基于變工頻混合控制的超臨界機組脫硫吸收塔PH控制與優化

華潤電力技術研究院有限公司 衛平寶

本文研究了超臨界火力發電機組脫硫吸收塔PH值控制策略存在的問題，針對目前火電機組深度配煤摻燒及超低排放的需要，保證機組在各種煤種及負荷工況下，實現超低排放目標，給出了一種變頻+工頻混合自動控制策略，解決單純用供漿調節閥控制存在節流損失大，及單純使用供漿泵變頻控制轉速在低出力下管道流動性差，易發生管道堵塞等問題，采用PH值變工頻混合控制策略可解決以上問題，同時對該策略下的控制系統進行參數優化，提高了吸收塔PH值控制品質。

隨著環保日益重視，對火電機組二氧化硫排放的指標越來越嚴格，為了實現火電機組超低排放，機組進行了超低排放改造，同時需對原有的脫硫效率控制回路進行優化改造，原設計脫硫吸收塔漿液PH值為自動控制系統，采用單回路供漿調節閥控制PH值，該方法控制回路簡單，但無法適應現在多煤種深度摻燒的需要，對硫份變化的適應性差，調節精度差，抗干擾能力差，以致于PH值控制滯后、波動大，滿足不了超低排放的指標的要求，迫切需要設計一種新的控制策略，已解決現有的問題。

1 變工頻PH值控制策略功能設計

原機組設計的脫硫漿液PH值為單回路控制，執行機構為供漿調節閥，自動控制調節閥開度實現對PH值的運行范圍的控制，該方式下，回路設計簡單明了，但存在如下問題：一是調節閥節流損失大，管道振動大，磨損大；二是低流量時供漿管道流動性差，易管道堵塞；三是PH值控制品質差，波動大；四是未設計前饋回路，無法及時通過升降負荷及吸收塔入口SO2變化實現PID提前調節。對硫份的適應性不好，給檢修和運行帶來諸多不便，為了適應機組深度配煤摻燒及超低排放的需要，保證機組在各種煤種下實現超低排放目標，本文設計一種660MW機組脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制系統，由2個子模塊組成，即，一個變頻控制子模塊、一個工頻輔助控制子模塊，采用變工頻混合控制策略以解決上述問題。

采用一種新型脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制策略邏輯設計，當脫硫吸收塔PH值控制投入自動后，上述2個模塊協調動作控制參數，保證機組排放達標運行，其中：對供漿管道流量做最小流量限制，變頻泵采用三沖量控制方式，當變頻泵輸出小于10Hz時，輸出保持不再減小頻率，以保持管道有適量的流體流過，避免管道漿液長時間不流動而造成管道堵塞，當變頻泵頻率低于20Hz時，逐漸關小供漿調節閥開度，以提高供漿壓力，當變頻泵頻率高于40Hz時，將供漿調節閥全開，以減少調節閥的節流損失，輔助控制系統采用供漿調節閥工頻控制方式，其開度與供漿變頻泵頻率的對應關系執行試驗數據擬合的函數；當調節閥開度小于10%時保持不再減小，防止管道漿液不流動而堵塞。供漿泵變頻控制回路增加三個前饋信號，即負荷前饋、吸收塔進口SO2濃度前饋、煙氣流量前饋，其數值均以試驗數據擬合函數獲取，通過前饋控制可提高PH值控制響應速度，提高PH控制品質。變工頻混合控制策略邏輯，如圖1所示。

圖1 吸收塔漿液pH值變工頻混合控制邏輯

其中：脫硫吸收塔PH控制主控制器PID（簡稱主PID）接受PH設定值與PH實際值得偏差，經比例、積分、微分作用及前饋作用形成漿液量需求指令，脫硫吸收塔PH控制副控制器PID（簡稱副PI）接受主PID指令與實際管道漿液流量做偏差計算，形成最終的供漿泵頻率指令，PHFF1為負荷動態前饋，PHFF2為吸收塔原煙氣SO2濃度前饋，PHFF3為煙氣流量前饋，PHFF為主PID的總前饋信號，關系為：PHFF=0.55×PHFF1+0.25×PHFF2+0.2×PHFF3。副PI設置為快速控制回路，K1p=10.5，K1i=0.28。

圖2 變負荷工況下漿液PH值自動控制試驗曲線

2 變工頻PH值控制參數試驗與優化

目前，普遍的做法是對脫硫控制系統進行改造和優化，本文根據設計的新型變工頻控制策略，結合現場數據，進行控制參數擬合和試驗。

2.1 變頻泵頻率與供漿泵開度指令的關系

通過大量現場試驗數據，獲取供漿調節閥開度指令y與變頻泵轉速（頻率）x之間的關系，其擬合函數為：

2.2 主PID前饋PHFF1參數y與機組負荷x的關系

通過現場試驗數據，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF1參數y與機組負荷的關系進行擬合，其函數為：

2.3 主PID前饋PHFF2參數y與機組負荷x的關系

通過現場試驗數據，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF2參數y與原煙氣中SO2濃度（mg/NM3）的關系進行擬合，其函數為：

2.4 主PID前饋PHFF3參數y與機組負荷x的關系

通過現場試驗數據，對吸收塔PH值變工頻混合控制PID前饋PHFF3參數y與原煙氣量（KM3/H）的關系進行擬合，其函數為：

主控制器PID總的前饋信號PHFF，為脫硫吸收塔PH值變工頻混合控制主控制器PID的總前饋信號。

2.5 主PID比例系數Kp與機組負荷的關系

通過參數辨識、自動回路擾動試驗，對吸收塔PH值變工頻混合控制主控制器PID比例系數Kp值、積分系數Ki值、微分系數Kd值y1、y2、y3分別與機組負荷（MW）x的關系進行擬合，其函數為：

3 吸收塔PH值自動控制擾動試驗及效果分析

經過上述變工頻混合控制策略改造及控制參數優化，對進行變負荷試驗，選取一臺600MW超臨界火力發電機組進行PH值控制優化后驗證效果，試驗前，機組負荷460MW運行，吸收塔漿液PH值設定值為5.7，實際值為5.7，試驗開始啟動，機組負荷由460MW→490MW，升負荷30MW。如圖2所示。

從整個試驗過程來看，吸收塔漿液PH值5.67～5.76之間變化，最大超調量0.06，最大變化幅度0.09，PH值控制系統表現穩定、精確，使機組在負荷變化過程PH值精確控制在設定值5.7左右變化，且變化幅度不超過1.05%，控制品質顯著提高。

結論：通過變工頻吸收塔PH值自動控制策略及控制參數優化，采用變頻控制供漿泵轉速，工頻輔助控制供漿調節閥，實現全程自動調節，提高PH值調節品質，本策略采用低流量限制設計，可解決管道漿液流量低造成的管道堵塞，采用變頻控制，減少調節閥門節流損失，提高供漿效率，采用工頻輔助變頻的混合控制系統，可克服單純的工頻控制調節閥、變頻調節供漿泵轉速兩者的缺點，發揮兩者的優點，最終實現PH值最優控制。同時，吸收塔PH值控制采用三沖量控制，主PID采用變參數、自適應控制，輔助以前饋控制，副控制器PI采用快速回路，提高調節速度，現實提高PH值控制品質的目的。