淺析球團煙氣脫硫系統關鍵工藝先進控制方法

方 健

（銅陵有色金屬集團股份有限公司銅冠冶化分公司，安徽銅陵 244100）

0 引言

經過多年運行和不斷的技術改造，當前的球團脫硫裝備系統運行效率逐步提高，穩定性也有所提升，但是運行成本居高不下，每年運行成本數千萬元。脫硫系統的運行成本主要包括蒸汽消耗、堿液消耗、胺液消耗、水、電費用及一般維修費用，其中蒸汽費用約占50%，堿液約占20%、胺液成本約占10%，其他水電、維修費用約為10%。

脫硫系統運行成本的幾個關鍵因素互相呈負相關性。如果煙氣中SO2的含量一定，胺液的吸收能力則由胺液的循環量、pH 值和濃度決定：pH 較高則可以降低胺液循環量，從而可以降低解析塔解析效果，最終體現為蒸汽消耗的降低。同時，胺液吸收SO2的能力提高，則進入堿液吸收塔的SO2濃度降低，從而可以降低堿液吸收塔堿液的消耗。

目前以上系統因素的變動，導致工藝控制的變動操作，由崗位工人進行調整存在一定的不穩定性且波動較大。如果引入數據聯動計算控制系統，就可以及時有效地進行工藝參數調整，從而降低系統運行成本。

1 技術方法

1.1 廣義預測控制

工業上應用最廣泛的先進控制技術是模型預測控制，即通過模型預測、滾動優化、反饋校正實現高質量的控制，國外已有DMC、IDCOM 等產品。中科大先研院（即中國科學技術大學先進技術研究院）在研究與應用的基礎上，獨立開發的廣義預測控制（GPC，Generalized Predictive Control）技術，已經在石化裝置、工業鍋爐、造紙機、飛船內環境模擬試驗艙、應急生保系統試驗艙等許多項目中成功應用，獲得了控制精度高、控制量變化柔和等令人滿意的成果。

廣義預測控制采用的模型為

其中，A（q-1）=a0+a1q-1+...+anaq-1，B（q-1）=b0+b1q-1+...+bnbq-1，Δ為差分算子，Δ=-q-1。

設t 時刻被控量設定值為SP，實際跟蹤的是柔化后的設定值wt：

廣義預測控制的目的是極小化下述二次型目標函數：

y^為對輸出的最優預測，代價函數化為

1.2 卡邊優化控制

先進控制是優化的前提，只有實現了高精度的控制才能稱之為優化（圖1）。先進控制把控制參數穩定在設定值，而優化則往往是把設定值調到期望值，先進控制則為優化提供了更大的調整空間。

圖1 先進控制與優化的關系

這樣，“預測控制”+“卡邊原理”就組合成為卡邊優化。國外很多先進控制公司推行的優化控制多數是基于這一原理。預測控制可以提高控制精度，然后把設定值向著更有利于提高生產效率的方向調整，控制精度提的越高則可以保證運行曲線距離安全的優化邊界越近，則意味著更多的卡邊優化效益（圖1）。

1.3 技術途徑簡述

（1）采用預測控制技術實現解吸塔的溫度精準控制，實現節能目標。

（2）采使用預測控制技術實現再生胺吸收塔的出口pH 值（或相應的SO2濃度），利用卡邊優化技術實現再生胺吸收塔進出口pH 值（或相應的SO2濃度）節約循環胺量的控制，實現降耗和減排目標。

（3）采用預測控制技術實現二吸塔噴淋堿液的pH 值，利用卡邊優化技術穩定最終排放SO2，實現減少堿液消耗的目標。

2 控制方法描述

2.1 廣義預測控制

脫硫工段的解吸塔，是分離系統溶液中SO2的設備，解吸（蒸出）的SO2被送至后續工段繼續加工。

為維持解吸溫度，需要持續使用蒸汽給解吸塔加熱，使用塔內溫度“TT103”作為監控解吸塔溫度的測點，要求溫度控制在110～115 ℃。低溫蒸汽自管網來，通過閥門“FV104”進行調節，蒸汽流量可以通過“FT104”進行觀測。目前塔內溫度沒有設置自動控制回路，操作員通過手工調整“FV104”來進行控制。主要存在以下兩個問題：①控制精度不高，溫度波動較大，溫度超過工藝要求之后會導致加熱蒸汽的浪費；②升降溫度期間容易超溫較多或者升溫較慢，一定程度上影響生產、浪費蒸汽。

（1）溫度控制方法設計。設置“FV104”控制“TT103”的溫度預測控制回路，使用一個GPC 預測控制器實現對塔內溫度的精確控制（圖2）。同時，可以采用徑流溶液的流量和溫度作為前饋，加入到控制系統中，更好地適應工況波動。預計控制精度可以達到設定值±1 ℃。

圖2 溫度預測控制原理

（2）實施需要具備的條件：①具備解吸塔溫度檢測測點；②解吸塔蒸汽調節閥門已經蒸汽流量監測。

2.2 循環量自動控制

脫硫工段設備“解吸塔”是用來把系統溶液中的SO2分離的設備，解吸（蒸出）的SO2送至后續工段繼續加工。

單純實現上文中描述的解吸塔溫度自動控制，只關注了單一的解吸塔單元，而沒有考慮整體的工藝流程，因此帶來的節能效果有限。下面將從整個流程來考慮是否有可以節能的空間。工藝流程大致分為3 種物料循環：

（1）煙氣循環：攜帶SO2的煙氣（濃度高）→胺吸收塔吸收SO2→煙氣排放至聯合脫硝（濃度低）。

（2）胺循環：胺吸收塔吸收SO2（pH 值升高）→換熱器加熱（升溫）→解吸塔釋放SO2（pH 值降低）→循環泵（變頻）循環。

（3）SO2循環：SO2至后續工段。

簡而言之，就是煙氣帶來SO2，胺攜帶SO2進行循環，解吸塔釋放胺攜帶的SO2?？梢钥闯觯敓煔庵械腟O2總量變化，循環中的胺也需要變化才是比較經濟的做法，但是現在循環胺的量是手動控制的且很少做調整，因此這個方面就有非?？捎^的經濟效益可以挖掘。

2.3 控制方案論證

方案1：最理想化的方案，如果處理的煙氣能夠測量流量以及SO2濃度，那么就可以計算出煙氣攜帶的SO2總量，從而調整循環胺的量來適應煙氣，這是比較直觀的方案。但是現場目前沒有相應的煙氣測點，因此可以留待后續加裝測點之后再作討論。

因此,對不同開關狀態(S1和S2,S3和S4,S5和S6)分別注入脈沖信號,當開關關斷時,分別由二極管D4和D5,D1和D6,D3和D2進行續流。兩種開關組合開通和續流時的電路和端電壓示意圖分別如圖5和圖6所示。

方案2：可以根據現場目前已有的胺pH 值測點來代替方案1 中的測點。通過AT2101（胺吸收塔出口胺pH 值）來調整系統胺循環量，例如：AT2101 降低（SO2總量增多）→增加胺循環量；AT2101 升高（SO2總量減少）→減少胺循環量；通過AT2101 不同工作點測試→尋找最經濟的pH 值控制點。

設計方案2 的串級預測控制器（圖3）：以胺吸收塔出口胺的pH 值作為控制對象，通過胺循環量作為控制手段（副回路為胺循環量回路），達到自動適應煙氣中的SO2總量、胺循環最低的控制目的。

圖3 方案2 串級預測控制器原理

2.4 煙氣脫硫自動控制

煙氣脫硫的工藝，是通過堿性溶液來噴淋含SO2的煙氣、中和煙氣中的SO2，從而實現達標排放目標。噴淋的堿液是循環噴淋的，溶液的pH 值可以在線測定，加堿量通過幾臺手動泵來完成，有流量累計，目前通過操作人員人工操作進行加堿。為達標排放，當溶液pH 值降低之后，為中和煙氣中的SO2就需要提高堿液的pH 值。

當前控制存在以下問題：

（1）手工加堿液，導致溶液pH 值波動較大，操作人員為了排放不超標會多加堿液，但會導致因排放超低形成堿液的浪費。

（2）沒有根據煙氣流量和SO2含量的控制預判，可能導致突然的煙氣量增加以及SO2含量增加而排放超標。

（3）由于操作人員的操作技能存在差別，技術水平較高的操作人員能較好地控制目標值，反之則存在問題。

（4）無排放SO2測點反饋，無堿泵變頻控制，控制系統無法閉環。

2.5 排放控制原理

首先要完善系統中的測點和控制點，SO2排放測點需要引入到控制系統中，同時堿泵需要有調節手段，之后再實現以下的自動控制：

（1）系統中存在3 個關鍵點，分別是SO2排放濃度、噴淋液pH 值和加堿泵，因此采用串級的預測控制回路將它們串聯起來進行控制。

（2）外回路控制SO2排放濃度，控制輸出需要的噴淋液pH值，內回路通過加堿計量泵的變頻來控制加堿量從而控制pH值到需要的位置，最終實現排放精確控制的目標。

（3）考慮到煙氣流量和入口SO2含量，可以在線計算出絕對SO2排放質量作為控制前饋增加到控制系統（圖4）。

圖4 SO2 排放控制原理

這里有一個非常關鍵的要點，就是循環噴淋應偏酸性，才能實現減少堿液投入的目的。如果循環噴淋液偏堿性，所有煙氣中吸收的SO2均會被中和，這對降低排放有益但是無益于減少堿液消耗。只有在循環液偏酸性的時候，才能控制從煙氣中吸收SO2的量，達到排放達標和節省堿液的雙重目的。所以，必須要實現精確的預測控制才能達到這一要求。

3 結論

（1）實現解吸塔溫度預測控制，提高控制精度到設定值±1.5 ℃。

（2）實現一吸塔出口SO2含量的自動控制，在胺循環量可調的情況下完成以下目標：SO2控制精度達到儀表測量精度1 倍（含）以內；降低胺溶液循環量約3%（比上一年度全年平均噸硫蒸汽消耗量降低4%）。

（3）實現二吸塔吸收液pH 的預測控制，達到控制精度設定值±1。

（4）通過調整pH 值控制煙氣排放口的SO2和NOx（配合工藝完成），實現超低排放的目標。