氨法脫硫系統控制策略及算法研究

馬立克 李金

摘要：氨法脫硫技術是采用氨（NH3）作為吸收劑除去煙氣SO2的工藝，是控制酸雨和SO2污染最為有效和環保的濕法煙氣脫硫工藝技術之一。在氨法脫硫技術的設備中，由于存在傳感器檢測過程的延時問題，傳統的脫硫控制系統采取PID控制無法解決該問題。運用合理的控制策略與先進控制算法相結合的方式，更加精確的投放液氨流量，不僅提高了SO2的控制精度，還降低了煙氣粉塵的含量。顯著地改善了煙氣氨法脫硫控制系統的動態性能，有較好的應用價值。

關鍵詞：氨法脫硫系統;先進控制;控制策略

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0230-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Control Strategy and Algorithm of Ammonia Desulfurization System

MA Li-ke1， LI Jin2

（1. Coal to Liquid Branch， Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， Yinchuan 750411， China; 2. Beijing Heroopsys Co.，Ltd.， Beijing 100096， China）

Abstract： Ammonia desulfurization technology is a process that uses ammonia （NH3） as an absorbent to remove flue gas SO2. It is one of the most effective and environmentally friendly wet flue gas desulfurization technology for controlling acid rain and SO2 pollution.In the ammonia desulphurization technology equipment， due to the time delay problem in the detection process of sensors， the traditional desulphurization control system which adopts PID control can't solve the problem. Using a combination of reasonable control strategies and advanced control algorithms to deliver liquid ammonia flow more accurately， not only improves the control accuracy of SO2， but also reduces the content of flue gas dust. The proposed method significantly improves the dynamic performance of the control system of ammonia desulphurization of flue gas， and has better application value.

Key words： ammonia desulphurization system; advanced control; control strategy

1 引言

煤制油動力廠現有10臺煤粉鍋爐，分別配10套氨法脫硫裝置。氨法脫硫工藝以其反應速率快、吸收劑利用率高、脫硫效率高以及適應性強等優點逐步得以推廣。但氨法脫硫對于液氨流量的精準控制卻是個技術難題，液氨流量偏小SO2排放無法達標，液氨流量過量會導致氨逃逸和粉塵增加，出現“白煙”現象[1]，同時增加了消耗。

2 工藝現狀分析

鍋爐引風機出來的高溫煙氣進入多功能煙氣脫硫塔濃縮段，后經吸收區，經過吸收反應后的大部分SO2被脫除。吸收SO2后煙氣經過一級除霧器對煙氣進行中的水氣及顆粒物進行捕集，煙氣進入脫硫塔洗滌區通過工藝水噴淋對煙氣中夾帶的顆粒物及逃逸氨進行洗滌，洗滌后的凈煙氣經二級除霧器和除沫器除去煙氣中攜帶的液沫和霧滴，凈煙氣由脫硫塔頂部送入煙囪排放。

氨法脫硫工藝流程如下。

氨法脫硫裝置主要包括煙氣系統、吸收系統、吸收劑儲運系統、硫酸銨后處理系統、氧化空氣系統、公用系統等。而脫硫吸收過程是整個氨法煙氣脫硫技術的核心，它以水溶液中的SO2和NH3的反應為基礎，其反應機理如下[2]：

[2NH3·H2O+SO2→（NH4）2SO3+H2O]? ? ? ? ? （1）

[（NH4）2SO3+SO2+H2O→2NH4HSO3]? ? ? ? ? （2）

[NH4HSO3+NH3·H2O→（NH4）2SO3+H2O]? ? ? ? ? ?（3）

[2（NH4）2SO3+O2→2（NH4）2SO4]? ? ? ? ? ? ? ? （4）

氨法脫硫過程主要分為兩個步驟，第一步為SO2的吸收過程，見式（1）～（3）;第二步為亞硫酸鹽的氧化過程，見式（4）。

由上式可知，液氨流量的準確控制是實現SO2穩定控制的關鍵，過量的液氨不僅會造成氨的浪費、氨逃逸及粉塵等指標超標，更會在系統管道和噴淋處形成結垢，結垢后噴淋流量減少，液氣比降低，加氨量不斷增大，進而對系統造成更大的安全隱患[3][4]。

控制系統改造前各脫硫系統普遍存在問題如下：

（1）設計初時燃用的高硫煤，變為目前燃用的低硫煤，致使加氨主副調閥設計流量偏大，常運行在低閥位區，閥門線性度較差，實際加氨量難以精確控制;

（2）當煤質、負荷，以及脫硫系統等工況發生變化時，凈煙氣SO2波動較大，原DCS自動很難長期穩定運行;

（3）即使凈煙氣SO2瞬時值穩定，但個別鍋爐還會頻繁出現氨逃逸、粉塵超標等現象;

（4）硫酸銨出料不穩定，出現不結晶等問題;

（5）10套氨法脫硫裝置，工藝雖相同，但各套系統之間的測點及執行機構有一定差異性，尤其原煙氣流量、流速、PH值等參數不準確或缺失，都會影響理論液氨量計算的準確性。

本文主要研究先進控制算法在氨法脫硫系統中的應用，實現變工況下SO2長期穩定控制，并一定程度減少粉塵、氨逃逸超標現象，使系統長期穩定運行。

3 控制策略及算法研究

3.1 原脫硫控制方案分析

原DCS脫硫方案采用的是單回路控制，主控液氨流量，液氨流量的理論設定值根據當前鍋爐負荷及滿負荷下的理論煙氣量、SO2原煙氣濃度、SO2凈煙氣濃度等，折算出理論液氨流量基準值，然后，通過當前SO2過程值和設定點的偏差變化區間折算液氨流量修正系數，最終得到液氨流量設定點，控制方案框圖如下所示。

圖2中，修正系數K1是固定參數，作為理論液氨流量的基本修正系數;K2是通過凈煙氣SO2過程值與設定值的偏差和變化速率折算的人工經驗參數，被稱為動態修正系數。該方案在原系統儀表（無原煙氣流量、流速）及執行機構（設計液氨流量管道偏大）的條件下，已實現了SO2的自動控制，達到小時均值不超標，瞬時值偶爾超標的運行狀態，基本滿足了現場的運行要求。

3.2 新控制策略研究

在脫硫控制系統進行項目改造前，先對液氨流量閥門進行了改造，增加節流孔板，抑制過量加氨，解決了低閥位難以穩定控制液氨流量的問題，并將液氨閥門開度調整到正常線性度較好的運行范圍（20%～70%之間）。在此基礎之上，對控制策略進行了研究，提出新的控制方案，控制方案框圖如下所示。

新控制方案采用串級控制結構，結合先進控制算法及工藝策略補償原理，實現了凈煙氣SO2的穩定控制，主要技術特點如下。

1）外環凈煙氣SO2控制回路，采用先進控制算法，不僅兼顧了凈煙氣SO2的實時控制偏差、速率變化，還實現了大滯后、多耦合系統的預測控制[5]，提前增減液氨流量，補償內環理論液氨流量設定值，避免過量加氨，較少了粉塵或氨逃逸超標現象。

2）新增凈煙氣SO2小時均值動態修正系數，在滿足瞬時值波動范圍的同時，不僅能提高小時均值的控制精度，還適用于變工況下液氨流量的修正計算，一定程度上提高了系統長期投用率。

以3#鍋爐脫硫系統為例，分別采集24h的BCS運行數據及24h的DCS運行數據，凈煙氣SO2的設定值均為22mg/Nm3，見圖4。圖中，24h的BCS運行數據的小時均值，最大值為23.94mg/Nm3，最小值為20.97mg/Nm3，平均值22.8mg/Nm3;24h的DCS運行數據的小時均值，最大值為27.11mg/Nm3，最小值為16.7mg/Nm3，平均值21.9mg/Nm3。通過以上運行數據對比，BCS控制系統的精度要明顯優于DCS系統。

3）由于液氨流量變化與閥門之間的關系有時是非線性的，甚至具有二階系統特性（液氨部分氣化，導致測量信號的波動），使液氨流量控制呈現出非常明顯的時變性，導致原PID算法的閥門動作波動較大。先進控制算法具有一定的抗干擾性，在兼顧液氨流量供給的同時，減少閥門動作頻率。

上圖為#4鍋爐脫硫系統投用BCS前后，液氨流量小時均值曲線對比圖，其中X軸為原煙氣SO2的濃度，隨著SO2的濃度的升高，液氨流量隨之增加，由統計曲線可知，BCS系統運行過程中，隨著原煙氣SO2的濃度的升高，液氨流量小時均值穩定上升，一方面體現出系統運行的穩定性，另一方面，也體現了供液氨總量的節約，具有一定的經濟性。

表1中的數據，為#4鍋爐脫硫系統24h+24h對比測試結果，即在DCS運行狀態下，進行24h的數據采集，分別統計每小時的入口SO2小時均值、加氨流量小時均值及凈煙氣SO2小時均值，然后再將每個小時均值進行加權平均，算出DCS運行模式下的平均入口SO2小時均值、加氨流量小時均值等數據。然后，以同樣的模式，采集BCS運行模式下的對應參數，兩組對比數據的凈煙氣SO2小時均值控制參數盡量保持一致，即設定值一致為22mg/Nm3。

耗氨量比值計算公式如下：

[耗氨量比值=加氨流量小時均值入口SO2小時均值-凈煙氣SO2小時均值 ]（5）

經過測試后的數據統計結果，將表中的參數分別代入公式（5）中，計算可得BCS運行比DCS運行模式下耗氨量比值減少0.006，該值為DCS耗氨量比值的1.97%，結合液氨的市場價格及每天的用量，在長期投用的情況下，該項方案具有明顯的經濟性。

4 運行效果分析

以#4鍋爐為例，SO2投入BCS系統前后，脫硫塔凈煙氣中SO2指標變化如圖6所示。

可見，投入BCS系統后，脫硫塔出口SO2指標波動幅度大幅降低，波動范圍從5～90mg/Nm3收斂到11～33mg/Nm3，期間設定值為22mg/Nm3，小時均值控制精度穩定在設定值的±3mg/Nm3以內，氨逃逸穩定運行在3mg/Nm3以內。

5 結語

經過投用以來的應用表明：先進控制系統投用后，SO2控制效果更加穩定，對于負荷的波動、原煙氣SO2濃度等工況變化反應迅速，在準確性、穩定性等方面有很大改善，粉塵超標及氨逃逸現象也有了明顯的改善，大大降低了操作的勞動強度，該技術值得進一步推廣。

參考文獻：

[1] 李娟，李軍東，楊婷.氨法脫硫過程中氣溶膠的形成機理及控制研究[J].硫磷設計與粉體工程，2018（2）：6-8，4.

[2] 陳重.基于多參數的氨法煙氣脫硫效率預測方法研究[D].東北電力大學碩士論文，2013.

[3] 苑香城.氨法脫硫工藝與檢修技術探討[J].神華科技，2019，17（2）：64-68.

[4] 袁淑娟，原曉琴，馬立新，等.預估模型的煙氣氨法脫硫控制系統[J].控制工程，2017，24（1）：178-182.

[5] 何仁初，侯明輝，印大偉，等.先進控制技術在氨法煙氣脫硫裝置上的應用研究[J].自動化技術與應用，2014，33（4）：10-15，19.

【通聯編輯：梁書】