大型循環流化床機組石灰石管路輸送脫硫自動控制研究與應用

頡青堯

[摘 ? ?要]文章以330 MW循環流化床鍋爐在AGC調峰運行的方式為依據，通過管路運送石灰石，從而達到爐內脫硫目的，以此分析影響脫硫效果的幾大原因。建立閉環控制系統，將上傳到環保局監控的實際數值作為可控測量值。在原調節器的基礎上手工建立二級調節器，從而形成具有自糾纏、自平衡、自動尋優的超級調節器。在進行了不斷優化后，發現在長期投運過程中，可以實現超低排放的目標，這樣既節省了石料，又極大地提高了經濟效益，充分證明了該方案的可行性，既完善了PID調節器的性能，又為實現其他設備的自動化控制提供了思路。

[關鍵詞]循環流化床;石灰石管路輸送;SO2超低排放;自動控制

[中圖分類號]TM75 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–000–03

Research and Application of Automatic Control of Limestone Pipeline

Conveying Desulfurization for Large Circulating Fluidized Bed Unit

Jie qing-yao

[Abstract]Based on the operation of 330 MW in AGC peak regulation of circulating fluidized bed boiler， limestone is transported through the pipeline to achieve the purpose of desulfurization in the furnace， so as to analyze several reasons affecting the desulfurization effect.Establish a closed-loop control system to upload the actual value uploaded to the Environmental Protection Bureau as a controllable measurement value.Build the secondary regulator manually based on the original regulator， so as to form a super regulator with self-entanglement， self-balance， and automatic optimization.After continuous optimization， found that in the process of long-term operation， can achieve the goal of ultra-low emissions， which saves stone， and greatly improve the economic benefits， fully proved that the scheme has a good feasibility， improve the performance of PID regulator， and for the automation control of other equipment provides ideas.

[Keywords]circulating fluidized bed; limestone pipeline delivery; SO2 ultra-low emission; automatic control

1 循環流化床鍋爐具概述

循環流化床鍋爐具有效率高、燃料適應性廣、負荷調節靈活、環保性能好等優點，近年來發展非常迅速，技術日趨成熟。隨著我國對環保要求越來越高，環保電價政策的出臺，國內一些擁有循環流化床鍋爐的電廠正在抓緊改造或新加脫硫裝置。近些年，由于大型發電企業對環境污染造成重大影響，如何有效地節能環保成為人們的關注重點，而節能環保也是各大發電企業必須做到的，只有這樣才能實現超低排放的目標，否則可能會給企業帶來關停整改的難題，也會影響整個社會的安定團結。

脫硫、脫硝是火力發電廠燃煤組的兩大重要指標，脫硫主要分為干法脫硫和濕法脫硫。這兩者的優缺點各有不同：干法脫硫可以少投資，但是可控精度低，無法實現自動控制;而濕法脫硫需要大量投資，但是可控精度比干法脫硫高。針對這兩種方法的利弊，產生了循環流化床機組，兩種方法都能使用。

循環流化床使用干法脫硫，在技術上可能存在兩大問題難以解決：一是循環流化床機組AGC調峰的問題，會對循環流化床實現脫硫超低排放造成很大的困難，二是循環流化床本身存在的延遲、滯后和慣性大的問題。運用濕法脫硫，SO2測量值非常不準確，無法實現有效的控制，即使是常規的控制前饋中饋的控制方法，都無法取得有效的控制效果，不僅如此，還加大了石灰石的用量，這樣既沒有解決SO2的超低排放目標，還增大了NOX。

在經過多次試驗和細致觀察后，掌握了石灰石動作的時機，充分運用DCS的功能塊，重新建立了一個與原來的主調節器完全不同的新調節器，并將它放在主調節器之前，給它取名為“二級調節器”，這樣，主調節器與新的二級調節器之間就會出現新的調節器用于滿足SO2超低排放的目標，同時也可以降低濕法脫硫的費用。這種調節器的產生充分解決了調節器對控制對象大延遲、大慣性的控制，也有利于改善循環流化床和超臨界機組的主汽壓力。國家發布的《火電廠大氣污染物排放標準》見表1。

2 循環流化床機組爐內干法脫硫的難點

安徽某電廠機組使用的循環流化床鍋爐是以330 MW為亞臨界，是在露天布置的沒有外置床，但是擁有單汽包自然循環、單爐膛以及汽冷式旋風分離器，它的燃料配置主要是6臺給煤機和4臺煤泥泵。但是這4臺煤泥泵的運行受到是否有煤泥和在負荷高段還是低段的影響，隨時可能啟停，這樣就沒辦法預測煤泥的質量。正常的機組運行是以定—滑—定的AGC方式運行，但是由于直流特高壓和太陽能等綠色能源的接入，機組大部分時間處于低負荷狀態運行，負荷段多在40%～70% Pe，AGC指令也出現了白低晝高的運行模式，指令導致出現變化多樣，方向不一的運行狀態。

用于脫硫的石灰石從石灰石粉倉出發，在經過上下緩沖倉后，一石灰石泵疏松的壓縮空為動力，將石灰石運送到落煤口，在與空氣混合后進入爐膛，當空氣和煤燃料、石灰石充分融合后，煤粒就會著火并釋放出部分熱量，從而產生CO2和CAO，CAO又與產生的SO2充分反應，從而生成CaSO4，與殘渣一起排出。SO2脫硫在進行基建改造時不能實現自動控制，只能改成手動控制，由運行人員來調節石灰石的給料量。運行時工作人員想控制SO2的排放量的話只能不斷增加石灰石的用量，但是由于循環流化床存在延遲、滯后和慣性大的問題，導致AGC指令變得無序，人為控制的控制效果不好，造成SO2的排放量存在兩種極端，最高時到達1200 mg/m3，最低時會歸零，有時還會爆發脈沖式突變，既浪費了石灰石，還增加了NOX的生成，從而形成惡性循環。

3 優化方案分析

3.1 優化機理

床溫、煤量、氧量等都會對循環流化床脫硫的效果產生很大影響，但是這些問題都是可以通過控制解決的，而目前為止還存在幾大問題沒辦法有效解決：

3.1.1 石灰石顆粒的顆粒度問題

循環流化床的循環主要分為內循環和外循環，這是它的特征之一。將物料放入爐床內進行充分燃燒，等燒完之后變成灰渣從爐膛內排出，一部分未燒完的顆粒狀物料隨著煙霧的上升進入分離器中進行分離，較粗的部分進入料腿中重新在爐床燃燒，而較細的部分會進入尾部煙道排出大氣，物料的進入和灰渣的排出屬于外循環，而粗粒部分從料腿重新進入爐床燃燒就屬于內循環。石灰石顆粒是物料內外循環的1個重要部分，而石灰石脫硫也受到了石灰石顆粒的重要影響，如果石灰石顆粒太小，無法進入料腿進行燃燒就無法參與脫硫過程，所以石灰石要選擇顆粒狀，而不應選擇粉狀。

3.1.2 調節器的能力不足問題

石灰石如何才能掌握好增減動作的時機，是石灰石脫硫的主要問題，在進行大量實驗后發現，調節器總是在該加料時不能及時加料，該減少的時候也一直不動，如果加快速度反而造成指令的打開大關，始終無法找到平衡點，這樣就造成了連鎖反應。

目前，調節器主要分為關聯調節器和非關聯調節器，它們都是由測量值、設定值、比例、積分、微分和前饋構成的，由于SO2在煙囪入口處附近進行測量，且它與電子件之間有300 m的左右的距離，測量時間也是非連續的，這樣很容易使循環流化床的遲延和慣性更加嚴重，也更容易產生兩極分化，當SO2的測量值長時間處于“0”附近時，會造成突然性的脈沖動作。目前運用的功能塊已經可以做到預判預估，這一功能可以在測量值時使用。

調節器在使用微分時，由于啟調點的問題，導致單純使用微點不能移植SO2的脈沖式突變。

3.1.3 調節器的積分問題

SO2的非線性要求調節器也必須具備非線性，但是調節器的取消積分功能沒有辦法消除靜差，無法精準控制，這樣就變成了線性或近線性的開關，只整合調節器的參數無法實現有效的控制效果。

3.2 床溫

床溫對脫硫效率的影響主要在于床溫的高低會改變脫硫劑的反應速度、固體產物的分布及孔隙的堵塞特性，從而影響脫硫效率和脫硫劑利用率，最佳的脫硫床溫為850 ℃。若床溫低于850 ℃，不僅N2O的生成量會驟然增大，而且爐膛溫度低不利于石灰石煅燒反應的進行，會降低脫硫反應速度;若爐膛溫度過高，CaO的微孔會被迅速堵塞而影響脫硫劑的進一步利用，會使脫硫效率降低，此外爐膛溫度過高還會造成CaSO4的分解，也會使硫效率下降。

3.3 優化過程

3.3.1 方案制定

采用方案一的串級控制系統來解決原始方案中不能控制的問題，控制效果：將SO2控制在

400 mg/m3以內，峰值達到412 mg/m3，5 min內能夠從開始波動到重新控制到穩定值，給煤量波動相差達到30 t/h。使用這一方案控制下的SO2與原始方案的控制效果不同，但是超低排放的目的沒有達到，存在的問題依然沒有得到有效處理。

3.3.2 第二次優化

在觀察方案一的優化之后可以發現SO2不能得到有效控制，從而達到超低排放的目標，且石灰石的變頻指令沒有找到完整的平衡點來進行大幅度的開關動作，這樣的控制效果非常不理想。因為發現不足之處，所以要再次修改方案來解決這兩個問題。

方案說明：首先將方案一中的前饋串級方案完全放棄，調出原始方案，并在原始方案基礎上在主調節器的前饋上面手工搭建1個二級調節器，同時也要再處理SO2的采樣信號，達到超前滯后的效果。

①SO2采樣的再處理，在調節器測量SO2之前添加1個超前滯后的環節，這個環節主要是使用微分來提前感知到測量值的變化，而測量值的準確性和穩定性可以用滯后環節來表達。②主調節器的不足可以用手工搭建的二級調節器來彌補，當積分過于線性時，微分的起調點把握不足的問題就會造成主調節器的指令出現線性變化，這樣不利于對SO2的控制，只會是徒勞無功。

與功能塊的調節器不同的是，手工搭建的二級調節器可以獨立控制，這樣就可以調整參數，限制幅度，看到時值。而二級調節器比主調節器更容易操控，這是它與主調節器最本質的不同。

二級調節器的比例、微分環節的構成：將主調節器的設定值和測量值通過乘法系數SPG和PVG用正負表達正作用和反作用，在有利于限幅和保證設定值與測量值變化趨勢不變的情況下提供二者偏差的比例微分的起調點。

（1）二級調節器的比例環節。設定值與測量值通過乘法系數SPG和PVG實現正作用和反作用，當SPG為正、PVG為負則該作用為反作用，當SPG為負、PVG為正則該作用為正作用。為了對二級調節器的比例環節的輸出進行限幅和提高比例作用的偏差起調點可以通過對設定值乘法系數SPG、測量值乘法修正系數PVG縮小其偏差，縮小后的偏差傳遞給微分環節進行運算。

（2）二級調節器的微分環節。比例環節的偏差計算傳遞過來的值通過三節慣性環節與原值的偏差再經過一節慣性濾波構成了微分的初始微分輸出，初始微分輸出再經過自適應偏差的系數放大形成微分輸出中間值，經過限制幅度再經過乘法修整系數K，最終形成微分輸出值。

（3）二級調節器的積分環節。用測量值的三節慣性后形成設定值，其三節慣性的時間與主調節器的測量值與設定值的偏差相關連，偏差越大慣性越大，這樣的設定值與該信號的特性相匹配，與測量值的偏差積分形成了非線性的積分，這就是自糾纏控制器的含義所在。

調節器的底線問題解決：機組在長期運行中一直在高低負荷不同的負荷段運行的的情況下，可以將低負荷調節器關小至0，要維持SO2的控制指標要求，可以依靠變頻器的低速旋轉給料脫硫，但是在中間負荷段和高負荷段的時候要維持基本的轉速來保證給料，所以，通過符合指令的折現函數可以看出在調節器的出口對應處1個不同負荷段的基本開度。

4 優化后的效果與評價

從第二次方案優化可以看出，二級調節器中的微分和積分非常重要，這一方案中，主調節器與二級調節器相互合作，也相互配合，一起進行調節，才能實現最后的控制效果。該方案解決了整體調節器中的比例、積分、微分不能相互限制的問題。進行二次優化后調節器一直以來存在的問題消失了，調節器間的相互配合也將動態問題和穩態問題都解決了。當然，二級調節器的出現，將遲延滯后控制對象和積分飽和問題都解決了，也解決了循環流化床的爐內脫硫的自動控制問題，還為無塔脫硫超低排放提供新的解決思路。

方案二的優化改善了控制品質，將日平均指數控制在了超低排放的標準內，同時也減少了石灰石的有效用量，增大了經濟效益和社會效益。自動控制好處還體現在將單臺機組石灰石的用量降低至每日100噸，減少了100多t的消耗，每年每臺可節省500萬元，兩臺機組就可以節省近千萬元。也有利于節省人員勞動力的消耗，使運行效率變得更快更強。

5 結束語

在方案不斷優化后，經過投運檢測，大型循環流化床機組自動控制可以保證節能環保，也能減少石灰石的使用，可以有效控制SO2的排放，為其他機組提供了新的思路，在經濟效益和社會效益上都有了極大的成果同時，這項技術也可用于其他火力發電主汽壓力控制和主汽溫度控制的改良，為解決遲延滯后的對象提供了新的方向，在循環流化床機組中樹立了典范。

參考文獻

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