氨法脫硫自動(dòng)控制方案的優(yōu)化

孫豐鳴

摘 要：氨法脫硫是目前燃煤電廠煙氣脫硫工藝中的一種常見工藝，由于其副產(chǎn)物硫酸銨作為肥料有廣闊的市場(chǎng)需求，使其成為一種符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的綠色環(huán)保技術(shù)。通過介紹了氨法脫硫的工藝流程，探討了目前自動(dòng)控制方案存在的問題，提出了一種基于串級(jí)、引入前饋的氨法脫硫自動(dòng)控制的優(yōu)化方案，有效解決了氨法脫硫自動(dòng)平穩(wěn)控制的問題技術(shù)瓶頸。

關(guān)鍵詞：氨法脫硫;串級(jí)控制回路;前饋控制

氨法脫硫做為一種符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的綠色環(huán)保技術(shù)，由于其脫硫效率高、具備一定的脫硝功能及 SO2 的可資源化，逐步被人們所關(guān)注及研究。但其在工業(yè)化應(yīng)用過程中，卻存在一些工藝技術(shù)難題，成為困擾氨法脫硫技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。[1]

其中，部分氨法脫硫裝置的自動(dòng)控制回路由于投入后無法平穩(wěn)運(yùn)行，導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行在手動(dòng)操作狀態(tài)。既影響裝置的自動(dòng)化水平，又由于手動(dòng)控制的不精細(xì)導(dǎo)致無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)或者浪費(fèi)脫硫劑。

1 氨法脫硫工藝流程

氨法脫硫技術(shù)以水溶液中的 NH3 和 SO2 的反應(yīng)為基礎(chǔ)，在多功能煙氣脫硫塔的吸收段氨水將鍋爐煙氣中的SO2吸收，得到脫硫中間產(chǎn)品亞硫酸銨或亞硫酸氫銨的水溶液;在脫硫塔的氧化段，鼓入壓縮空氣進(jìn)行亞硫銨的氧化反應(yīng)，將亞硫酸銨直接氧化成硫酸銨溶液。在脫硫塔的濃縮段，利用高溫?zé)煔獾臒崃繉⒘蜾@溶液濃縮，得到一定固含量的硫銨漿液，漿液經(jīng)旋流器、離心分離、干燥等工序，得到硫銨產(chǎn)品。[2]

通常氨法脫硫工藝使用液氨作為脫硫劑，液氨通過調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入加氨室與吸收液混合，通過循環(huán)泵進(jìn)入吸收段通過噴淋與煙氣接觸，吸收鍋爐煙氣中的SO2。

氨法脫硫塔內(nèi)SO2 的吸收是一個(gè)復(fù)雜的氣液傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程，脫硫效率主要取決于氣液傳質(zhì)速率、氣液傳質(zhì)面積、氣液接觸時(shí)間、反應(yīng)溫度、吸收液組份及 pH 值高低[3 -5]。其中，氣液傳質(zhì)面積、氣液傳質(zhì)速率、氣液接觸時(shí)間的影響因素主要包括液氣比、噴淋層高度及層數(shù)、噴嘴型式及數(shù)量、噴嘴布置及霧化、煙氣流速等。[3]

2氨法脫硫自動(dòng)控制回路的儀表

氨法脫硫效果的指標(biāo)通常使用設(shè)置在煙囪出口的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System以下簡(jiǎn)稱CEMS）進(jìn)行檢測(cè)，分析儀表取得SO2以及煙塵的含量，計(jì)量單位通常為mg/Nm3。目前應(yīng)用較廣的為基于紅外光譜測(cè)量法的SIEMENS的ULTRMAT23系列分析儀，由于CEMS分析儀對(duì)使用環(huán)境要求較高，通常需要遠(yuǎn)離煙道口設(shè)置獨(dú)立的分析小屋，脫硫塔出口凈煙氣需要通過采樣探頭抽取后，通過采樣管路輸送至分析小屋內(nèi)，通過兩次冷凝脫水、多級(jí)過濾后進(jìn)入分析儀進(jìn)行檢測(cè)。CEMS采樣管路通常長(zhǎng)達(dá)20米以上。

調(diào)節(jié)閥通常選用直通單座調(diào)節(jié)閥，口徑為DN32，等百分比流量特性。

液氨流量的測(cè)量通常使用質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量精度較高，不需要進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償即可得到液氨的質(zhì)量流量，有利于物料消耗的精確統(tǒng)計(jì)。

3氨法脫硫控制對(duì)象的特點(diǎn)

工藝實(shí)踐表明，氨法脫硫控制對(duì)象存在大時(shí)間常數(shù)、大純滯后、反應(yīng)非線性、系統(tǒng)時(shí)變性、控制品質(zhì)要求高等問題，這些問題對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)控制帶來了不理因素。

大時(shí)間常數(shù)：通過實(shí)踐計(jì)算，整個(gè)脫硫塔系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)通常在10-15分鐘系統(tǒng)左右，脫硫塔系統(tǒng)內(nèi)吸收液總?cè)萘客ǔＴ?00噸以上，而液氨加入量通常0.5T/H左右。

大純滯后：液氨經(jīng)調(diào)節(jié)閥加入加氨室與吸收液混合并被泵送到吸收段進(jìn)行反應(yīng)通常需要5-10分鐘，測(cè)量采用CEMS分析儀，由于取樣管路長(zhǎng)度產(chǎn)生的測(cè)量延遲通常在20秒以上。

反應(yīng)非線性：實(shí)踐表明吸收液中氨的濃度與脫硫效率存在嚴(yán)重的非線性。高效且經(jīng)濟(jì)的脫硫劑濃度僅有極小范圍。脫硫劑濃度過大將導(dǎo)致“過脫”：出口SO2濃度長(zhǎng)時(shí)間接近于0，脫硫劑濃度過低脫硫效率急劇降低，導(dǎo)致脫硫塔出口SO2濃度無法達(dá)到工藝要求造成排放超標(biāo)。

系統(tǒng)特性時(shí)變性：隨著連續(xù)運(yùn)行時(shí)間增加脫硫塔吸收段噴淋層噴嘴會(huì)逐漸結(jié)垢堵塞導(dǎo)致吸收液循環(huán)量減小、噴淋層部分噴嘴脫落導(dǎo)致噴淋“雨幕”分部不均、循環(huán)泵葉輪磨損導(dǎo)致出力變化，以及吸收液固含量變化等都直接影響著系統(tǒng)的特性。

多參數(shù)耦合性：出口SO2含量與煙塵含量存在耦合關(guān)系，快速大量的加入液氨雖然可以提高脫硫效率，但是將導(dǎo)致煙塵排放超標(biāo)。液氨的加入必須平滑穩(wěn)定。

控制品質(zhì)要求高：目前的環(huán)保法規(guī)要求的脫硫塔出口SO2排放限值為35mg/Nm3，而脫硫塔入口的SO2含量通常在1000-3000mg/Nm3左右，這導(dǎo)致必須時(shí)刻將脫硫效率控制在98%-99%左右才能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)環(huán)保部門對(duì)排放的要求已經(jīng)由日均值不超標(biāo)提高到小時(shí)均值不超標(biāo)，未來可能要求任何時(shí)間點(diǎn)不允許超標(biāo)，這就要求系統(tǒng)超調(diào)量必須要小，調(diào)節(jié)時(shí)間必須要短。

4氨法脫硫控制回路方案的優(yōu)化

氨法脫硫控制回路特性復(fù)雜，與常規(guī)的液位、溫度、壓力等控制回路有很大區(qū)別。某廠氨法脫硫裝置改造后使用常規(guī)單回路PID控制方案，以出口SO2含量為被調(diào)量，控制器通過控制加氨調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)液氨流量。裝置改造投運(yùn)后初期，氨法脫硫自動(dòng)控制回路投入后經(jīng)常無法穩(wěn)定運(yùn)行，或者超調(diào)量過大影響工藝平穩(wěn)，這導(dǎo)致工藝不敢投入自動(dòng)，控制回路長(zhǎng)期運(yùn)行在手動(dòng)狀態(tài)。這樣一方面增加了工藝人員的操作量，另一方面容易造成過脫或者超標(biāo)，影響了經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。

經(jīng)過對(duì)控制回路參數(shù)進(jìn)行了多輪整定，發(fā)現(xiàn)控制回路參數(shù)對(duì)不同工況適應(yīng)能力差，往往參數(shù)整定結(jié)束后一小段時(shí)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行，隔幾日工況變化時(shí)又無法穩(wěn)定運(yùn)行。

我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)的單回路PID控制無法滿足氨法脫硫自動(dòng)控制的要求。主要原因?yàn)榭刂苹芈肥艿饺缦聨讉€(gè)因素的影響：1.由于多套脫硫裝置公用一條液氨母管，造成液氨母管壓力不穩(wěn)定進(jìn)而影響到液氨流量的穩(wěn)定，加氨流量波動(dòng)造成的擾動(dòng)單回路PID無法消除，嚴(yán)重干擾了自動(dòng)回路的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。2.系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)大，純滯后大，控制回路對(duì)脫硫塔入口SO2含量的變化響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)。

針對(duì)以上幾個(gè)干擾因素，設(shè)計(jì)了引入前饋的串級(jí)控制回路方案。串級(jí)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由兩個(gè)串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)的目的在于通過設(shè)置副變量來提高對(duì)主變量的控制質(zhì)量，由于副回路的存在，系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對(duì)主變量的影響，同時(shí)串級(jí)控制回路系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷改變時(shí)有一定的自適應(yīng)能力。我們引入串級(jí)控制系統(tǒng)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。

前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)的，直接按擾動(dòng)對(duì)輸出進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā４?jí)控制是通過測(cè)量干擾的變化并經(jīng)控制器的控制作用直接克服干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量不受干擾或少受干擾的影響的控制方式組成的控制系統(tǒng)。單純的前饋由于是開環(huán)的，只能對(duì)系統(tǒng)的某一種擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，必須與反饋控制相結(jié)合才能發(fā)揮最大的作用。引入前饋可以提高控制回路對(duì)脫硫塔入口SO2含量變化以及鍋爐負(fù)荷變化引起的煙氣流量變化等擾動(dòng)的響應(yīng)速度，做到超前調(diào)節(jié)，提高控制品質(zhì)。

整個(gè)前饋-串級(jí)控制回路的主回路為定值控制系統(tǒng)，被調(diào)量為出口SO2濃度，副回路為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，被調(diào)量為液氨流量，副回路通過控制調(diào)節(jié)閥的開度控制液氨流量，主回路引入脫硫塔入口SO2含量和鍋爐負(fù)荷作為前饋。

目前常用的SIEMENS的ULTRMAT23分析儀，為了保證測(cè)量精度以及取樣管路的通暢，儀表會(huì)周期性的進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)以及測(cè)量管路吹掃，自動(dòng)校驗(yàn)以及測(cè)量管路吹掃進(jìn)行時(shí)，分析儀會(huì)使用壓縮空氣對(duì)取樣管路進(jìn)行多輪吹掃，吹掃結(jié)束后吸入空氣進(jìn)行儀表的零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)，然后典型的校驗(yàn)和吹掃周期為3小時(shí)，時(shí)間通常為10-15分鐘。為了防止產(chǎn)生虛假信號(hào)，分析儀通常被設(shè)定為校驗(yàn)及吹掃期間輸出信號(hào)一直保持在最后一個(gè)測(cè)量值，無法反映這期間脫硫塔出口SO2含量的實(shí)際情況，主控制回路處于失控狀態(tài)。由于為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，前饋系數(shù)通常設(shè)定的較小，如果校驗(yàn)期間脫硫塔入口SO2含量以及鍋爐負(fù)荷的變化導(dǎo)致出口SO2產(chǎn)生較大波動(dòng)，單純前饋無法補(bǔ)償由此帶來的影響，脫硫塔出口SO2含量將產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)，所以校驗(yàn)過程中控制回路無法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，甚至校驗(yàn)結(jié)束后控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)被打破無法有效控制。為此，在引入脫硫塔入口SO2含量和鍋爐負(fù)荷的乘積作為前饋的同時(shí)，同時(shí)引入了CEMS分析儀校驗(yàn)信號(hào)，同時(shí)針對(duì)分析儀校驗(yàn)時(shí)與正常運(yùn)行時(shí)設(shè)定了不同的前饋系數(shù)，分析儀校驗(yàn)時(shí)前饋系數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑龃螅鰪?qiáng)了前饋的控制作用。當(dāng)CEMS分析儀校驗(yàn)時(shí)，串級(jí)主回路切換到開環(huán)跟蹤狀態(tài)，跟蹤副回路的液氨流量，此時(shí)完全由前饋?zhàn)饔脕砜刂聘被芈返囊喊绷髁吭O(shè)定值，補(bǔ)償由于脫硫塔入口SO2含量以及鍋爐負(fù)荷變化對(duì)回路造成的影響。

同時(shí)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)CEMS分析儀校驗(yàn)結(jié)束后通常測(cè)量信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大階躍，影響控制回路的穩(wěn)定。為此，對(duì)CEMS分析儀的校驗(yàn)結(jié)束后的信號(hào)進(jìn)行了一階滯后處理，滯后時(shí)間15s。

由于反應(yīng)效率的非線性，當(dāng)工況快速變化時(shí)，“過脫”現(xiàn)象不可避免的發(fā)生，“過脫”發(fā)生時(shí)，出口SO2濃度接近于零，此時(shí)由于主回路的積分作用，液氨流量會(huì)逐漸減少到零，如果不加干預(yù)，當(dāng)吸收液中氨濃度慢慢消耗到低于高效反應(yīng)濃度時(shí)，反應(yīng)效率會(huì)急劇下降，造成脫硫效率下降，SO2排放超標(biāo)。為此，對(duì)液氨流量設(shè)定了下限。提取了過去半年正常運(yùn)行中氨流量、脫硫塔入口SO2含量、鍋爐負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了二元線性回歸分析，統(tǒng)計(jì)出了一定脫硫塔入口SO2含量、鍋爐負(fù)荷以及液氨的需求量M0的關(guān)系，并以M0乘以系數(shù)k做為最低加氨量，k初始值為0.8，隨時(shí)間線性遞減，30分鐘后k達(dá)到最低值0.3。由于設(shè)定了最低加氨量，保證系統(tǒng)在“過脫”時(shí)，也能夠緩慢的補(bǔ)充液氨脫硫劑，使在系統(tǒng)內(nèi)脫硫劑濃度在一段時(shí)間內(nèi)回到最佳反應(yīng)濃度，保證系統(tǒng)的安全達(dá)標(biāo)。避免系統(tǒng)由于非線性產(chǎn)生的快速震蕩。

下圖為氨法脫硫自動(dòng)控制回路的前饋-串級(jí)控制邏輯圖：

通過對(duì)控制回路的參數(shù)的不斷調(diào)試優(yōu)化，目前自動(dòng)控制回路已經(jīng)能夠穩(wěn)定投入。自控回路的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)均能滿足工藝指標(biāo)要求。

下圖為某日自動(dòng)投入后出口SO2的變化趨勢(shì)（2小時(shí)）

結(jié)語：

氨法脫硫由于其高效率、產(chǎn)物符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求有著廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)氨法脫硫自動(dòng)控制運(yùn)行中存在的問題，從工藝過程及設(shè)備角度分析其機(jī)理，選擇合適的控制方案，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題制定改進(jìn)措施，并調(diào)試驗(yàn)證，完全可以穩(wěn)定的投入自動(dòng)運(yùn)行，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，進(jìn)而提高裝置的自動(dòng)化水平以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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