淋裝置參與脫硫過程，然后再返回漿液池中。漿液池pH值應控制在 4.8～5.6。

圖1 濕法脫硫工藝系統Fig.1 Wet desulphurization process system

2 自動控制策略的設計

控制策略的主結構采用基于動態疊加的慢速粗調+快速細調+前饋控制的方式，在此基礎上增加SO2濃度超限保護、石灰石漿液流量高低限及pH設定值動態變化等控制策略。

式中：W（n）為石灰石漿液流量的設定值；ΔW為當前石灰石漿液流量需要增減的量；W1為石灰石漿液流量的前饋量。

設定值形成的基本結構如圖2所示。在石灰石漿液流量設定值形成中，整個控制回路未采用常規的PID控制，而是借鑒了PID的部分功能與專家控制相結合形成的動態疊加方法。例如，在PID控制中如果被控量有下降趨勢時，控制量仍在進行累加，而采用此動態疊加方法，可以在出現下降趨勢時進行判定，不再繼續進行控制量的累加。其它情況與此類似。

圖2 設定值形成的基本結構Fig.2 Basic structure formed by setting values

當滿足條件時發1個計算機掃描周期的脈沖信號，將計算得到的石灰石漿液流量疊加到初始值上，然后經過一定的時間（即1個判定周期）再次判斷是否滿足還原劑量變化的條件。

2.1 數據的預處理

1）脫硫塔入口SO2濃度濾波及煙氣量濾波

由于現場測量返回的SO2濃度往往帶有隨機的擾動，所以需對SO2濃度進行濾波，具體方式如圖3所示。

圖3 脫硫塔入口SO2濃度濾波Fig.3 Filtration of SO2content at inlet of desulfurization tower

測量返回的SO2濃度通過遲延功能塊實現，使當前時刻與前4 s的測量值相加后，求其平均值得到濾波后的SO2濃度。煙氣量的濾波方式與此類似。

2）pH測量值變化率

調整參數，將干擾導致的pH測量值變化率限制在±0.2以內，即在±0.2以內時認為是隨機干擾導致的波動，超出±0.2時則認為SO2濃度確實發生了變化。具體的實現方式如圖4所示。

圖4 pH測量值變化率Fig.4 Change rate of pH measured value

對pH測量值進行系數修正，通過當前時刻與前一時刻的差值得到pH的變化率，最后再獲得與前4次pH變化率的平均值，求取平均值后的pH變化率更加平穩。在此應特別注意，pH值變化緩慢，故將DCS的掃描周期由原來的0.5 s調整為2 s。

2.2 前饋控制

控制系統的前饋量為

式中：wls，f為所需石灰石漿液流量的前饋量，m3/h；RCa/S為爐內脫硫系統鈣硫比；Ve為煙氣流量，m3/h；Cin，SO2為脫硫塔入口 SO2濃度，mg/m3；X1為SO2吸收率；X2為含固量，（%）；X3為石灰石純度，（%）；X4為石灰石利用率，（%）；X5為漿液質量密度，kg/m3；MCaCO3為CaCO3的摩爾質量，kg/kmol；MSO2為SO2的摩爾質量，kg/kmol。

石灰石漿液預測量具體設計結構如圖5所示。石灰石漿液預測量由式（2）得到基準值后，再由負荷、pH分別經F（x）修正后得到。

為了能夠進行超前加快調節式中：wls，p為石灰石漿液預測量；dwls，p為石灰石漿液預測量的微分。

當 pHs-pHm＞0.1 且 dwls，p＞0 時， 則 wls，f保持不變；當 pHs-pHm＜-0.1 且 dwls，p＜0 時，則 wls，f保持不變。其中，pHs為pH設定值；pHm為pH測量值。

圖5 石灰石漿液預測量Fig.5 Preconcentration of limestone slurry

2.3 慢速粗調方式

1）當 pHs-pHm＞0.15 且 ΔpH＞0 時，延時 5 s，發1個掃描周期脈沖，并在原來石灰石漿液流量設定值 wls，s的基礎上減少一定的量 Δw1，延時 5 min后再進行判定，其中

式中：A1為修正系數。

2）當 pHs-pHm＜-0.15 且 ΔpH＜0 時，延時 5 s，發1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎上增加一定的量Δw2，延時5 min后再進行判定，其中

式中：A2為修正系數。

該控制方式的特點是慢速粗調，即一次增減的量較大，但判定間隔時間長。

2.4 快速細調方式

1）當 pHs-pHm＞0.1 且 ΔpH＞0 時，延時 5 s，發 1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎上減少一定量Δw3，延時2 min后再進行判定，其中

式中：A3為修正系數。

2）當 pHs-pHm＜-0.1 且 ΔpH＜0 時，延時 5 s，發1個掃描周期脈沖，并在原來wls，s的基礎上增加一定的量Δw2，延時2 min后再進行判定，其中

式中：A4為修正系數。

該控制方式的特點是快速細調，即一次增減的量少，但判定間隔時間短。

2.5 pH動態設定值的形成

漿液池pH值應控制在4.8～5.6。為了減少石灰石漿液消耗量，盡可能使pH值控制到較小值且在該區間范圍內，pHs，min由 wls，p經 F（x）折算后得到。當脫硫塔出口 SO2濃度 Cout，SO2＜10 mg/m3持續 10 min時，在當前 pHs的基礎上減去 0.1，直至達到 pHs，min；當 Cout，SO2＞20 mg/m3持續 1 min 時， 在當前 pHs的基礎上加0.15。

2.6 超限保護+高低限控制

當 Cout，SO2＞30 mg/m3且 SO2濃度有增加的趨勢時，發超馳保護動作，超馳保護動作的時間根據wls，f經 F（x）折算后得到。 當 Cout，SO2＜30 mg/m3時，此時的石灰石投入量不能超過該工況下相應的最大石灰石漿液量，最大石灰石漿液量由wls，f修正后得到。同理，當 Cout，SO2＜30 mg/m3時，此時投入的石灰石量不能低于該工況下相應的最小石灰石漿液量，最小石灰石量由wls，f修正后得到。設定石灰石漿液高低限的目的是留有一定石灰石裕量，減少擾動。

在該控制策略中還包含有手自動無擾切換等一些小控制結構。

3 實際運行效果

投入自動后，特意選取了脫硫塔前SO2濃度變化大、工況不穩定的6 h數據，如圖6所示。

圖6 濕法脫硫系統自動運行數據Fig.6 Automatic operation data of wet desulpHurization system

圖6所顯示的量程如下：

pH 值為2～7；石灰石漿液流量為0～70 m3/h；

塔前 SO2濃度為4500～8500 mg/m3；

SO2排放濃度為0～50 mg/m3；

漿液質量密度為1000～2500 kg/m3。

自動投入前后的優勢對比見表1。綜上，該自動控制程序可滿足任何突變情況，可以實現爐外濕法脫硫系統的穩定、安全及經濟運行。

表1 自動投入前后效果對比Tab.1 Effect comparison before and after automatic application

4 結語

爐外濕法脫硫系統被控對象的大遲延、大慣性以及對象模型的不確定性，導致常規的PID控制以及一些先進控制不能應用于此。提出了一種適合于現場實施的基于動態疊加的慢速粗調+快速細調+前饋控制的控制策略，將此控制策略組態于300MW CFB機組的新華DCS，經過調試實現了爐外濕法脫硫系統的穩定及經濟運行。