火電廠電除塵器出口煙塵濃度閉環控制在DCS中的實現

孫 巖，高粉艷

（寧夏棗泉發電有限責任公司，寧夏 寧東 750411）

0 引言

寧夏棗泉發電有限責任公司（以下簡稱棗泉公司）現有兩臺660MW 超超臨界機組，每臺機組配置兩臺雙室五電場的電除塵器，每臺電場出口煙道出安裝一臺煙塵濃度儀，電除塵器本體由浙江菲達環保股份有限公司設計制造。電除塵高頻電源供電裝置由浙江佳環電子有限公司生產，配套采用JHGP 型控制系統，其具有輸出直流電壓紋波小[1]、電能轉換效率高、三相平衡供電等特點。機組運行中，煙塵排放濃度達到新環保標準的排放要求，煙塵排放濃度降低到＜5mg/Nm3近零排放，由于原控制系統存在的不能動態地對高頻電源進行自動跟蹤調節，出現煙塵排放濃度長時間維持在2mg/Nm3以下運行，有時會出現調整不及時煙塵排放濃度超標的問題。隨著火電機組的經營形式愈發嚴峻且環保考核更嚴重的情況下，如何在保證煙塵排放達標的前提下，盡可能降低電除塵的功耗是擺在大家面前的新課題，因此非常有必要在現有設備基礎上對控制系統進行優化。

1 原電除塵控制系統

1.1 原控制方式

1.1.1 高頻電源控制系統

電除塵高頻電源主要運行方式有：

1）火花率整定控制方式[2]。適用于粉塵濃度高、容易產生電暈閉塞、除塵效率低的場合，它能加強粉塵荷電，提高除塵效率，但這種控制方式消耗的電能較大。

2）脈沖和間歇供電控制方式。此方式運行時，按脈沖寬度、脈沖周期以及高能頻率、低能頻率設定的參數運行，受額定二次電壓、額定二次電流限制運行，閃絡時，受閃頻的控制。

3）手動固定頻率[3]。此方式運行時，按手動頻率設定值運行，受額定二次電壓，額定二次電流限制運行，閃絡時，受閃頻的控制。

1.1.2 上位機監控系統

通過以太網通訊實現對每臺電除塵器高頻電源的運行參數、報警狀態、故障信息和通訊狀態的監控，保證整個電除塵控制系統正常運行。運行人員在上位機中設定二次電壓、二次電流等參數實現對高頻電源的監控。

1.1.3 DCS一體化監控

隨著自動化水平越來越高，電除塵高頻電源利用MODBUS 通訊協議實現上位機與主機DCS 的通訊，電除塵高頻電源監控已納入主機DCS 系統，運行人員在DCS 中設定二次電壓、二次電流等參數實現對高頻電源的監控。

1.2 原控制方式存在的問題

1.2.1 電耗率較高且出現煙塵排放濃度超標問題

在機組投運后，電除塵高頻電源的輸出調節一直采用手動設定二次電壓與二次電流的方法，運行人員為降低操作頻次，往往把高頻電源運行參數設定的很高，所以出現煙塵排放濃度長時間維持在2mg/Nm3 以下的現象，增大了電除塵器電耗率。機組運行中出現變負荷時運行人員不能及時控制高頻電源運行參數，頻繁出現煙塵排放濃度短時不能達到排放標準。

1.2.2 運行人員勞動強度大

手動運行方式不能適應負荷及煤質變化，靠運行人員定時調節給定極限電流，每天長時間、重復操作，勞動強度很大，很難保證調節質量。鑒于原控制系統存在的不能動態地對二次電流值進行自動反饋調節，因此有必要在現有設備基礎上自行設計一套高頻電源二次電流閉環控制系統。

2 在DCS中實現煙塵閉環控制

為了解決電除塵器高頻電源的節能和環保問題，采用了電除塵出口煙塵濃度來實現閉環控制，最大限度地提高除塵效率和節約能耗。電除塵器高頻電源閉環控制能根據不同運行工況和電除塵器出口煙塵濃度調整高頻電源的控制參數。由于電除塵器高頻電源上位機已與主機DCS 建立通訊，可直接采集DCS 中負荷信號、煙塵濃度信號等，所以利用DCS 強大的功能和友好的可視界面可方便實現閉環控制邏輯的組態。基本思路為保留現有DCS 中電除塵高頻電源的參數設置和控制邏輯不變，增加A 側和B 側電除塵出口煙塵濃度的自動控制邏輯。A 側和B 側分別組態電除塵出口煙塵濃度自動控制邏輯，被控對象為A 側和B 側電除塵出口煙塵濃度。

2.1 兩種閉環控制組態邏輯

2.1.1 插值法閉環控制邏輯組態

煙塵濃度閉環系統的輸入參數為：煙塵濃度值、煙塵濃度調節范圍、二次電流調節范圍；輸出參數為：高頻電源二次電流。調節公式如下：

式中：

T——實時煙塵濃度值。

Tmin——煙塵濃度目標下限。

Tmax——煙塵濃度目標上限。

I2min——二次電流目標下限。

I2max——二次電流目標上限。

I2——輸出的二次電流。

當煙塵濃度超過煙塵濃度上限時，二次電流設定值調整為上限；當煙塵濃度低于煙塵濃度下限時，二次電流設定值調整為下限。比如實際煙塵濃度為3mg/Nm3，當前閉環模式下設定的煙塵濃度上限為4，下限為2.5，設定的二次電流上限為1000，下限為700，則當前二次電流應該運行在：700+（1000-700）×（3-2.5）/（4-2.5）=800mA。

閉環控制回路的二次電流指令與原二次電流手動輸入指令經速率限制后進行切換。當某一電場高頻電源投入自動控制后，接受PID 的指令輸出，并可進行手動二次電流偏置設定；當電場高頻電源不投自動控制時，通過原有操作面板進行二次電流手動設定。

2.1.2 PID閉環控制邏輯組態

負荷的高低直接影響煙塵濃度，在不同的負荷下煙塵濃度的波動范圍是不同的。為增強變負荷工況自動調節高頻電源二次電流的適應性，加入機組負荷指令變化對二次電流自動調節計算的前饋，實時根據當前的負荷指令來修正閉環回路的二次電流指令輸出參數，由此達到更精確地進行煙塵濃度閉環控制。

圖1 A電除塵A電場高頻電源二次電流控制邏輯圖Fig.1 Secondary current control logic diagram of high frequency power supply in an electric field of a electrostatic precipitator

在自動控制回路中，考慮到當出現五電場陰陽極振達時二次揚塵的問題，在PID 輸入前做了煙塵濃度突升邏輯判斷。當出現突升至最大值時，被調量保持突升前的煙塵濃度值，避免各電場高頻電源出現短時的二次電流突升突降。

自動控制回路的二次電流指令與原二次電流手動輸入指令經速率限制后進行切換。當某一電場高頻電源投入自動控制后，接受PID 的指令輸出，并可進行手動二次電流偏置設定；當電場高頻電源不投自動控制時，通過原有操作面板進行二次電流手動設定。以A 電除塵A 電場高頻電源二次電流控制邏輯為例，具體組態如圖1 所示。

考慮到電場輸灰情況和后續電場對二次揚塵的捕捉作用情況，A 側和B 側一電場二次電流自動控制上下限值為200mA ～500mA，A 側和B 側二電場至五電場二次電流自動控制上下限值為300mA ～1500mA，二電場至五電場二次電流成逐漸增大的方式設定。機組負荷指令至控制回路前饋量根據機組50%，60%,70%,80%,90%,100%負荷工況下, 高頻電源運行參數與煙塵排放濃度之間的關系進行曲線設定。

表1 #1機組電除塵閉環控制投運前后電場參數對比Table 1 Comparison of electric field parameters of 1 unit before and after putting into operation

表2 電除塵閉環控制投運前后電場耗電對比Table 2 Comparison of electric field power consumption before and after operation of closed-loop control of electrostatic precipitator

2.2 閉環控制邏輯組態對比

根據兩種組態邏輯的原理，均能達到煙塵濃度閉環控制的目的。但前者插值法閉環控制邏輯只相當于后者PID閉環控制邏輯中比例P 的作用，雖能快速響應但不能做到精準調節，當出現煙塵濃度波動或跳變時，例如五電場陰陽極振達會二次揚塵的問題，煙塵濃度測量值會跳變值最大值，采用前者控制會出現高頻電源運行參數大幅快速升降的問題。后者PID 閉環控制邏輯可加入信號壞質量保持好值、負荷變化前饋、手自動無擾切換等優化措施，使閉環控制的效果更明顯。因此，棗泉公司的兩臺機組均采用后者PID 閉環控制邏輯組態。

3 改造后效果分析

#1、#2 機組電除塵煙塵濃度閉環控制調試后投入運行正常。投運后運行人員基本不需手動干預，極大地減少運行人員的工作量。煙塵濃度控制穩定，投入后未發生煙塵濃度短時超標的問題。

在相同機組負荷下，煤質、電除塵入口煙溫偏差不大的情況下，對比電除塵閉環控制前后參數見表1。

從表2 中的數據可知，#1 機組電除塵電耗率下降0.0131%，#2 機組電除塵電耗率下降0.0701%，全廠合計電除塵電耗下降0.0422%。若全年發電67 億kWh，電除塵則少耗電282.74 萬kWh。

4 總結

該電除塵器高頻電源電流閉環控制系統投入后實際運行效果良好，電除塵運行工況更趨穩定，電除塵出口煙塵濃度穩定控制在25mg/m3左右，電除塵器的運行電耗下降，節能效果明顯，運行人員基本不需手動干預，極大地減少運行人員的工作量。