国产600MW超临界机组脱硫供浆自动控制方式及应用_曾存.pdf

2023 年 第 4 期 化学工程与装备 2023 年 4 月 Chemical Engineering&Equipment 239 国产 600MW 超临界机组脱硫供浆 自动控制方式及应用 国产 600MW 超临界机组脱硫供浆 自动控制方式及应用 曾 存（广东珠海金湾发电有限公司，广东 珠海 519000）摘 要：摘 要：珠海金湾发电厂脱硫供浆自动控制系统基于 FOXBOROD 的 I/A Series 采用 PID 控制方式，此种控制方式在调节过程缺少机组 pH 酸碱度对浆液量的修正影响，无法精确控制出口 SO2 浓度，在运行过程中（尤其变负荷过程）需要运行人员频繁通过偏差值设定来手动干预机组浆液流量指令。为提高供浆调节自动控制的可靠性，针对 SO2出口浓度控制、pH 酸碱度控制进行脱硫供浆调节控制系统优化试验，降低脱硫供浆调节在 DCS 系统控制下出口 SO2浓度小时均值超标的风险。关键词：关键词：PID 控制；供浆调节；SO2浓度；pH 酸碱度 引 言 引 言 珠海金湾发电厂 3、4 号机组脱硫供浆调节由 DCS 系统采用 PID 控制，类似开环的调节方式：以机组负荷、风量和入口 SO2浓度等，计算石灰石浆液流量的开环调节曲线，并加入机组 pH 酸碱度对浆液量的修正，原控制方式无法精确控制 SO2浓度，在运行过程中（尤其变负荷过程）需要运行人员频繁通过偏差值设定来手动干预机组浆液流量指令。如果运行人员在系统参数稳定后常常没有及时地消除偏差设定值。当供浆调节长时间处于正向偏差时，将引起供浆过量，吸收塔内 pH 酸碱度逐渐升高，石膏品质不佳，也会对石灰石浆液造成一定的浪费；当供浆调节长时间处于负向偏差时，吸收塔内新鲜浆液不足，吸收塔 pH 酸碱度不断降低，脱硫能力下降，严重时将造成 SO2浓度小时均值超标。本文将介绍该电厂脱硫供浆自动调节控制的逻辑优化方式，以期为相关人员提供参考。1 机组存在问题与分析 1 机组存在问题与分析 随着我国电煤质量的不断下降，实际使用的煤种已与机组原设计煤种差异也越来越大，原煤中的硫份含量和灰分含量明显增加，这不但严重影响了锅炉的安全运行，也给机组脱硫系统的稳定运行带来了极大的影响1。珠海金湾发电厂 3、4 号机组脱硫石灰石浆液的供给量由两个数据决定，其一是原始供浆量，是由实时锅炉总风量、吸收塔入口 SO2浓度以及脱硫率设定值经 DCS 系统自动计算出实时所需的石灰石浆液量，还有一个是经过吸收塔内 pH酸碱度修正计算后得出的石灰石浆液量，经过修正的量由PID 控制发出指令到石灰石供浆泵或者石灰石供浆调节阀，完成供浆自动控制，使吸收塔内 PH 保持在合理范围内。这种算法是根据公式：CaCO3+SO2 CaSO3+CO2 图 1 DCS 自动控制回路 图 1 DCS 自动控制回路 计算出脱除实时进入吸收塔的 SO2含量所需的石灰石浆液量2，再用吸收塔 pH 酸碱度作为修正系数得出最终所需的石灰石浆液量，通过 PID 控制给出石灰石浆液泵的变频指令，完成供浆自动调节，理论上烟气的 SO2含量与供浆量成比例关系，这种控制方式足以实现供浆自动调节，但是脱硫过程中受到浆液 pH 值、钙硫比、液气比以及石灰石和烟气参数等诸多因素影响，脱硫过程不可能处在理论状态，特别是受到深度调峰以及煤种变化的影响，烟气流量和入口 SO2DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.036240 曾 存：国产 600MW 超临界机组脱硫供浆自动控制方式及应用 浓度常常出现大幅度波动，原有控制方式无法做到快速响应参数变化，使得出口 SO2浓度频繁超标，不仅加大了运行人员的操作量，同时也容易造成运行人员操作不及时而引起SO2排放小时均值超标。（DCS 控制回路如图 1）2 问题的解决方案研究 2 问题的解决方案研究 珠海金湾发电厂吸收塔 pH 酸碱度由两套 PH 计实时测量，正常运行中取平均值作为自动调节参数，现有的供浆量算法将 pH 酸碱度作为修正系数参与计算，这无疑弱化了 pH酸碱度在浆液计算中的作用。从强化 pH 酸碱度在供浆计算中的作用入手，引入出口 SO2浓度分级控制以及“预供浆”的概念，来对计算体系进行优化3。2.1 pH 酸碱度供浆量逻辑体系（1）建立入口SO2浓度PH关系 在五台浆液循环泵均运行的工况下记录入口 SO2浓度在区间 10002500 时，出口 SO2浓度由下行趋势转至上行趋势时的 pH 酸碱度数据，再以 pH 酸碱度 4.85.8 为区间，将所得数据模糊扩展至入口 SO2浓度在 03000 范围内对应的 pH酸碱度，在 DCS 系统中建立 CHARC 块，其中 X 坐标轴为入口SO2浓度，Y 坐标轴为 pH 值，生成入口 SO2 浓度PH 动态曲线，以此作为实时工况下吸收塔允许的最低 pH 酸碱度。（2）建立PH偏差供浆量动态调节逻辑 将PH测量值与3.1.1中得到的pH酸碱度计算值之间的差值，作为 pH 酸碱度的控制偏差区间，取偏差区间内0.20.2 与供浆量1010M3/H，建立 PH 偏差供浆量关系模块，同样使用 DCS 系统中的 CHARC 块（X 轴0，故加 1平移区间为 0.81.2），其中 X 坐标轴为 pH 偏差值，Y 坐标轴为供浆量修正值，生成 PH 偏差值供浆量修正的动态逻辑曲线，通过 PID 控制将修正值送至供浆量计算块中。2.2 出口 SO2浓度分级控制 现有供浆量算法中并没有将出口 SO2浓度作为控制目标，而是根据控制钙硫摩尔比的思路，通过测量吸收塔原烟气和吸收塔排放口烟气中的 SO2浓度、O2 浓度、烟气温度、烟气压力和烟气流量，计算进入吸收塔中 SO2总量和 SO2脱除效率，测量浆液的总流量和密度来计算控制加入吸收塔中的固态石灰石量。再通过改变石灰石浆液流量调节阀的开度来实现吸收塔内石灰石浆液量的调节。（1）出口 SO2与 pH 酸碱度关系 通过观察，脱硫过程中烟气流量的改变、入口 SO2浓度的改变以及浆液循环泵的运行组合的变化最终都直接反映到吸收塔 pH 酸碱度和出口 SO2浓度的参数变化上，出口 SO2浓度与吸收塔 pH 酸碱度的变化反映了当前吸收塔内浆液存量与烟气中的 SO2含量是否匹配。脱硫的过程可以理解为酸碱平衡的过程，正常情况下，当出口 SO2浓度较低、pH 酸碱度较高时，此时吸收塔内能够参与脱硫反应的存浆较多，不需要补充太多的石灰石浆液，供浆流量可以适当减小；当出口 SO2浓度较高、pH 酸碱度较低时，此时吸收塔内能够参与脱硫反应的存浆较少，需要补充更多的石灰石浆液。可以看出，在这两种工况之间，出口 SO2浓度和 pH 酸碱度存在一定的平衡关系，吸收塔 pH 酸碱度处在上升趋势时，说明塔内石灰石浆液量富余，此时出口SO2浓度逐渐转为下降趋势；吸收塔 pH 酸碱度处在下降趋势时，说明塔内石灰石浆液量不足，此时出口 SO2 浓度逐渐转为上升趋势。（2）建立出口 SO2分级控制逻辑 为保证出口 SO2浓度小于超标值 35mg/m3，同时为了降低石灰石消耗及浆液循环泵电耗，决定将出口 SO2浓度的控制目标值定为 28mg/m3。以 3.2.1 中出口 SO2与 pH 酸碱度关系为理论依据，利用 DCS 系统的 CHARC 模块建立出口 SO2浓度供浆量分级控制逻辑，以出口 SO2浓度为 X 坐标轴、供浆量为 Y 坐标轴，建立出口 SO2浓度在 040mg/m3区间内与供浆量的动态逻辑曲线。以 28mg/m3为基准点，当出口 SO2浓度由 20mg/m3处于上行趋势开始，供浆量逐渐增加，26mg/m3到 28mg/m3之间增加的供浆量跨度开始变大，28mg/m3到 35mg/m3将供浆量增大至供浆泵最大出力。2.3 预供浆判断 在变负荷工况下的运行人员手动增加供浆量时可能会发生供浆过多的情况，最直接的体现是 SO2出口浓度降低至20mg/m3以下以及吸收塔 pH 酸碱度升高。由于过量的供浆，会使得出口 SO2长时间保持低位，pH 酸碱度保持高位，这时自动控制会一直减少供浆量给定值，直到出口SO2持续上涨，这时供浆量给定值已经很低了，发生了超调，要调回去又要花较长的时间，造成出口 SO2振荡波动5。通过试验确定预供浆的判断条件和供浆量，观察控制效果后确定自动控制方案，进行逻辑修改。建立预供浆逻辑，利用斜坡逻辑块的速率设定，5 分钟输出一个 0 到 10 数值。当机组 AGC 指令与机组负荷指令偏差大于 20MW 时输出开关量信号至斜坡块作为触发条件。3 优化后实施情况 3 优化后实施情况 本文在 SIS 系统上截取 2021 年 5 月 8 日 17:0019:00与 2022 年 7 月 7 日 9:3011:30 两个时间段珠海金湾电厂 3号机组脱硫供浆逻辑优化前后两次负荷相对稳定工况下脱硫参数的变化趋势作对比（图 2），优化前 3 号机组负荷在517MW555MW 之间小幅度变化，3 号塔的 pH 酸碱度在5.685.72 之间，出口 SO2浓度在 19mg/m322mg/m3，供浆量趋势变化上可以看出运行人员多次手动干预设定值；优化后 3 号机组负荷在 569MW581MW 之间波动，pH 酸碱度基本控制在了 5.42 附近，出口 SO2浓度在 2333mg/m3之间。曾 存：国产 600MW 超临界机组脱硫供浆自动控制方式及应用 241 图 2 负荷稳定数据对比 图 2 负荷稳定数据对比 图 3 则是 2021 年 5 月 8 日 12:0014:00 与 2022 年 7月7日11:3013:30两个时间段珠海金湾发电厂3号机组在负荷波动工况下脱硫参数的变化趋势对比，优化前 3 号脱硫供浆量的变化与负荷变动没有明显关系，运行人员手动干预较多，出口 SO2浓度在 17mg/m342mg/m3，优化后 3 号脱硫的出口 SO2浓度控制在了 23.65mg/m328.81mg/m3，pH 酸碱度则稳定控制在了 5.325.38，供浆量基本稳定在 10m3/h左右 图 3 负荷变动数据对比 图 3 负荷变动数据对比 242 曾 存：国产 600MW 超临界机组脱硫供浆自动控制方式及应用 4 结 语 4 结 语 供浆自动控制作为脱硫控制的核心部分，其控制能力直接影响了在自动状态下的脱硫效率。通过趋势对比图可以看出，优化前控制系统响应缓慢，运行人员频繁手动干预供浆给定值，出口 SO2浓度长时间偏低，多时段维持在 20mg/Nm3以下，PH 范围为 5.586.0，整体数值偏高，虽然可以降低出口 SO2浓度超标的情况，但造成了石灰石浆液的浪费，也影响石膏品质。优化后，控制系统响应速度明显提升，脱硫出口 SO2浓度、供浆量、pH 酸碱度的调节控制的稳定性、可靠性得到了极大提高，pH 酸碱度明显降低，供浆量的给定更加合理，在一定程度上减少了石灰石的消耗，同时出口SO2浓度的稳定控制也使得运行人员可以选择适当的时机改变浆液循环泵的运行组合，减少厂用电的消耗。参考文献 参考文献 1 雍恒.330MW 火电机组脱硫系统供浆量自动控制技术设计J.石化技术,2019,26(7):2.2 万露.百万千瓦超超临界火电机组关键辅机运行优化技术研究D.2018.3 卫平宝.基于变工频混合控制的超临界机组脱硫吸收塔 PH 控制与优化J.电子世界,2021.4 YU Hai-dong,于海东,LI Jie,等.330MW 火电机组脱硫供浆控制系统的模型辨识与稳定性分析C/电站热工自动化技术交流会.2017.5 曹卫峰,祝建飞,徐晓辉,等.1000 MW 超超临界机组脱硫旁路取消控制优化及试验J.电力与能源,2015,36(6):5.（上接第 229 页）_（上接第 229 页）_ 综上所述，在目前的社会发展进程中，随着工业化发展的持续深入，针对水环境当中的重金属元素进行检测，已经成了环境保护监控工作开展中的主要内容。而通过上文所提出的各类检测方式，可以更好地针对水质的重金属元素进行全面检测，同时，相关部门也应当加大水质监测工程的完善程度，针对社会中存在的电镀企