关于降低脱硫净烟气SO2超标次数的研究

李 莎，潘永亮，曾俊霖

（宁夏枣泉发电有限责任公司，银川 750410）

1996年发布的《火电厂大气污染物排放标准》，首次要求对锅炉排放烟气安装连续排放监测系统进行监测管理，随后开展了一系列关于改善环境质量，降低污染排放，加强环境管理的要求，同时对火电厂烟气排放浓度限值要求逐步严格。随着一些先进的污染治理设施的投运，以火电为代表的一些行业开始推进固定污染源废气超低（近零）排放，污染物排放浓度逐步降低，同时加强环保超标考核。某厂在最初建设时秉承“区域最优、节能环保”的建设理念，工程采用冷却塔排烟方式，烟气通过两座170 m高冷却塔排放。主要烟气污染物排放浓度满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）表2中SO2特别排放限值要求。

1 脱硫系统

该厂采用石灰石湿法脱硫技术。石灰石-石膏湿法烟气脱硫原理为石灰石CaCO3细粉经机械加工成石灰石浆液作为SO2吸收剂，通过烟气与石灰石浆在脱硫塔中充分接触，使烟气中的SO2与石灰石浆液发生化学反应生成亚硫酸钙和硫酸钙，在吸收塔底部搅拌器上部鼓入空气，使亚硫酸钙氧化成硫酸钙，结晶分离得副产品石膏[1]。

该厂引风机出口烟气前后进入两级吸收塔，烟气中的SO2被喷淋石灰石浆液吸收。吸收SO2的浆液落入吸收塔底部反应罐，通过浆液循环泵与补充的石灰石浆液再次喷出，洗涤烟气中的SO2。混合的浆液在反应罐底部以石膏形式沉淀析出，脱完硫的烟气从烟道排出。

该厂脱硫吸收塔浆液pH采用闭环自动控制方式，设定值为浆液最佳运行环境pH，测量值为吸收塔内部浆液混合后pH。机组运行过程中烟气中大量SO2使烟气呈现强酸性，在石灰石浆液中和的过程中供浆量决定最终烟气pH。供浆量越高，脱硝效率越高，达到饱和效率后过量浆液引起过度损耗影响经济性。因此，需要控制吸收塔pH来决定脱硫效率。当吸收塔内浆液pH在一定范围内时，pH增大，脱硫效率提高；pH降低，脱硫效率随之降低。该厂采用串级控制的方式，用送入吸收塔的石灰石浆液流量来控制浆液pH值，以保证预期的脱硫效果[2]。

2 存在的问题

从该电厂投产脱硫系统实际运行中，发现1号机组脱硫净烟气SO2频繁超标，使公司超低排放工作出现了安全隐患，给机组运行控制增加了压力。同时，SO2会同空气中的水结合能够形成酸性物质，引发酸雨。SO2形成酸雨降落到地面后，不但直接损伤植物、建筑物，还会对工作人员身体产生危害。当脱硫净烟气SO2长期超标，加入吸收塔的石灰石浆液量多，购买的石灰石粉就多，电厂的经济性就差。

3 原因分析

3.1 pH测点不准

该厂脱硫吸收塔浆液pH测量仪表为罗斯蒙特1056，pH电极为罗斯蒙特0396R-10-21-54，通过调查取证，该厂运行部化验班每周定期对脱硫吸收塔浆液pH进行化验分析，运行主操将数据与DCS测点进行比对。当pH测点确实不准时，将会下缺陷至仪控专业处理。同时设备管理部仪控维护人员也定期对仪表及探头进行维护，当出现问题时及时维修。查询ERP系统缺陷数量，排除pH测点不准的原因。

3.2 石灰石粉纯度差

石灰石中的杂质对脱硫系统的性能产生重要的影响，常见的杂质中包括MgCO3。MgCO3一部分可以溶解，从而对脱硫过程产生重要的影响，MgCO3本身可以参与脱硫反应，适度的含量会增强浆液的吸收能力，含量高会阻碍CaCO3与SO2的反应，从而抑制CaCO3的溶解，导致脱硫效率降低[3]。

针对石灰石粉的纯度，该厂运行部化验班人员每天对入厂车辆的石灰石粉纯度进行化验，并将化验数据上报物资采购部，针对不合格石粉车辆及厂家进行考核。同时物资部门在石灰石粉招投标时，采取将石灰石粉纯度要求做投标限制，并对供应厂家资质进行核对等措施，确保石灰石粉纯度合格。所以，该厂石灰石品质对净烟气SO2含量超标无影响。

3.3 控制器参数不匹配

通过分析DCS历史趋势发现在负荷及原烟气SO2含量保持稳态工况下，此时控制系统处于无扰动控制环境，但吸收塔浆液pH值仍然处于波动状态，跟踪效果不佳导致吸收塔供浆调阀开度频繁动作，最终影响净烟气脱硫效果稳定性。当闭环控制系统无外扰环境下无法消除静态误差，则说明控制系统控制器参数与控制模型匹配度较差，无法达到稳态控制效果[4]，控制器参数不匹配是净烟气SO2含量超标的原因。

3.4 供浆调阀特性不佳

该厂供浆调阀型号为SIPOS 2SA5511-5CE00-4BB3-Z的电动调阀，在供浆流量测点正常的情况下，通过阀门流量特性试验发现阀门开度和供浆流量之间的关系，调阀开度与供浆量存在以下两个问题：一是阀门开度在55%～60%之间时，阀门灵敏度极高，阀门小范围开度变化将引起较大流量变化；二是阀门开度在60%以上时，供浆量随着阀门开度与流量关系系数为负值，供浆调阀特性不佳是净烟气SO2含量超标的原因。

3.5 控制系统抗扰能力差

通过查询机组负荷变动时供浆调阀自动历史趋势，在负荷变动时，原烟气SO2含量波动较大。分析供浆调阀自动逻辑框图[5]，得出所需供浆流量由PID输出、原烟气SO2含量对应的所需供浆量两部分组成。这两部分中，占比较大的是烟气流量对应的所需供浆量，而恰恰这一分量受烟气量波动影响较大。统计发现，每次在机组负荷变化时，烟气流量会随之变化，并且波动和扰动都较大，会引起浆液量的激增或激减，对出口净烟气SO2含量控制影响非常大，每次升负荷时，都会伴随短暂的SO2含量升高，控制系统抗扰能力差是净烟气SO2含量超标的原因。

3.6 CEMS仪表指示影响

该厂CEMS仪表指示影响从CEMS小室温度低、CEMS通讯故障、CEMS测量装置不准3个原因进行分析，由于地域环境的因素，冬季环境温度较低，CEMS小室在单独的房间并处于风口，存在将设备冻坏、出口SO2测点显示坏点情况。但该厂在CEMS小室内增设空调并悬挂保温门帘，将CEMS小室内的温度控制在20℃左右，故可以排除CEMS小室温度低影响CEMS仪表指示。

在线检测系统（CEMS）传输信号不准，将导致控制系统或人为判断出现问题从而影响脱硫效率。因此，该厂维护人员对CEMS进行定期校验和比对，以确保CEMS的准确投运，同时每天两次巡检，确保CEMS通讯正常，从而排除CEMS仪表指示影响出口净烟气SO2含量。

4 对策实施及效果检查

4.1 优化控制系统PID

4.1.1 PID参数分析

根据对脱硫系统曲线分析，可以看出脱硫系统是一个多阶惯性加延时的环节，供浆调阀是一个一阶惯性加延迟的环节。基于以上分析，用MTALAB搭建仿真模型[6]，将脱硫系统看做一个二阶惯性加延时的环节，进行定向分析。在积分时间为0.01的情况下，P由0.9下降至0.3的过程中，如图1。

图1 比例仿真模型Fig.1 Scale simulation model

通过仿真，可以看到主控制器输出即供浆流量逐渐由发散趋于稳定。对于PID参数设置不合理的问题，通过Matlab仿真对PID参数进行优化，主调节器的比例由120调整为50，积分由50调整为30；副调节器的比例由1调整为17，积分由1调整为35。

4.1.2 PID参数标幺

优化时发现主调节器PID参数未进行标幺，标幺后对主副PID参数进行了优化，削弱比例作用，减小震荡，增加积分作用，消除静差。经过多次参数优化，主调节器的比例调整为2.1，积分调整为65；副调节器的比例由1调整为17，积分由1调整为35。

4.1.3 效果验证

对PID参数修正后，进行了一次检验，调整后的参数在负荷较高的情况下，调节品质较好。但是在低负荷及负荷变动时，pH值超调量略高且阀门动作频繁，调节品质不佳，说明无扰状态下的控制效果显著增强[7]。

4.2 调整供浆调阀特定曲线

对于供浆调阀特定不好的问题，机务对供浆调阀进行检修，同时仪控专业配合对阀门重新进行整定。检修完后，重新获取阀门开度对应流量关系，从检修后阀门流量特性表1可以看出，在阀门开度55%以上，流量特性有了很大的改善。

表1 定位前后的阀门特性Table 1 Valve characteristics before and after positioning

4.3 完善控制系统抗干扰能力

4.3.1 控制策略优化

针对脱硫吸收塔浆液控制系统抗干扰能力不足的缺点，对控制逻辑框架进行了完善。从完善后的逻辑框架图有3处变动：①将原逻辑中的PID控制改为变PID控制，以改善低负荷时控制品质不佳的问题；②增加负荷对应的供浆流量前馈，负荷变动时快速增减供浆流量，以改善变负荷响应能力差的问题；③增加烟气流量的微分量，加快调节速度[8]。

4.3.2 效果验证

完善控制系统后，通过对不同负荷段的供浆调阀自动调节品质进行了再次跟踪，在高负荷的稳态状况下，浆液pH稳态偏差在0.07之内且供浆调阀无频繁大幅开关现象。在低负荷的稳态状况下，浆液pH一直跟踪设定值，最大偏差只有0.04[9]。

而在变负荷的动态情况下，控制系统快速响应，过渡过程时间短且在设定值频繁变化的情况下的超调量也能满足要求，仅有2.3%。为了验证调节效果，做了设定值扰动实验，当设定值从5.1下降至4.9的过程中，控制系统能快速响应，立即跟踪设定值，最大偏差仅有0.05，调节品质较佳。

所以无论是高负荷、低负荷，还是负荷变动时，供浆调阀自动调节控制品质较佳。

5 总结

对策实施后，对2020年8月至2021年12月#1机组脱硫出口净烟气SO2实时值超标次数进行统计，月平均超标次数由16.6次/月降低为6.75次/月，系统优化后超标率降低至原先的40%水平，控制系统优化效果明显，提高了供浆调阀控制品质，减少了阀芯磨损的速度，提升了浆液有效使用量，同时间接地降低了运行和检修人员的劳动强度，也降低了净烟气SO2时均值超标的可能性。