目前我國(guó)燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90％以上，其中火電廠(也稱(chēng)燃煤電廠)污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50％左右。成為我國(guó)大氣SO2污染的第一大污染源，因此，搞好火電廠的SO2排放對(duì)于我國(guó)的環(huán)境保護(hù)有著重要的意義。
煙氣脫硫的技術(shù)工藝種類(lèi)很多、各具特點(diǎn)，應(yīng)用于不同的爐型、場(chǎng)地、原料等條件，脫硫效果及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用也有較大差別。主要有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫以及石灰石／石膏濕法脫硫，這里研究基于當(dāng)前應(yīng)用最多的石灰石／石膏濕法脫硫方法。
脫硫工藝受到多種過(guò)程因素影響，是一個(gè)典型的具有復(fù)雜性、非線(xiàn)性、時(shí)變性、不確定性和不完全性的控制系統(tǒng)。在工業(yè)脫硫控制系統(tǒng)中，PID控制算法因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要控制系統(tǒng)模型且具有一定的魯棒性而被廣泛采用。但是PID控制算法不能根據(jù)對(duì)象特性變化自動(dòng)修改控制參數(shù)。對(duì)時(shí)變性、非線(xiàn)性的脫硫控制系統(tǒng)控制效果很難達(dá)到最佳狀態(tài)，導(dǎo)致某些場(chǎng)合下SO2的排放不符合標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，雖有學(xué)者研究將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制算法應(yīng)用到脫硫控制系統(tǒng)，但這些算法尚無(wú)法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
本文在深人分析脫硫控制工藝的基礎(chǔ)上，按照影響脫硫效果的因素將脫硫控制系統(tǒng)分為3個(gè)子控制系統(tǒng)。在原有PID控制算法的基礎(chǔ)上，研究將串級(jí)控制、前饋控制以及模糊控制應(yīng)用到脫硫控制子控制系統(tǒng)中。
2 石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝分析
2．1 脫硫系統(tǒng)組成及工藝流程
石灰石／石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)(單臺(tái)機(jī)組)主要由煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、脫水及輸送系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、工藝和工業(yè)水系統(tǒng)、雜用和儀用空氣系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)組成。吸收氧化系統(tǒng)是整個(gè)脫硫系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)。而吸收塔是脫硫系統(tǒng)的主體設(shè)備，是吸收SO2的關(guān)鍵場(chǎng)所，所有的吸收反應(yīng)均在吸收塔內(nèi)完成。
石灰石／石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為：鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)除塵器除塵后，由引風(fēng)機(jī)送入脫硫系統(tǒng)，煙氣由進(jìn)口煙道進(jìn)入由增壓風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)煙氣換熱器(GGH)降溫，進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)，煙氣由下向上流動(dòng)。石灰石漿液由上向下洗滌煙氣，在吸收塔底部，鼓入空氣進(jìn)行氧化。生成的石膏由石膏漿液泵送入脫水系統(tǒng)，圖1是石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。
2．2 脫硫效率影響參數(shù)分析
影響脫硫效率的參數(shù)有很多，其主要參數(shù)有以下3個(gè)：
(1)吸收塔內(nèi)漿液的PH值該值是WFGD(濕法煙氣脫硫)裝置運(yùn)行最重要的控制參數(shù)之一，是影響脫硫率、氧化率、吸收劑利用率及系統(tǒng)結(jié)垢的主要因素之一。在實(shí)際運(yùn)行中主要通過(guò)控制石灰石漿液供給量來(lái)控制PH值，一般隨著PH值的增加脫硫效率也增加，但增加到一定程度，脫硫率就幾乎不再增加。因此選擇合適的PH值，對(duì)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，通常，吸收塔漿池的PH值維持在5．2～6．1之間。
(2)增壓風(fēng)機(jī)入口壓力 來(lái)自鍋爐側(cè)的煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)(BUF)增壓，補(bǔ)償煙氣在整個(gè)脫硫系統(tǒng)中的壓力損失，是脫硫系統(tǒng)中舉足輕重的設(shè)備。進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣流量通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉進(jìn)行調(diào)節(jié)。其動(dòng)葉的調(diào)整、控制不僅關(guān)系到整個(gè)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能運(yùn)行在低耗能、高效率的最佳工況。
(3)煙氣溫度實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷變化較頻繁，F(xiàn)GD進(jìn)口煙溫也會(huì)隨之波動(dòng)，對(duì)脫硫率有很大的影響。因此，對(duì)煙氣溫度的控制也十分重要。
3 脫硫工藝控制策略研究與仿真
3．1 吸收塔PH值控制
采用普通的PID控制時(shí)，由于PH調(diào)節(jié)具有較大滯后特性，控制效果并不理想。考慮到影響吸收塔PH值的主要因素是煙氣中的硫元素與漿液中鈣元素的摩爾比，因此，這里在脫硫系統(tǒng)中使用串級(jí)PID控制。串級(jí)控制系統(tǒng)是將兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器設(shè)定值的系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)分為主控回路和副控回路，對(duì)應(yīng)回路的調(diào)節(jié)器分別稱(chēng)為主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器；對(duì)應(yīng)回路的調(diào)節(jié)對(duì)象稱(chēng)為主控對(duì)象和副控對(duì)象；作用在兩個(gè)回路中的擾動(dòng)分別稱(chēng)為一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)。圖2為采用串級(jí)控制的吸收塔內(nèi)PH值控制系統(tǒng)原理圖。
當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入1個(gè)副控回路，不僅能及早克服進(jìn)入副控回路的二次擾動(dòng)，而且能改善過(guò)程特性。副控調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)作用，主控調(diào)節(jié)器具有細(xì)調(diào)作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。
主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器仍然采取PID控制算法，其控制參數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整定，該設(shè)計(jì)中，具體的參數(shù)值為：主控回路比例系數(shù)Kp為10．0，積分時(shí)間Ti為0 s，微分時(shí)間Td為0 s；副控回路比例系數(shù)Kp為5．0，積分時(shí)間Ti為50 s，微分時(shí)間Td為1 s。系統(tǒng)設(shè)定PH值為5．5，仿真結(jié)果如圖3所示。
3．2 增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制
煙氣經(jīng)旁路進(jìn)入脫硫島，在管道內(nèi)流動(dòng)的壓力損失由增壓風(fēng)機(jī)來(lái)提供。使得煙氣能夠在脫硫島內(nèi)流動(dòng)。增壓風(fēng)機(jī)人口壓力控制的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩(wěn)定。將鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的引風(fēng)機(jī)出口壓力作為增壓風(fēng)機(jī)人口壓力控制的設(shè)定值，測(cè)量實(shí)際運(yùn)行的壓力，然后進(jìn)行比較得出偏差，偏差經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算。得出調(diào)節(jié)量作用在增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)導(dǎo)葉上，使得增壓風(fēng)機(jī)人口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。
增壓風(fēng)機(jī)入口壓力控制算法通常是PID調(diào)節(jié)，由于壓力控制系統(tǒng)是滯后和時(shí)變的，常規(guī)PID算法不能達(dá)到良好效果。將鍋爐負(fù)荷作為前饋量引入到調(diào)節(jié)中，通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷的前饋調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償由負(fù)荷波動(dòng)帶來(lái)的壓力擾動(dòng)，降低增壓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉的動(dòng)作頻率，與普通PID控制相比，前饋控制系統(tǒng)明顯可降低系統(tǒng)超調(diào)量。圖4為控制系統(tǒng)原理框圖。
增壓風(fēng)機(jī)入口壓力調(diào)節(jié)器參數(shù)為：比例系數(shù)Kp為20．0，積分時(shí)間Ti為5 s，微分時(shí)間Td為0．1 s；前饋調(diào)節(jié)器設(shè)置成線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，壓力的設(shè)定值為1 000 N，仿真結(jié)果如圖5所示，壓力為負(fù)值代表風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。
3．3 煙氣溫度控制
脫硫控制系統(tǒng)中的溫度變化范圍較大。但初始設(shè)定沒(méi)有特定的公式或者函數(shù)可用。因此，要想有一個(gè)較好的脫硫效果，一般情況下是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的反復(fù)試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)多次調(diào)試來(lái)確定溫度設(shè)定值。實(shí)踐證明：溫度的變化速率比較平緩時(shí)，脫硫控制效果最佳。因此，在脫硫控制系統(tǒng)中必須采用一種控制算法，使溫度的變化在一定的范圍內(nèi)，并且變化平緩。模糊控制用于控制那些因復(fù)雜性、非線(xiàn)性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等而無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，可獲得比較理想的動(dòng)靜態(tài)性能。這里研究采用模糊控制獲得平緩變化的煙氣溫度。
煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測(cè)溫裝置和溫度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，對(duì)于脫硫系統(tǒng)其溫度調(diào)節(jié)方式是通過(guò)調(diào)節(jié)加濕器的加水量來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，如圖6所示。
調(diào)節(jié)溫度需要綜合考慮T1、T3以及T2與設(shè)定值T的偏差和T2的變化趨勢(shì)。由于T1、T3屬于在緊急情況下系統(tǒng)的保護(hù)措施，其對(duì)閥門(mén)開(kāi)度u的控制作用是精確的。即當(dāng)T1大于其設(shè)定值時(shí)將閥門(mén)全開(kāi)，當(dāng)T3小于其設(shè)定值時(shí)將閥門(mén)全關(guān)。溫度模糊控制的核心是根據(jù)T2與該溫度設(shè)定值的偏差E2和偏差的變化趨勢(shì)△E2來(lái)模糊推斷閥門(mén)開(kāi)度u。所以模糊控制的輸入量確定為E2和△E2。其中：
式中，T為溫度設(shè)定值，k為代表采樣次數(shù)輸出量，確定為混風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度u。
(1)E2的基本論域：[-60，+60](℃)
量化論域：X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}
量化因子：Ke2=4／60
模糊子集：負(fù)大(NB)，負(fù)小(NS)，零(0)，正小(PS)，正大(PB)
(2)AE2的基本論域：[-15，+15](℃)
量化論域：y={-3，-2，-l，0，1，2，3}
量化因子：K△E2=3／15
模糊子集：負(fù)大(NB)，負(fù)小(NS)，零(0)，正小(PS)，正大(PB)
(3)U的基本論域[0，100％]
量化論域：V={0，1，2，3，4，5}
比例因子：Ku=100／5
模糊子集：U1(全關(guān))，U2(小關(guān))，U3(適中)，U4(大開(kāi))，US(全開(kāi))。
(4)語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)及賦值表
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和控制策略。隸屬函數(shù)基本采用等腰三角形的形式，設(shè)計(jì)出E2、△E2、U的語(yǔ)言變量在量化論域上的賦值表，如表1、表2和表3所示。
注：表1中的1、0．5分別為不同的E2和xi時(shí)U的取值。
注：表2中的1，0．4分別為不同的△E2和yi時(shí)u的取值。
注：表3中的1．0．2分別為不同的Vi和U時(shí)u的取值。
根據(jù)上述控制策略，制定出模糊控制規(guī)則表，如表4所示。
注：表4中的Ui為不同的E2和△E2時(shí)U的取值。
對(duì)表中的每條控制語(yǔ)句，都可以得到一個(gè)模糊關(guān)系Rn，一共可以得到25個(gè)模糊關(guān)系。從而總模糊關(guān)系R為：
對(duì)于任意輸入偏差E2和偏差的變化量△E2，將其模糊化后分別為E和X，由上述公式算出模糊控制器輸出的控制量。對(duì)這個(gè)模糊控制量U，用最大隸屬度法進(jìn)行模糊決策，可得到量化論域上的精確控制量U。假設(shè)溫度給定為3個(gè)階段，分別為80℃，50℃和100℃，仿真結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)論
本文針對(duì)火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)存在的時(shí)變性、復(fù)雜性和不確定性，常規(guī)PID控制算法難以滿(mǎn)足要求的情況下，考慮到在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用性，研究將串級(jí)控制、前饋控制和模糊控制應(yīng)用到脫硫控制子系統(tǒng)中。仿真結(jié)果驗(yàn)證該控制策略的有效性。