循環流化床鍋爐爐內脫硫自動控制系統優化

佟春海，折建剛

(神華神東電力有限責任公司郭家灣電廠，陜西 府谷 719408)

0 引言

郭家灣電廠建設規模為兩臺300 MW發電機組，鍋爐為國產首批1 065 t/h亞臨界雙床循環流化床鍋爐，兩臺鍋爐均配備爐內石灰石脫硫系統，鍋爐燃料為神府煤田低硫煤和煤矸石，因鍋爐結構和燃料的特殊性，其爐內脫硫自動控制沒有可參照模型，投產初期脫硫自動控制系統投入效一直較差。根據這一情況，郭家灣電廠熱工專業對爐內脫硫自動控制系統進行了全面優化。

1 脫硫工藝介紹及問題分析

循環流化床鍋爐燃燒過程中爐內脫硫最常用的脫硫劑是石灰石，其化學成分為碳酸鈣(CaCO3)，運行過程中通過石灰石給料機和管道將石灰石粉輸送入爐膛內進行化學反應，脫除燃料燃燒產生的SO2。循環流化床鍋爐運行過程中爐內溫度通常在850～900 ℃，在此溫度下石灰石可充分發生焙燒反應，分解為氧化鈣，氧化鈣與SO2進行鹽化反應生成CaCO3以固體形式排出達到脫硫目的。

石灰石碚燒反應方程式：

脫硫反應方程式：

郭家灣電廠石灰石粉爐內脫硫工藝系統由兩套石灰石粉輸送系統組成，一套由二次風管將石灰石粉送入爐膛，另外一套由返料腿將石灰石粉送入爐膛，正常運行時兩套系統一用一備，每套輸送系統由下料系統和給料系統兩部分組成。

下料系統由儲料倉、收料泵入口閥、收料泵、給料泵入口閥、給料泵等設備組成。下料工藝流程按以下步驟循環進行：收料泵料位達低限—開啟收料泵入口閥—收料泵料位達高限—關閉收料泵入口閥—給料泵料位達低限—打開給料泵入口閥—給料泵料位達高限—關閉給料泵入口閥。

給料系統由輸送用壓縮空氣管道、變頻給料機、石灰石粉輸送管道、給料閥等組成。給料流程為：根據SO2排放濃度增大或減小變頻給料機給料量，再通過壓縮空氣將石灰石粉吹送到爐膛內脫硫。

郭家灣電廠石灰石脫硫系統投運之初的自動控制邏輯采用單回路PID方案，將SO2目標值與煙囪入口處SO2濃度值的偏差作為PID調節器的輸入，需要始終投入石灰石粉下料循環并保證給料機10 %的最低開度才能勉強保證環保指標，有時也會造成環保超標，最大的問題是灰渣中含有的石灰石過多，放灰時遇水產生爆炸，極其危險，因此這種設計不能有效地實現自動控制，雖經調試人員多次優化和調整也未能正常投入。由于這種自動控制的缺陷，在系統投運后一直采用手動控制，但由于運行人員操作水平和操作及時性等原因有時也會造成環保超標、石灰石浪費和炸灰等問題。

根據這一情況，郭家灣電廠對系統進行了分析與研究，重新設計了脫硫自動控制系統邏輯，應用后，自動控制系統能夠適應各種工況且效果良好。

2 脫硫自動控制系統邏輯優化

2.1 PID自動控制邏輯

每臺給料機設置單獨的PID自動控制回路，兩臺給料機邏輯原理相同。采用串級PID控制，主調節器采用固定比例、積分、微分控制，設置閉增、閉減條件，其輸入信號為“SO2瞬時濃度折算值”與“SO2設定值”之差。副調節器采用固定比例、積分控制，設置閉增、閉減條件，其輸入信號為“主調節器輸出”+“煤量、床溫、氧量基礎值”+“床溫、氧量速率超限時的預加值”-“SO2瞬時濃度折算值快速下降時的預減值”-“變頻器頻率反饋值”。由于在副調節器的輸入信號中加入了煤量、床溫、氧量等超前信號，使得自動控制調節更加快速。

有下列情況之一時，為閉增條件(主副調節器一致)：

(1) 給料機運行同時給料泵壓力大于1.6 MPa；

(2) 操作器輸出大于等于給料機頻率高限的設定值；

(3) SO2呈下降趨勢，同時存在無床溫、氧量速率超限信號。

有下列情況之一時，為閉減條件(主副調節器一致)：

(1) 煤量、床溫、氧量基礎值呈上升趨勢，同時SO2無快速下降趨勢；

(2) 床溫、氧量速率超限；

(3) 操作器輸出小于等于給料機頻率低限的設定值。

2.2 超前預控邏輯

由于燃用低硫煤的循環流化床鍋爐使用的煤中含硫量較低，且一般情況下循環流化床鍋爐還要摻燒煤矸石，而煤矸石的無機成分中含有CaO，Al2O3，MgO，Na2O等物質，這些物質本身就是脫硫劑，在鍋爐穩定燃燒的工況下即使不投入石灰石粉，SO2也不會超過環保指標要求。但當鍋爐出現燃燒不穩定的工況時，SO2濃度快速上升，如果出現燃燒不穩定工況之前沒有投入石灰石粉，則可能造成環保超標。這對自動控制系統來說是個難題。

(1) 如果鍋爐運行時石灰石粉一直投入會造成浪費，還會導致灰渣中含有未完成化學反應的石灰石，放灰時遇水后出現炸灰問題，但石灰石粉一直投入能保證當鍋爐燃燒不穩定SO2快速上升時及時加大石灰石粉投入，遏制SO2快速上升趨勢，保障環保指標。

(2) 如果穩定運行時停止石灰石粉的投入，在鍋爐燃燒不穩定SO2快速上升的情況下再投入石灰石粉會出現以下問題，一是如果運行人員不能及時投入石灰石粉，就會造成環保超標。

(3) 即使快速發現SO2濃度超限就投入石灰石粉，也需要一定的下料時間和管路輸送時間，造成延遲，在這種情況下就會使SO2排放濃度上升到一個很高的值，造成環保超標。

循環流化床鍋爐脫硫化學反應過程中需要鍋爐內的熱量(床溫)保持在一定范圍內，還需要具有足夠的氧量，當床溫在某個值以上并且快速上升或者氧量在某個值以下并且快速下降時，經過一段時間后SO2就會快速上升，根據這一特性通過對床溫和氧量變化的綜合判斷就可以預測SO2濃度的變化，從而在SO2濃度上升前提前啟動石灰石粉給料系統。根據以上特性對自動控制邏輯進行優化，優化后在鍋爐燃燒工況穩定的情況下可以停止石灰石粉的投入，保證了經濟性。在鍋爐燃燒工況不穩定的情況下，根據鍋爐床溫和氧量的變化提前啟動石灰石給料流程，避免了SO2排放濃度超標造成的環保考核，邏輯方案如下。

(1) 當同時滿足以下三個條件時，將停止下料循環：

① SO2瞬時濃度折算值小于150mg/m3(標準工況)；

② SO2當前小時平均值小于150mg/m3(標準工況)；

③ 無啟動下料循環條件存在。

(2) 當有以下任一情況時，啟動下料循環并根據床溫和氧量速率變化值按比例增加石灰石給料機開度：

① 左側中部床溫大于920 ℃，并且左側中部床溫上升速率大于2.5 ℃/min；

② 右側中部床溫大于920 ℃，并且右側中部床溫上升速率大于2.5 ℃/min；

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

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

⑤ SO2瞬時濃度折算值大于180mg/m3(標準工況)，并且SO2當前小時平均值大于180mg/m3(標準工況)。

2.3 聯鎖啟動備用給料機邏輯

兩套石灰石粉輸送系統正常運行時一用一備，當在運系統故障或特殊工況下一套系統不能滿足排放要求時，需要聯鎖啟動另外一套輸送系統，如果靠運行人員人工識別會造成石灰石浪費和環保超標等問題，因此設計了聯鎖啟動備用輸送系統邏輯，方案如下(以1號給料機為例)：

(1) 同時滿足1號給料機聯鎖按鈕投入，1號給料泵壓力小于0.1 MPa，SO2瞬時濃度折算值大于260mg/m3(標準工況)；

(2) 同時滿足1號給料機聯鎖按鈕投入，1號給料泵壓力小于0.1 MPa，當前小時已過30min，SO2瞬時濃度折算值大于140mg/m3(標準工況），SO2當前小時平均值大于140mg/m3(標準工況)；

(3) 同時滿足1號給料機聯鎖按鈕投入，1號給料泵壓力小于0.1 MPa，當前小時已過45min，SO2當前小時平均值大于170mg/m3(標準工況)；

(4) 同時滿足以下條件：

① 1號給料機聯鎖按鈕投入；

② 1號給料泵壓力小于0.1MPa；

③ 左側中部床溫大于900 ℃同時左側中部床溫上升速率大于4.2 ℃/min，或右側中部床溫大于900 ℃同時右側中部床溫上升速率大于4.2 ℃/min。

2.4 聯鎖停止備用給料機及下料循環邏輯

(1) 當同時滿足以下4種情況時，延時20 s停止1號給料機：

① 1號給料機聯鎖按鈕投入；

② SO2瞬時濃度折算值小于150mg/m3(標準工況)；

③ SO2當前小時平均值小于120mg/m3(標準工況)；

④ 1號給料泵壓力小于0.02 MPa。

(2) 當同時滿足以下3種情況時，停止1號下料循環系統：

①SO2瞬時濃度折算值小于150mg/m3(標準工況)；

② SO2當前小時平均值小于150mg/m3(標準工況)；

③ 無啟動下料循環條件存在。

這一邏輯能夠在條件滿足的情況下自動停止備用給料機及其所屬的下料循環系統，減少運行人員勞動強度，還能夠節約石灰石的使用。以上邏輯中設計“給料泵壓力小于0.02 MPa”是為了識別給料泵中已無料，防止給料泵中有存料的情況下停止給料機造成給料泵中積存的石灰石粉板結。

2.5 快速減石灰石邏輯

當SO2瞬時濃度上升自動控制系統投入石灰石后經過一段時間SO2瞬時濃度值會出現下降趨勢并且一直下降到很低，但當SO2濃度瞬時值剛剛出現下降趨勢時如果SO2瞬時濃度值還處在大于目標值的狀態則自動控制系統不會立即減小給料機的開度，只有當SO2瞬時濃度值低于目標值后自動控制系統才會減小給料機的開度，勢必造成石灰石的浪費，因此設計了快速減石灰石邏輯，方案如下：

(1) 當SO2瞬時濃度折算值呈快速下降趨勢時(15 s內下降4mg/m3(標準工況))，根據下降速率按比例降低石灰石給料機開度同時禁止開大給料機、屏蔽閉減條件；

(2) 當SO2瞬時濃度折算值呈快速下降趨勢時(15 s內下降4mg/m3(標準工況))，為了快速降低給料機轉速，將目標值置為180mg/m3(標準工況)，同時閉增主副調節器。當下降趨勢結束后，恢復原目標值。

2.6 變目標值邏輯

在每一個小時的第45min時如果“SO2當前小時平均值”大于180mg/m3(標準工況)，則按一定比例降低目標值。當一小時結束或“SO2當前小時平均值”小于160mg/m3(標準工況)時恢復原目標值。這一設計將固定目標值調節優化為自動可變目標值調節，避免了運行人員調整不及時和系統不穩定時導致的環保超標。

2.7 聲光報警

當發生以下任意一種異常時，將及時報警，提醒運行人員注意：

(1) 1號給料機聯啟條件具備但未啟動；

(2) 2號給料機聯啟條件具備但未啟動；

(3) 1號給料泵不下料；

(4) 2號給料泵不下料；

(5) 床溫測點品質變壞；

(6) 氧量測點品質變壞；

(7) 煤量測點品質變壞；

(8) 1號給料機由自動控制切為手動；

(9) 2號給料機由自動控制切為手動；

(10) SO2濃度折算值品質壞；

(11) SO2濃度實時測量值品質壞；

(12) SO2均值超170mg/m3(標準工況)。

3 結論

燃用低硫煤且摻燒煤矸石的循環流化床鍋爐爐內石灰石脫硫系統具有流程長、大延遲、大慣性、擾動因素多、投退石灰石輸送系統頻繁等特點，其自動控制需要考慮的因素較多，是值得深入研究的課題。對此提出用于此類循環流化床鍋爐爐內脫硫自動控制系統的方案，尤其是超前預控邏輯、快速減石灰石邏輯、變目標值邏輯等方法使自動控制品質得到了明顯的提升。郭家灣電廠采用以上邏輯對脫硫自動控制系統優化后，系統在各種工況下均能穩定投入自動，保障了環保指標，降低了運行人員勞動強度，減少了石灰石的浪費，消除了炸灰隱患，實現了節能、環保、安全、穩定、經濟運行的目標。