循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制系统优化

佟春海，折建刚

(神华神东电力有限责任公司郭家湾电厂，陕西 府谷 719408)

0 引言

郭家湾电厂建设规模为两台300 MW发电机组，锅炉为国产首批1 065 t/h亚临界双床循环流化床锅炉，两台锅炉均配备炉内石灰石脱硫系统，锅炉燃料为神府煤田低硫煤和煤矸石，因锅炉结构和燃料的特殊性，其炉内脱硫自动控制没有可参照模型，投产初期脱硫自动控制系统投入效一直较差。根据这一情况，郭家湾电厂热工专业对炉内脱硫自动控制系统进行了全面优化。

1 脱硫工艺介绍及问题分析

循环流化床锅炉燃烧过程中炉内脱硫最常用的脱硫剂是石灰石，其化学成分为碳酸钙(CaCO3)，运行过程中通过石灰石给料机和管道将石灰石粉输送入炉膛内进行化学反应，脱除燃料燃烧产生的SO2。循环流化床锅炉运行过程中炉内温度通常在850～900 ℃，在此温度下石灰石可充分发生焙烧反应，分解为氧化钙，氧化钙与SO2进行盐化反应生成CaCO3以固体形式排出达到脱硫目的。

石灰石碚烧反应方程式：

脱硫反应方程式：

郭家湾电厂石灰石粉炉内脱硫工艺系统由两套石灰石粉输送系统组成，一套由二次风管将石灰石粉送入炉膛，另外一套由返料腿将石灰石粉送入炉膛，正常运行时两套系统一用一备，每套输送系统由下料系统和给料系统两部分组成。

下料系统由储料仓、收料泵入口阀、收料泵、给料泵入口阀、给料泵等设备组成。下料工艺流程按以下步骤循环进行：收料泵料位达低限—开启收料泵入口阀—收料泵料位达高限—关闭收料泵入口阀—给料泵料位达低限—打开给料泵入口阀—给料泵料位达高限—关闭给料泵入口阀。

给料系统由输送用压缩空气管道、变频给料机、石灰石粉输送管道、给料阀等组成。给料流程为：根据SO2排放浓度增大或减小变频给料机给料量，再通过压缩空气将石灰石粉吹送到炉膛内脱硫。

郭家湾电厂石灰石脱硫系统投运之初的自动控制逻辑采用单回路PID方案，将SO2目标值与烟囱入口处SO2浓度值的偏差作为PID调节器的输入，需要始终投入石灰石粉下料循环并保证给料机10 %的最低开度才能勉强保证环保指标，有时也会造成环保超标，最大的问题是灰渣中含有的石灰石过多，放灰时遇水产生爆炸，极其危险，因此这种设计不能有效地实现自动控制，虽经调试人员多次优化和调整也未能正常投入。由于这种自动控制的缺陷，在系统投运后一直采用手动控制，但由于运行人员操作水平和操作及时性等原因有时也会造成环保超标、石灰石浪费和炸灰等问题。

根据这一情况，郭家湾电厂对系统进行了分析与研究，重新设计了脱硫自动控制系统逻辑，应用后，自动控制系统能够适应各种工况且效果良好。

2 脱硫自动控制系统逻辑优化

2.1 PID自动控制逻辑

每台给料机设置单独的PID自动控制回路，两台给料机逻辑原理相同。采用串级PID控制，主调节器采用固定比例、积分、微分控制，设置闭增、闭减条件，其输入信号为“SO2瞬时浓度折算值”与“SO2设定值”之差。副调节器采用固定比例、积分控制，设置闭增、闭减条件，其输入信号为“主调节器输出”+“煤量、床温、氧量基础值”+“床温、氧量速率超限时的预加值”-“SO2瞬时浓度折算值快速下降时的预减值”-“变频器频率反馈值”。由于在副调节器的输入信号中加入了煤量、床温、氧量等超前信号，使得自动控制调节更加快速。

有下列情况之一时，为闭增条件(主副调节器一致)：

(1) 给料机运行同时给料泵压力大于1.6 MPa；

(2) 操作器输出大于等于给料机频率高限的设定值；

(3) SO2呈下降趋势，同时存在无床温、氧量速率超限信号。

有下列情况之一时，为闭减条件(主副调节器一致)：

(1) 煤量、床温、氧量基础值呈上升趋势，同时SO2无快速下降趋势；

(2) 床温、氧量速率超限；

(3) 操作器输出小于等于给料机频率低限的设定值。

2.2 超前预控逻辑

由于燃用低硫煤的循环流化床锅炉使用的煤中含硫量较低，且一般情况下循环流化床锅炉还要掺烧煤矸石，而煤矸石的无机成分中含有CaO，Al2O3，MgO，Na2O等物质，这些物质本身就是脱硫剂，在锅炉稳定燃烧的工况下即使不投入石灰石粉，SO2也不会超过环保指标要求。但当锅炉出现燃烧不稳定的工况时，SO2浓度快速上升，如果出现燃烧不稳定工况之前没有投入石灰石粉，则可能造成环保超标。这对自动控制系统来说是个难题。

(1) 如果锅炉运行时石灰石粉一直投入会造成浪费，还会导致灰渣中含有未完成化学反应的石灰石，放灰时遇水后出现炸灰问题，但石灰石粉一直投入能保证当锅炉燃烧不稳定SO2快速上升时及时加大石灰石粉投入，遏制SO2快速上升趋势，保障环保指标。

(2) 如果稳定运行时停止石灰石粉的投入，在锅炉燃烧不稳定SO2快速上升的情况下再投入石灰石粉会出现以下问题，一是如果运行人员不能及时投入石灰石粉，就会造成环保超标。

(3) 即使快速发现SO2浓度超限就投入石灰石粉，也需要一定的下料时间和管路输送时间，造成延迟，在这种情况下就会使SO2排放浓度上升到一个很高的值，造成环保超标。

循环流化床锅炉脱硫化学反应过程中需要锅炉内的热量(床温)保持在一定范围内，还需要具有足够的氧量，当床温在某个值以上并且快速上升或者氧量在某个值以下并且快速下降时，经过一段时间后SO2就会快速上升，根据这一特性通过对床温和氧量变化的综合判断就可以预测SO2浓度的变化，从而在SO2浓度上升前提前启动石灰石粉给料系统。根据以上特性对自动控制逻辑进行优化，优化后在锅炉燃烧工况稳定的情况下可以停止石灰石粉的投入，保证了经济性。在锅炉燃烧工况不稳定的情况下，根据锅炉床温和氧量的变化提前启动石灰石给料流程，避免了SO2排放浓度超标造成的环保考核，逻辑方案如下。

(1) 当同时满足以下三个条件时，将停止下料循环：

① SO2瞬时浓度折算值小于150mg/m3(标准工况)；

② SO2当前小时平均值小于150mg/m3(标准工况)；

③ 无启动下料循环条件存在。

(2) 当有以下任一情况时，启动下料循环并根据床温和氧量速率变化值按比例增加石灰石给料机开度：

① 左侧中部床温大于920 ℃，并且左侧中部床温上升速率大于2.5 ℃/min；

② 右侧中部床温大于920 ℃，并且右侧中部床温上升速率大于2.5 ℃/min；

③ 前烟道省煤器出口氧量小于1.8 %，并且前烟道省煤器出口氧量下降速率大于每30 s 0.33 %；

④ 后烟道省煤器出口氧量小于1.8 %，并且后烟道省煤器出口氧量下降速率大于每30 s 0.33 %；

⑤ SO2瞬时浓度折算值大于180mg/m3(标准工况)，并且SO2当前小时平均值大于180mg/m3(标准工况)。

2.3 联锁启动备用给料机逻辑

两套石灰石粉输送系统正常运行时一用一备，当在运系统故障或特殊工况下一套系统不能满足排放要求时，需要联锁启动另外一套输送系统，如果靠运行人员人工识别会造成石灰石浪费和环保超标等问题，因此设计了联锁启动备用输送系统逻辑，方案如下(以1号给料机为例)：

(1) 同时满足1号给料机联锁按钮投入，1号给料泵压力小于0.1 MPa，SO2瞬时浓度折算值大于260mg/m3(标准工况)；

(2) 同时满足1号给料机联锁按钮投入，1号给料泵压力小于0.1 MPa，当前小时已过30min，SO2瞬时浓度折算值大于140mg/m3(标准工况），SO2当前小时平均值大于140mg/m3(标准工况)；

(3) 同时满足1号给料机联锁按钮投入，1号给料泵压力小于0.1 MPa，当前小时已过45min，SO2当前小时平均值大于170mg/m3(标准工况)；

(4) 同时满足以下条件：

① 1号给料机联锁按钮投入；

② 1号给料泵压力小于0.1MPa；

③ 左侧中部床温大于900 ℃同时左侧中部床温上升速率大于4.2 ℃/min，或右侧中部床温大于900 ℃同时右侧中部床温上升速率大于4.2 ℃/min。

2.4 联锁停止备用给料机及下料循环逻辑

(1) 当同时满足以下4种情况时，延时20 s停止1号给料机：

① 1号给料机联锁按钮投入；

② SO2瞬时浓度折算值小于150mg/m3(标准工况)；

③ SO2当前小时平均值小于120mg/m3(标准工况)；

④ 1号给料泵压力小于0.02 MPa。

(2) 当同时满足以下3种情况时，停止1号下料循环系统：

①SO2瞬时浓度折算值小于150mg/m3(标准工况)；

② SO2当前小时平均值小于150mg/m3(标准工况)；

③ 无启动下料循环条件存在。

这一逻辑能够在条件满足的情况下自动停止备用给料机及其所属的下料循环系统，减少运行人员劳动强度，还能够节约石灰石的使用。以上逻辑中设计“给料泵压力小于0.02 MPa”是为了识别给料泵中已无料，防止给料泵中有存料的情况下停止给料机造成给料泵中积存的石灰石粉板结。

2.5 快速减石灰石逻辑

当SO2瞬时浓度上升自动控制系统投入石灰石后经过一段时间SO2瞬时浓度值会出现下降趋势并且一直下降到很低，但当SO2浓度瞬时值刚刚出现下降趋势时如果SO2瞬时浓度值还处在大于目标值的状态则自动控制系统不会立即减小给料机的开度，只有当SO2瞬时浓度值低于目标值后自动控制系统才会减小给料机的开度，势必造成石灰石的浪费，因此设计了快速减石灰石逻辑，方案如下：

(1) 当SO2瞬时浓度折算值呈快速下降趋势时(15 s内下降4mg/m3(标准工况))，根据下降速率按比例降低石灰石给料机开度同时禁止开大给料机、屏蔽闭减条件；

(2) 当SO2瞬时浓度折算值呈快速下降趋势时(15 s内下降4mg/m3(标准工况))，为了快速降低给料机转速，将目标值置为180mg/m3(标准工况)，同时闭增主副调节器。当下降趋势结束后，恢复原目标值。

2.6 变目标值逻辑

在每一个小时的第45min时如果“SO2当前小时平均值”大于180mg/m3(标准工况)，则按一定比例降低目标值。当一小时结束或“SO2当前小时平均值”小于160mg/m3(标准工况)时恢复原目标值。这一设计将固定目标值调节优化为自动可变目标值调节，避免了运行人员调整不及时和系统不稳定时导致的环保超标。

2.7 声光报警

当发生以下任意一种异常时，将及时报警，提醒运行人员注意：

(1) 1号给料机联启条件具备但未启动；

(2) 2号给料机联启条件具备但未启动；

(3) 1号给料泵不下料；

(4) 2号给料泵不下料；

(5) 床温测点品质变坏；

(6) 氧量测点品质变坏；

(7) 煤量测点品质变坏；

(8) 1号给料机由自动控制切为手动；

(9) 2号给料机由自动控制切为手动；

(10) SO2浓度折算值品质坏；

(11) SO2浓度实时测量值品质坏；

(12) SO2均值超170mg/m3(标准工况)。

3 结论

燃用低硫煤且掺烧煤矸石的循环流化床锅炉炉内石灰石脱硫系统具有流程长、大延迟、大惯性、扰动因素多、投退石灰石输送系统频繁等特点，其自动控制需要考虑的因素较多，是值得深入研究的课题。对此提出用于此类循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制系统的方案，尤其是超前预控逻辑、快速减石灰石逻辑、变目标值逻辑等方法使自动控制品质得到了明显的提升。郭家湾电厂采用以上逻辑对脱硫自动控制系统优化后，系统在各种工况下均能稳定投入自动，保障了环保指标，降低了运行人员劳动强度，减少了石灰石的浪费，消除了炸灰隐患，实现了节能、环保、安全、稳定、经济运行的目标。