大型循环流化床机组石灰石管路输送脱硫自动控制的研究与应用

颉青尧

[摘    要]以330 MW循环流化床锅炉在AGC调峰运行的方式为依据，通过管路运送石灰石，从而达到炉内脱硫目的，以此分析影响脱硫效果的几大原因。建立闭环控制系统，将上传到环保局监控的实际数值作为可控测量值。在原调节器的基础上手工建立二级调节器，从而形成具有自纠缠、自平衡、自动寻优的超级调节器。在进行了不断优化后，发现在长期投运过程中，可以实现超低排放的目标，这样既节省了石料，又极大地提高了经济效益，充分证明了该方案具有很好的可行性，既完善了PID调节器的性能，又为实现其他设备的自动化控制提供了思路。

[关键词]循环流化床;石灰石管路输送;SO2超低排放;自动控制

[中图分类号]TM75 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–00–03

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

循環流化床锅炉具有效率高、燃料适应性广、负荷调节灵活、环保性能好等优点，近年来发展非常迅速，技术日趋成熟。随着我国对环保要求越来越高，环保电价政策的出台，国内一些拥有循环流化床锅炉的电厂正在抓紧改造或新加脱硫装置。近些年，由于大型发电企业对环境造成重大影响，如何有效地节能环保成为人们的关注重点，而节能环保也是各大发电企业必须执行做到的，才能实现超低排放的目标，否则，可能会对企业带来关停整改的难题，对电厂和从业人员带来极大的考验，也会影响整个社会的安定团结。

脱硫、脱硝是火力发电厂燃煤组的两大重要指标，脱硫主要分为干法脱硫和湿法脱硫。这两者的优缺点各有不同：干法脱硫投资少，但是可控精度低，无法实现自动控制;而湿法脱硫需要大量投资，但是可控精度比干法脱硫高。针对这两种方法的利弊，产生了循环硫化床机组，两种方法都能使用。

循环硫化床使用干法脱硫，在技术上可能存在两大难题难以解决：①循环硫化床机组AGC调峰的问题，会对循环硫化床实现脱硫超低排放造成很大的困难;②循环硫化床本身存在的延迟、滞后和惯性大的问题。运用湿法脱硫，SO2测量值非常不准确，无法实现有效的控制，即使是常规的控制前馈中馈的控制方法，都无法取得有效的控制效果，不仅如此，还加大了石灰石的用量，这样既没有解决SO2的超低排放目标，还增大了NOX。

在经过多次试验和细致观察后，掌握了石灰石动作的时机，充分运用DCS的功能块，重新建立了一个与原来的主调节器完全不同的新调节器，并将它放在主调节器之前，给它取名为“二级调节器”，这样，主调节器与新的二级调节器之间就会出现新的调节器用于满足SO2超低排放的目标，同时也可以降低湿法脱硫的费用。这种调节器的产生充分解决了调节器对控制对象大延迟、大惯性的控制，也有利于改善循环硫化床和超临界机组的主汽压力。

国家发布的火电厂大气污染物排放标准如表1所示。

1 循环硫化床机组炉内干法脱硫的难点

安徽某电厂机组使用的循环流化床锅炉是以330 MW为亚临界，是在露天布置的，没有外置床，但是拥有单汽包自然循环、单炉膛以及汽冷式旋风分离器，它的燃料配置主要是6台给煤机和四台煤泥泵。但是这四台煤泥泵的运行受到是否有煤泥和在负荷段数高低的影响，随时可能启停，这样就没办法预测煤泥的质量。正常的机组运行是以AGC方式运行，但是由于太阳能等绿色能源和直流特高压的接入，机组大部分时间处于低负荷状态运行，负荷段多在40%～70%Pe，AGC指令也出现了白低昼高的运行模式，指令导致出现变化多样、方向不一的运行状态。

用于脱硫的石灰石从石灰石粉仓出发，在经过上下缓冲仓后，以石灰石泵疏松的压缩空气为动力，将石灰石运送到落煤口，在与空气混合后进入炉膛，当空气和煤燃料、石灰石充分融合后，煤粒就会着火并释放出部分热量，从而产生CO2和CaO，CaO又与产生的SO2充分反应，从而生成硫酸钙，与残渣一起排出。SO2脱硫在进行基建改造时不能实现自动控制，只能改成手动控制，由运行人员来调节石灰石的给料量。运行时工作人员想控制SO2的排放量只能不断增加石灰石的用量，但是由于循环硫化床存在的延迟、滞后和惯性大的问题，导致AGC指令变得无序，人为控制的控制效果不好，造成SO2的排放量存在两种极端，最高时达到1 200 mg/m3，最低时会归零，有时还会爆发脉冲式突变，既浪费了石灰石，还增加了NOX的生成，从而形成恶性循环。

2 优化方案分析

2.1 优化机理

床温、煤量、氧量等都会对循环流化床脱硫效果产生很大影响，但是这些问题都可以通过控制解决的，而目前为止还存在几大问题没办法有效解决。

2.1.1 石灰石颗粒的颗粒度问题

循环硫化床的循环主要分为内循环和外循环，这是它的特征之一。将物料放入炉床内进行充分燃烧，等烧完之后变成灰渣从炉膛内排出，一部分未烧完的颗粒状物料随着烟雾的上升进入分离器中进行分离，较粗的部分进入料腿中重新在炉床燃烧，而较细的部分会进入尾部烟道排出大气，物料的进入和灰渣的排出属于外循环，而粗粒部分从料腿重新进入炉床燃烧就属于内循环。石灰石颗粒是物料内外循环的一个重要部分，而石灰石脱硫也受石灰石颗粒的重要影响，如果石灰石颗粒太小，无法进入料腿进行燃烧就无法参与脱硫过程，所以石灰石要选择颗粒状，而不应选择粉状。

2.1.2 调节器的能力不足问题

石灰石如何才能掌握好增减动作的时机，是石灰石脱硫的主要问题，在进行大量实验后发现，调节器总是在该加料时不能及时加料，该减少的时候也一直不动，如果加快速度反而造成指令的打开大关，始终无法找到平衡点，这样就造成了连锁反应。

目前，调节器主要分为关联调节器和非关联调节器，它们都是由测量值、设定值、比例、积分、微分和前馈构成的，由于SO2在烟囱入口处附近进行测量，且它与电子件之间有300m左右的距离，测量时间也是非连续的，这样很容易使循环流化床的迟延和惯性更加严重，也更容易产生两极分化，当SO2的测量值长时间处于“0”附近时，会造成突然性的脉冲动作。目前运用的功能块已经可以做到预判预估，这一功能可以在测量值时使用。

调节器在使用微分时，由于启调点的问题，导致单纯使用微点不能移植SO2的脉冲式突变。

2.1.3 调节器的积分问题

SO2的非线性要求调节器也必须具备非线性，但是调节器的取消积分功能没有办法消除静差，无法精准控制，这样就变成了线性或近线性的开关，只整合调节器的参数无法实现有效的控制效果。

2.2 床温

床温对脱硫效率的影响主要在于床温的高低会改变脱硫剂的反应速度、固体產物的分布及孔隙的堵塞特性，从而影响脱硫效率和脱硫剂利用率，最佳的脱硫床温为850 ℃。若床温低于850 ℃，不仅N2O的生成量会骤然增大，而且炉膛温度低不利于石灰石煅烧反应的进行，会降低脱硫反应速度;若炉膛温度过高，氧化钙的微孔会被迅速堵塞而影响脱硫剂的进一步利用，会使脱硫效率降低，此外炉膛温度过高还会造成硫酸钙的分解，也会使硫效率下降。

2.3 优化过程

2.3.1 方案制定

方案一：采用串级控制系统来解决原始方案中不能控制的问题，控制效果：将SO2控制在400 mg/m3以内，峰值达到412 mg/m3，5min内能够从开始波动到重新控制到稳定值，给煤量波动相差达到30 t/h。使用这一方案控制下的SO2与原始方案的控制效果不同，但是超低排放的目的没有达到，存在的问题依然没有得到有效处理。

2.3.2 第二次优化

在观察优化之后可以发现SO2不能得到有效控制，从而达到超低排放的目标和石灰石的变频指令没有找到完整的平衡点来进行大幅度的开关动作，这样的控制效果非常不理想这两大问题，因为发现不足之处，所以要再次修改方案来解决这两大问题。

方案二说明：将方案一中的前馈串级方案完全放弃，调出原始方案，并在原始方案基础上在主调节器的前馈上面手工搭建一个二级调节器，同时也要再处理SO2的采样信号，达到超前滞后的效果。

①SO2采样的再处理，在调节器测量SO2之前添加一个超前滞后的环节，这个环节主要是使用微分来提前感知到测量值的变化，而测量值的准确性和稳定性可以用滞后环节来表达。②主调节器的不足可以用手工搭建的二级调节器来弥补，当积分过于线性是，微分的起调点把握不足的问题就会造成主调节器的指令出现线性变化，这样不利于对SO2的控制，只会是徒劳无功。

与功能块的调节器不同的是，手工搭建的二级调节器可以独立控制，这样就可以调整参数，限制幅度，看到时值。而二级调节器比主调节器更容易操控，这是它与主调节器最本质的不同。

二级调节器的比例、微分环节的构成：将主调节器的设定值和测量值通过乘法系数SPG和PVG用正负表达正作用和反作用，在有利于限幅和保证设定值与测量值变化趋势不变的情况下提供二者偏差的比例微分的起调点。

（1）二级调节器的比例环节。设定值与测量值通过乘法系数SPG和PVG实现正作用和反作用，当SPG为正、PVG为负则该作用为反作用，当SPG为负、PVG为正则该作用为正作用。为了对二级调节器的比例环节的输出进行限幅和提高比例作用的偏差起调点，可以通过对设定值乘法系数SPG、测量值乘法修正系数PVG缩小其偏差，缩小后的偏差传递给微分环节进行运算。

（2）二级调节器的微分环节。比例环节的偏差计算传递过来的值通过三节惯性环节与原值的偏差再经过一节惯性滤波构成了微分的初始微分输出，初始微分输出再经过自适应偏差的系数放大形成微分输出中间值，经过限制幅度再经过乘法修整系数，最终形成微分输出值。

（3）二级调节器的积分环节。用测量值的三节惯性后形成设定值，其三节惯性的时间与主调节器的测量值与设定值的偏差相关连，偏差越大惯性越大，这样的设定值与该信号的特性相匹配，与测量值的偏差积分形成了非线性的积分，这就是自纠缠控制器的含义所在。

调节器的底线问题解决：机组在长期运行中一直在高低负荷不同的负荷段运行情况下，可以将低负荷调节器关小至0，要维持SO2的控制指标要求，可以依靠变频器的低速旋转给料脱硫，但是在中间负荷段和高负荷段时要维持基本的转速来保证给料，所以，通过符合指令的折现函数可以看出，在调节器的出口对应一个不同负荷段的基本开度。

3 优化后的效果与评价

从第二次方案优化可以看出，二级调节器中的微分和积分非常重要，这一方案中，主调节器与二级调节器相互合作，也相互配合，一起进行调节，才能实现最后的控制效果。该方案解决了整体调节器中的比例、积分、微分不能相互限制的问题。进行二次优化后调节器一直以来存在的问题消失了，调节器间的相互配合也将动态问题和稳态问题都解决了。当然，二级调节器的出现，将迟延滞后控制对象和积分饱和问题都解决了，也解决了循环流化床的炉内脱硫的自动控制问题，还为无塔脱硫超低排放提供新的解决思路。

方案二的优化改善了控制品质，将日平均指数控制在了超低排放的标准内，同时也减少了石灰石的有效用量，增长了经济效益和社会效益。自动控制好处还体现在将单台机组石灰石的用量降低至每日100t，减少了一百多吨的消耗，每年每台可节省500万元，两台机组就可以节省近千万元。也有利于节省人员劳动力的消耗，使运行效率变得更快更强。

4 结语

在方案不断优化后，经过投运检测，大型循环硫化床机组自动控制可以保证节能环保，也能减少大量石灰石的使用，可以有效地控制好SO2的排放，为其他机组提供了新的思路，从经济效益和社会效益上都有了极大的成果。同时，这项技术也可用于其他火力发电主汽压力控制和主汽温度控制的改良，为解决迟延滞后的对象提供了新的方向，稳定、高效、在循环硫化床机组中树立了典范。

参考文献

[1] 杨军统.大型循环流化床机组石灰石管路输送脱硫自动控制研究与应用[J].自动化与仪器仪表，2018（9）：145-148.

[2] 来长胜，白建云，印江.广义预测控制算法在CFB锅炉SNCR烟气脱硝系统中的应用[J].热力发电，2016，45（12）：109-113.

[3] 李智华，高尔栋，董加福，等.330 MW CFB锅炉脱硫自动控制改造分析與实践[J].应用能源技术，2016（4）：29-34.

[4] 高正阳，吉硕，吕少昆，等.燃尽风对锅炉燃烧及脱硝经济性的影响[J].热力发电，2015（9）：1-8.

[5] 姜家国，郭为民，刘延泉，等.选择性催化还原脱硝系统Smith预估自抗扰控制[J].热力发电，2016，45（1）：54-59.