氨法脫硫系統(tǒng)控制策略及算法研究

馬立克 李金

摘要：氨法脫硫技術(shù)是采用氨（NH3）作為吸收劑除去煙氣SO2的工藝，是控制酸雨和SO2污染最為有效和環(huán)保的濕法煙氣脫硫工藝技術(shù)之一。在氨法脫硫技術(shù)的設(shè)備中，由于存在傳感器檢測(cè)過程的延時(shí)問題，傳統(tǒng)的脫硫控制系統(tǒng)采取PID控制無法解決該問題。運(yùn)用合理的控制策略與先進(jìn)控制算法相結(jié)合的方式，更加精確的投放液氨流量，不僅提高了SO2的控制精度，還降低了煙氣粉塵的含量。顯著地改善了煙氣氨法脫硫控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氨法脫硫系統(tǒng);先進(jìn)控制;控制策略

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）35-0230-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Control Strategy and Algorithm of Ammonia Desulfurization System

MA Li-ke1， LI Jin2

（1. Coal to Liquid Branch， Ningxia Coal Industry Co.， Ltd.， Yinchuan 750411， China; 2. Beijing Heroopsys Co.，Ltd.， Beijing 100096， China）

Abstract： Ammonia desulfurization technology is a process that uses ammonia （NH3） as an absorbent to remove flue gas SO2. It is one of the most effective and environmentally friendly wet flue gas desulfurization technology for controlling acid rain and SO2 pollution.In the ammonia desulphurization technology equipment， due to the time delay problem in the detection process of sensors， the traditional desulphurization control system which adopts PID control can't solve the problem. Using a combination of reasonable control strategies and advanced control algorithms to deliver liquid ammonia flow more accurately， not only improves the control accuracy of SO2， but also reduces the content of flue gas dust. The proposed method significantly improves the dynamic performance of the control system of ammonia desulphurization of flue gas， and has better application value.

Key words： ammonia desulphurization system; advanced control; control strategy

1 引言

煤制油動(dòng)力廠現(xiàn)有10臺(tái)煤粉鍋爐，分別配10套氨法脫硫裝置。氨法脫硫工藝以其反應(yīng)速率快、吸收劑利用率高、脫硫效率高以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐步得以推廣。但氨法脫硫?qū)τ谝喊绷髁康木珳?zhǔn)控制卻是個(gè)技術(shù)難題，液氨流量偏小SO2排放無法達(dá)標(biāo)，液氨流量過量會(huì)導(dǎo)致氨逃逸和粉塵增加，出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象[1]，同時(shí)增加了消耗。

2 工藝現(xiàn)狀分析

鍋爐引風(fēng)機(jī)出來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入多功能煙氣脫硫塔濃縮段，后經(jīng)吸收區(qū)，經(jīng)過吸收反應(yīng)后的大部分SO2被脫除。吸收SO2后煙氣經(jīng)過一級(jí)除霧器對(duì)煙氣進(jìn)行中的水氣及顆粒物進(jìn)行捕集，煙氣進(jìn)入脫硫塔洗滌區(qū)通過工藝水噴淋對(duì)煙氣中夾帶的顆粒物及逃逸氨進(jìn)行洗滌，洗滌后的凈煙氣經(jīng)二級(jí)除霧器和除沫器除去煙氣中攜帶的液沫和霧滴，凈煙氣由脫硫塔頂部送入煙囪排放。

氨法脫硫工藝流程如下。

氨法脫硫裝置主要包括煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、吸收劑儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、硫酸銨后處理系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等。而脫硫吸收過程是整個(gè)氨法煙氣脫硫技術(shù)的核心，它以水溶液中的SO2和NH3的反應(yīng)為基礎(chǔ)，其反應(yīng)機(jī)理如下[2]：

[2NH3·H2O+SO2→（NH4）2SO3+H2O]? ? ? ? ? （1）

[（NH4）2SO3+SO2+H2O→2NH4HSO3]? ? ? ? ? （2）

[NH4HSO3+NH3·H2O→（NH4）2SO3+H2O]? ? ? ? ? ?（3）

[2（NH4）2SO3+O2→2（NH4）2SO4]? ? ? ? ? ? ? ? （4）

氨法脫硫過程主要分為兩個(gè)步驟，第一步為SO2的吸收過程，見式（1）～（3）;第二步為亞硫酸鹽的氧化過程，見式（4）。

由上式可知，液氨流量的準(zhǔn)確控制是實(shí)現(xiàn)SO2穩(wěn)定控制的關(guān)鍵，過量的液氨不僅會(huì)造成氨的浪費(fèi)、氨逃逸及粉塵等指標(biāo)超標(biāo)，更會(huì)在系統(tǒng)管道和噴淋處形成結(jié)垢，結(jié)垢后噴淋流量減少，液氣比降低，加氨量不斷增大，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)造成更大的安全隱患[3][4]。

控制系統(tǒng)改造前各脫硫系統(tǒng)普遍存在問題如下：

（1）設(shè)計(jì)初時(shí)燃用的高硫煤，變?yōu)槟壳叭加玫牡土蛎海率辜影敝鞲闭{(diào)閥設(shè)計(jì)流量偏大，常運(yùn)行在低閥位區(qū)，閥門線性度較差，實(shí)際加氨量難以精確控制;

（2）當(dāng)煤質(zhì)、負(fù)荷，以及脫硫系統(tǒng)等工況發(fā)生變化時(shí)，凈煙氣SO2波動(dòng)較大，原DCS自動(dòng)很難長期穩(wěn)定運(yùn)行;

（3）即使凈煙氣SO2瞬時(shí)值穩(wěn)定，但個(gè)別鍋爐還會(huì)頻繁出現(xiàn)氨逃逸、粉塵超標(biāo)等現(xiàn)象;

（4）硫酸銨出料不穩(wěn)定，出現(xiàn)不結(jié)晶等問題;

（5）10套氨法脫硫裝置，工藝雖相同，但各套系統(tǒng)之間的測(cè)點(diǎn)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定差異性，尤其原煙氣流量、流速、PH值等參數(shù)不準(zhǔn)確或缺失，都會(huì)影響理論液氨量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

本文主要研究先進(jìn)控制算法在氨法脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)變工況下SO2長期穩(wěn)定控制，并一定程度減少粉塵、氨逃逸超標(biāo)現(xiàn)象，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 控制策略及算法研究

3.1 原脫硫控制方案分析

原DCS脫硫方案采用的是單回路控制，主控液氨流量，液氨流量的理論設(shè)定值根據(jù)當(dāng)前鍋爐負(fù)荷及滿負(fù)荷下的理論煙氣量、SO2原煙氣濃度、SO2凈煙氣濃度等，折算出理論液氨流量基準(zhǔn)值，然后，通過當(dāng)前SO2過程值和設(shè)定點(diǎn)的偏差變化區(qū)間折算液氨流量修正系數(shù)，最終得到液氨流量設(shè)定點(diǎn)，控制方案框圖如下所示。

圖2中，修正系數(shù)K1是固定參數(shù)，作為理論液氨流量的基本修正系數(shù);K2是通過凈煙氣SO2過程值與設(shè)定值的偏差和變化速率折算的人工經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，被稱為動(dòng)態(tài)修正系數(shù)。該方案在原系統(tǒng)儀表（無原煙氣流量、流速）及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（設(shè)計(jì)液氨流量管道偏大）的條件下，已實(shí)現(xiàn)了SO2的自動(dòng)控制，達(dá)到小時(shí)均值不超標(biāo)，瞬時(shí)值偶爾超標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行要求。

3.2 新控制策略研究

在脫硫控制系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目改造前，先對(duì)液氨流量閥門進(jìn)行了改造，增加節(jié)流孔板，抑制過量加氨，解決了低閥位難以穩(wěn)定控制液氨流量的問題，并將液氨閥門開度調(diào)整到正常線性度較好的運(yùn)行范圍（20%～70%之間）。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)控制策略進(jìn)行了研究，提出新的控制方案，控制方案框圖如下所示。

新控制方案采用串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合先進(jìn)控制算法及工藝策略補(bǔ)償原理，實(shí)現(xiàn)了凈煙氣SO2的穩(wěn)定控制，主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

1）外環(huán)凈煙氣SO2控制回路，采用先進(jìn)控制算法，不僅兼顧了凈煙氣SO2的實(shí)時(shí)控制偏差、速率變化，還實(shí)現(xiàn)了大滯后、多耦合系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制[5]，提前增減液氨流量，補(bǔ)償內(nèi)環(huán)理論液氨流量設(shè)定值，避免過量加氨，較少了粉塵或氨逃逸超標(biāo)現(xiàn)象。

2）新增凈煙氣SO2小時(shí)均值動(dòng)態(tài)修正系數(shù)，在滿足瞬時(shí)值波動(dòng)范圍的同時(shí)，不僅能提高小時(shí)均值的控制精度，還適用于變工況下液氨流量的修正計(jì)算，一定程度上提高了系統(tǒng)長期投用率。

以3#鍋爐脫硫系統(tǒng)為例，分別采集24h的BCS運(yùn)行數(shù)據(jù)及24h的DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)，凈煙氣SO2的設(shè)定值均為22mg/Nm3，見圖4。圖中，24h的BCS運(yùn)行數(shù)據(jù)的小時(shí)均值，最大值為23.94mg/Nm3，最小值為20.97mg/Nm3，平均值22.8mg/Nm3;24h的DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)的小時(shí)均值，最大值為27.11mg/Nm3，最小值為16.7mg/Nm3，平均值21.9mg/Nm3。通過以上運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，BCS控制系統(tǒng)的精度要明顯優(yōu)于DCS系統(tǒng)。

3）由于液氨流量變化與閥門之間的關(guān)系有時(shí)是非線性的，甚至具有二階系統(tǒng)特性（液氨部分氣化，導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)），使液氨流量控制呈現(xiàn)出非常明顯的時(shí)變性，導(dǎo)致原PID算法的閥門動(dòng)作波動(dòng)較大。先進(jìn)控制算法具有一定的抗干擾性，在兼顧液氨流量供給的同時(shí)，減少閥門動(dòng)作頻率。

上圖為#4鍋爐脫硫系統(tǒng)投用BCS前后，液氨流量小時(shí)均值曲線對(duì)比圖，其中X軸為原煙氣SO2的濃度，隨著SO2的濃度的升高，液氨流量隨之增加，由統(tǒng)計(jì)曲線可知，BCS系統(tǒng)運(yùn)行過程中，隨著原煙氣SO2的濃度的升高，液氨流量小時(shí)均值穩(wěn)定上升，一方面體現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，另一方面，也體現(xiàn)了供液氨總量的節(jié)約，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

表1中的數(shù)據(jù)，為#4鍋爐脫硫系統(tǒng)24h+24h對(duì)比測(cè)試結(jié)果，即在DCS運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)行24h的數(shù)據(jù)采集，分別統(tǒng)計(jì)每小時(shí)的入口SO2小時(shí)均值、加氨流量小時(shí)均值及凈煙氣SO2小時(shí)均值，然后再將每個(gè)小時(shí)均值進(jìn)行加權(quán)平均，算出DCS運(yùn)行模式下的平均入口SO2小時(shí)均值、加氨流量小時(shí)均值等數(shù)據(jù)。然后，以同樣的模式，采集BCS運(yùn)行模式下的對(duì)應(yīng)參數(shù)，兩組對(duì)比數(shù)據(jù)的凈煙氣SO2小時(shí)均值控制參數(shù)盡量保持一致，即設(shè)定值一致為22mg/Nm3。

耗氨量比值計(jì)算公式如下：

[耗氨量比值=加氨流量小時(shí)均值入口SO2小時(shí)均值-凈煙氣SO2小時(shí)均值 ]（5）

經(jīng)過測(cè)試后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將表中的參數(shù)分別代入公式（5）中，計(jì)算可得BCS運(yùn)行比DCS運(yùn)行模式下耗氨量比值減少0.006，該值為DCS耗氨量比值的1.97%，結(jié)合液氨的市場(chǎng)價(jià)格及每天的用量，在長期投用的情況下，該項(xiàng)方案具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

4 運(yùn)行效果分析

以#4鍋爐為例，SO2投入BCS系統(tǒng)前后，脫硫塔凈煙氣中SO2指標(biāo)變化如圖6所示。

可見，投入BCS系統(tǒng)后，脫硫塔出口SO2指標(biāo)波動(dòng)幅度大幅降低，波動(dòng)范圍從5～90mg/Nm3收斂到11～33mg/Nm3，期間設(shè)定值為22mg/Nm3，小時(shí)均值控制精度穩(wěn)定在設(shè)定值的±3mg/Nm3以內(nèi)，氨逃逸穩(wěn)定運(yùn)行在3mg/Nm3以內(nèi)。

5 結(jié)語

經(jīng)過投用以來的應(yīng)用表明：先進(jìn)控制系統(tǒng)投用后，SO2控制效果更加穩(wěn)定，對(duì)于負(fù)荷的波動(dòng)、原煙氣SO2濃度等工況變化反應(yīng)迅速，在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面有很大改善，粉塵超標(biāo)及氨逃逸現(xiàn)象也有了明顯的改善，大大降低了操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，該技術(shù)值得進(jìn)一步推廣。

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