《電子技術(shù)應(yīng)用》
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火電廠煙氣脫硫控制策略研究
摘要: 目前我國燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90%以上,其中火電廠(也稱燃煤電廠)污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50%左右。成為我國大氣SO2污染的第一大污染源,因此,搞好火電廠的SO2排放對(duì)于我國的環(huán)境保護(hù)有著重要的意義。
Abstract:
Key words :
1 引言
   
目前我國燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90%以上,其中火電廠(也稱燃煤電廠)污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50%左右。成為我國大氣SO2污染的第一大污染源,因此,搞好火電廠的SO2排放對(duì)于我國的環(huán)境保護(hù)有著重要的意義。
    煙氣脫硫的技術(shù)工藝種類很多、各具特點(diǎn),應(yīng)用于不同的爐型、場地、原料等條件,脫硫效果及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用也有較大差別。主要有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫以及石灰石/石膏濕法脫硫,這里研究基于當(dāng)前應(yīng)用最多的石灰石/石膏濕法脫硫方法。
    脫硫工藝受到多種過程因素影響,是一個(gè)典型的具有復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性的控制系統(tǒng)。在工業(yè)脫硫控制系統(tǒng)中,PID控制算法因其結(jié)構(gòu)簡單、不需要控制系統(tǒng)模型且具有一定的魯棒性而被廣泛采用。但是PID控制算法不能根據(jù)對(duì)象特性變化自動(dòng)修改控制參數(shù)。對(duì)時(shí)變性、非線性的脫硫控制系統(tǒng)控制效果很難達(dá)到最佳狀態(tài),導(dǎo)致某些場合下SO2的排放不符合標(biāo)準(zhǔn)。近年來,雖有學(xué)者研究將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制算法應(yīng)用到脫硫控制系統(tǒng),但這些算法尚無法在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。
    本文在深人分析脫硫控制工藝的基礎(chǔ)上,按照影響脫硫效果的因素將脫硫控制系統(tǒng)分為3個(gè)子控制系統(tǒng)。在原有PID控制算法的基礎(chǔ)上,研究將串級(jí)控制、前饋控制以及模糊控制應(yīng)用到脫硫控制子控制系統(tǒng)中。

2 石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝分析
2.1 脫硫系統(tǒng)組成及工藝流程

    石灰石/石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)(單臺(tái)機(jī)組)主要由煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、脫水及輸送系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、工藝和工業(yè)水系統(tǒng)、雜用和儀用空氣系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)組成。吸收氧化系統(tǒng)是整個(gè)脫硫系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)。而吸收塔是脫硫系統(tǒng)的主體設(shè)備,是吸收SO2的關(guān)鍵場所,所有的吸收反應(yīng)均在吸收塔內(nèi)完成。
    石灰石/石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為:鍋爐煙氣經(jīng)過除塵器除塵后,由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng),煙氣由進(jìn)口煙道進(jìn)入由增壓風(fēng)機(jī)增壓后,經(jīng)煙氣換熱器(GGH)降溫,進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi),煙氣由下向上流動(dòng)。石灰石漿液由上向下洗滌煙氣,在吸收塔底部,鼓入空氣進(jìn)行氧化。生成的石膏由石膏漿液泵送入脫水系統(tǒng),圖1是石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。

2.2 脫硫效率影響參數(shù)分析
   
影響脫硫效率的參數(shù)有很多,其主要參數(shù)有以下3個(gè):
    (1)吸收塔內(nèi)漿液的PH值該值是WFGD(濕法煙氣脫硫)裝置運(yùn)行最重要的控制參數(shù)之一,是影響脫硫率、氧化率、吸收劑利用率及系統(tǒng)結(jié)垢的主要因素之一。在實(shí)際運(yùn)行中主要通過控制石灰石漿液供給量來控制PH值,一般隨著PH值的增加脫硫效率也增加,但增加到一定程度,脫硫率就幾乎不再增加。因此選擇合適的PH值,對(duì)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要,通常,吸收塔漿池的PH值維持在5.2~6.1之間。
    (2)增壓風(fēng)機(jī)入口壓力 來自鍋爐側(cè)的煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)(BUF)增壓,補(bǔ)償煙氣在整個(gè)脫硫系統(tǒng)中的壓力損失,是脫硫系統(tǒng)中舉足輕重的設(shè)備。進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣流量通過增壓風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉進(jìn)行調(diào)節(jié)。其動(dòng)葉的調(diào)整、控制不僅關(guān)系到整個(gè)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能運(yùn)行在低耗能、高效率的最佳工況。
    (3)煙氣溫度實(shí)際運(yùn)行過程中,機(jī)組負(fù)荷變化較頻繁,F(xiàn)GD進(jìn)口煙溫也會(huì)隨之波動(dòng),對(duì)脫硫率有很大的影響。因此,對(duì)煙氣溫度的控制也十分重要。

3 脫硫工藝控制策略研究與仿真
3.1 吸收塔PH值控制
   
采用普通的PID控制時(shí),由于PH調(diào)節(jié)具有較大滯后特性,控制效果并不理想??紤]到影響吸收塔PH值的主要因素是煙氣中的硫元素與漿液中鈣元素的摩爾比,因此,這里在脫硫系統(tǒng)中使用串級(jí)PID控制。串級(jí)控制系統(tǒng)是將兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作,其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器設(shè)定值的系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)分為主控回路和副控回路,對(duì)應(yīng)回路的調(diào)節(jié)器分別稱為主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器;對(duì)應(yīng)回路的調(diào)節(jié)對(duì)象稱為主控對(duì)象和副控對(duì)象;作用在兩個(gè)回路中的擾動(dòng)分別稱為一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)。圖2為采用串級(jí)控制的吸收塔內(nèi)PH值控制系統(tǒng)原理圖。

    當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí),破壞了穩(wěn)定狀態(tài),調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。在串級(jí)控制系統(tǒng)中,由于引入1個(gè)副控回路,不僅能及早克服進(jìn)入副控回路的二次擾動(dòng),而且能改善過程特性。副控調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)作用,主控調(diào)節(jié)器具有細(xì)調(diào)作用,從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。
    主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器仍然采取PID控制算法,其控制參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整定,該設(shè)計(jì)中,具體的參數(shù)值為:主控回路比例系數(shù)Kp為10.0,積分時(shí)間Ti為0 s,微分時(shí)間Td為0 s;副控回路比例系數(shù)Kp為5.0,積分時(shí)間Ti為50 s,微分時(shí)間Td為1 s。系統(tǒng)設(shè)定PH值為5.5,仿真結(jié)果如圖3所示。

3.2 增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制
   
煙氣經(jīng)旁路進(jìn)入脫硫島,在管道內(nèi)流動(dòng)的壓力損失由增壓風(fēng)機(jī)來提供。使得煙氣能夠在脫硫島內(nèi)流動(dòng)。增壓風(fēng)機(jī)人口壓力控制的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩(wěn)定。將鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的引風(fēng)機(jī)出口壓力作為增壓風(fēng)機(jī)人口壓力控制的設(shè)定值,測量實(shí)際運(yùn)行的壓力,然后進(jìn)行比較得出偏差,偏差經(jīng)過控制算法計(jì)算。得出調(diào)節(jié)量作用在增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)導(dǎo)葉上,使得增壓風(fēng)機(jī)人口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。
    增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制算法通常是PID調(diào)節(jié),由于壓力控制系統(tǒng)是滯后和時(shí)變的,常規(guī)PID算法不能達(dá)到良好效果。將鍋爐負(fù)荷作為前饋量引入到調(diào)節(jié)中,通過調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷的前饋調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償由負(fù)荷波動(dòng)帶來的壓力擾動(dòng),降低增壓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉的動(dòng)作頻率,與普通PID控制相比,前饋控制系統(tǒng)明顯可降低系統(tǒng)超調(diào)量。圖4為控制系統(tǒng)原理框圖。
    增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)器參數(shù)為:比例系數(shù)Kp為20.0,積分時(shí)間Ti為5 s,微分時(shí)間Td為0.1 s;前饋調(diào)節(jié)器設(shè)置成線性調(diào)節(jié)器,壓力的設(shè)定值為1 000 N,仿真結(jié)果如圖5所示,壓力為負(fù)值代表風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3 煙氣溫度控制
   
脫硫控制系統(tǒng)中的溫度變化范圍較大。但初始設(shè)定沒有特定的公式或者函數(shù)可用。因此,要想有一個(gè)較好的脫硫效果,一般情況下是通過實(shí)驗(yàn)室的反復(fù)試驗(yàn),并在現(xiàn)場經(jīng)過多次調(diào)試來確定溫度設(shè)定值。實(shí)踐證明:溫度的變化速率比較平緩時(shí),脫硫控制效果最佳。因此,在脫硫控制系統(tǒng)中必須采用一種控制算法,使溫度的變化在一定的范圍內(nèi),并且變化平緩。模糊控制用于控制那些因復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等而無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象,可獲得比較理想的動(dòng)靜態(tài)性能。這里研究采用模糊控制獲得平緩變化的煙氣溫度。

煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測溫裝置和溫度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成,對(duì)于脫硫系統(tǒng)其溫度調(diào)節(jié)方式是通過調(diào)節(jié)加濕器的加水量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度,如圖6所示。

 

    調(diào)節(jié)溫度需要綜合考慮T1、T3以及T2與設(shè)定值T的偏差和T2的變化趨勢。由于T1、T3屬于在緊急情況下系統(tǒng)的保護(hù)措施,其對(duì)閥門開度u的控制作用是精確的。即當(dāng)T1大于其設(shè)定值時(shí)將閥門全開,當(dāng)T3小于其設(shè)定值時(shí)將閥門全關(guān)。溫度模糊控制的核心是根據(jù)T2與該溫度設(shè)定值的偏差E2和偏差的變化趨勢△E2來模糊推斷閥門開度u。所以模糊控制的輸入量確定為E2和△E2。其中:
   
式中,T為溫度設(shè)定值,k為代表采樣次數(shù)輸出量,確定為混風(fēng)閥門開度u。
    (1)E2的基本論域:[-60,+60](℃)
    量化論域:X={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}
    量化因子:Ke2=4/60
    模糊子集:負(fù)大(NB),負(fù)小(NS),零(0),正小(PS),正大(PB)
    (2)AE2的基本論域:[-15,+15](℃)
    量化論域:y={-3,-2,-l,0,1,2,3}
    量化因子:K△E2=3/15
    模糊子集:負(fù)大(NB),負(fù)小(NS),零(0),正小(PS),正大(PB)
    (3)U的基本論域[0,100%]
    量化論域:V={0,1,2,3,4,5}
    比例因子:Ku=100/5
    模糊子集:U1(全關(guān)),U2(小關(guān)),U3(適中),U4(大開),US(全開)。
    (4)語言變量的隸屬函數(shù)及賦值表
    根據(jù)現(xiàn)場操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和控制策略。隸屬函數(shù)基本采用等腰三角形的形式,設(shè)計(jì)出E2、△E2、U的語言變量在量化論域上的賦值表,如表1、表2和表3所示。

    注:表1中的1、0.5分別為不同的E2和xi時(shí)U的取值。

    注:表2中的1,0.4分別為不同的△E2和yi時(shí)u的取值。

    注:表3中的1.0.2分別為不同的Vi和U時(shí)u的取值。
    根據(jù)上述控制策略,制定出模糊控制規(guī)則表,如表4所示。

    注:表4中的Ui為不同的E2和△E2時(shí)U的取值。
    對(duì)表中的每條控制語句,都可以得到一個(gè)模糊關(guān)系Rn,一共可以得到25個(gè)模糊關(guān)系。從而總模糊關(guān)系R為:
   
    對(duì)于任意輸入偏差E2和偏差的變化量△E2,將其模糊化后分別為E和X,由上述公式算出模糊控制器輸出的控制量。對(duì)這個(gè)模糊控制量U,用最大隸屬度法進(jìn)行模糊決策,可得到量化論域上的精確控制量U。假設(shè)溫度給定為3個(gè)階段,分別為80℃,50℃和100℃,仿真結(jié)果如圖7所示。

4 結(jié)論
   
本文針對(duì)火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)存在的時(shí)變性、復(fù)雜性和不確定性,常規(guī)PID控制算法難以滿足要求的情況下,考慮到在工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)用性,研究將串級(jí)控制、前饋控制和模糊控制應(yīng)用到脫硫控制子系統(tǒng)中。仿真結(jié)果驗(yàn)證該控制策略的有效性。

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