CN113521998B - 一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOx浓度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半液相方法净化废气技术领域，公开了一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，用于采用石膏法进行脱硫时控制吸收塔出口烟气SOX浓度，通过采用预测控制器控制变频泵的频率来改变喷淋量，从而调整吸收塔出口烟气SOX浓度，预测控制器克服了从变频到吸收塔出口烟气SOX浓度变化的滞后性，使调节过程更加灵敏，能够实现脱硫装置压红线运行，不仅避免调节过程中吸收塔出口烟气SOX浓度超标，而且避免调节之后供浆流量超过需求；通过闭环优化，使变频泵在吸收塔出口烟气SOX浓度稳定时靠近变频范围的下限运行，给单台变频泵留了很大的调节空间，采用单台变频泵就能满足调节的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半液相方法净化废气技术领域，特别是涉及一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法。
背景技术
采用石灰/石灰石浆液作为吸收剂进行湿法脱硫，是目前的燃煤电厂进行烟气脱硫的主要方法。
目前的脱硫装置中，要将部分与烟气接触过的浆液与新浆液混合后由循环泵打回吸收塔进行喷淋，从而提高液气比并使吸收剂被充分利用。单塔双循环装置则是主流的脱硫装置，其吸收塔由收集碗分成两段，每段各设置一套浆液循环回路，两个浆液循环回路中，下循环喷淋的浆液的pH值较低，以方便亚硫酸钙氧化和石膏结晶，上循环喷淋的浆液的pH值较高，以充分吸收SOX，由于上循环的停留时间较短，因此还需要给上循环配备氧化塔（又称AFT塔）来延长上循环中浆液的氧化时间。
但由于锅炉燃烧状况是不断波动的，因此进入脱硫装置的烟气的SOX负荷是不断变化的。为适应SOX负荷变化，需要调整浆液循环回路中喷淋浆液的流量（又称喷淋量，用来调整液气比），以及调整供浆流量（供浆流量是行业内的一个术语，指的是新浆液的流量，改变供浆流量可用来调整喷淋浆液的pH值）。
目前这两个流量的调节都是较为粗放的，喷淋浆液的流量通过操作人员根据经验改变循环泵的启用数量以及频率来调节，而供浆流量通过PID控制器来调节，PID控制器中给定值为喷淋浆液的pH的设定值，被控对象为喷淋浆液的实际pH值，操纵变量为新浆液供浆阀开度。PID控制器中给定值的取值，是由操作人员在DCS系统中根据烟气状况人工给定的。
两种调节方式的特性是不一样的，提升喷淋量后，能够马上降低吸收塔出口烟气SOX的浓度，但对于脱硫装置本身脱硫能力的影响很小；提升供浆流量后能够直接提升脱硫装置本身的脱硫能力，但对吸收塔出口烟气SOX浓度的影响较为滞后。
虽然提升喷淋量对吸收塔出口烟气SOX的浓度的影响较快，但由于目前的脱硫装置中吸收塔的循环泵以工频泵为主，基本不会使用变频泵。而提升循环泵的启动数量用时很长，因此目前依然主要采用提升供浆流量的方式来调节吸收塔出口烟气SOX的浓度，这种调节方式滞后性很大，导致调节过程中排放的烟气中SOX含量超标，还会导致新浆液浪费。
若循环泵中包含变频泵，则采用改变喷淋量的方式来调整吸收塔出口烟气SOX浓度便成为可能。但申请人发现，虽然提升喷淋量后，能够马上降低吸收塔出口烟气SOX的浓度，但由变频泵变频到吸收塔出口烟气SOX的浓度变化，依然存在明显的迟延和惯性。这种迟延和惯性是由包括管路本身的特性在内的多方面的干扰项导致的。此外，由于变频泵的变频范围有限，若只设一台变频泵，其调节SOX浓度的范围弱于传统的调节方式，在应用上有诸多限制，若变频泵为多台，则控制麻烦且能耗提升（变频泵的能效低于工频泵）。如何克服这些干扰项，使吸收塔出口烟气SOX浓度能够灵敏且经济地随变频泵变频而变化，进而实现压红线运行，尚需新的控制方法。
发明内容
本发明提供一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法。
解决的技术问题是：目前的湿法脱硫装置中，主要采用提升供浆流量的方式来调节吸收塔出口烟气SOX的浓度，这种间接调节的方式不灵敏，滞后性很大，导致调节过程中排放的烟气中SOX含量超标，还会导致新浆液浪费。而采用变频泵进行调节尚不成熟，存在一系列影响应用的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，用于采用石膏法进行脱硫时控制吸收塔出口烟气SOX浓度；所述吸收塔的循环泵包括至少一台在运的变频泵，并通过预测控制器控制吸收塔出口烟气SOX浓度；
所述预测控制器中，给定值为吸收塔出口烟气SOX浓度的设定值，被控变量为吸收塔出口烟气SOX浓度的测量值，操纵变量为变频泵的频率。
进一步，所述预测控制器中，输出的操纵变量的值由变频泵频率与吸收塔出口烟气SOX浓度的传递函数模型得出，所述传递函数模型为带纯迟延的一阶惯性传递函数模型。
进一步，所述传递函数模型采用阶跃扰动试验法建模。
进一步，所述吸收塔的循环泵包括一台在运的变频泵。
进一步，采用所述阶跃扰动试验法建模的具体步骤如下：
步骤一：选取处于烟气负荷稳定状态下的石膏法脱硫装置，作为实验设备，将循环泵调整为手动调节状态；
步骤二：阶跃增加变频泵频率，记录吸收塔出口烟气SOX浓度的升高情况；
步骤三：查阅历史曲线，评估变频泵频率变化到吸收塔出口烟气SOX浓度变化的迟延时间、惯性时间和增益情况，作为预测控制器的预测模型。
进一步，预测控制器的输出值采用烟气SOX负荷的变化量为扰动量进行前馈补偿。
进一步，所述预测控制器中，给定值经神经网络模型进行柔化修正后输入到预测控制器中。
进一步，所述控制方法用于单塔双循环的脱硫装置，所述脱硫装置包括上循环和下循环两个浆液循环回路，所述上循环的循环泵包括多台工频泵，所述下循环的循环泵包括多台工频泵与一台变频泵。
进一步，采用闭环置换法进行闭环优化，使变频泵在吸收塔出口烟气SOX浓度稳定时靠近变频范围的下限运行；所述闭环置换法具体如下：
吸收塔出口烟气SOX浓度稳定且未超标的情况下，如果变频泵的频率没有达到最低，并且下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限时，逐渐提升下循环喷淋浆液pH值，则在SOX浓度反馈控制作用下，变频泵的频率逐渐降低，完成pH值到频率的置换，直到变频泵的频率最低或下循环喷淋浆液pH值最高为止。
进一步，当同时满足以下所有条件时，自动启动一台下循环或上循环中的工频泵：
条件一：变频泵的频率到达上限；
条件二：下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限。
本发明一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中，通过采用预测控制器控制变频泵的频率来改变喷淋量，从而调整吸收塔出口烟气SOX浓度，预测控制器克服了从变频到吸收塔出口烟气SOX浓度变化的滞后性，使调节过程更加灵敏，能够实现脱硫装置压红线运行，不仅避免调节过程中吸收塔出口烟气SOX浓度超标，而且避免调节之后供浆流量超过需求；
本发明中，通过神经网络模型对给定值进行柔化修正后输入到预测控制器中，进一步提升了调节的灵敏度；
本发明中，预测控制器的输出值采用烟气SOX负荷的变化量为扰动量进行前馈补偿，进一步提升了调节的灵敏度；
本发明中，采用闭环置换法使变频泵的频率尽可能低，从而留了在脱硫装置的出口SOX含量波动后迅速进行调整的余量，能够在烟气中SOX负荷提升后，通过提升变频泵的频率迅速提升喷淋量（工频泵启动较慢，变频泵变频则非常快）使脱硫装置的出口SOX含量迅速下降；变频泵留了很大的调节空间，采用单台变频泵就能满足调节的需求，从而减少了效率较低的变频泵的数量，提升了能效并且减小了控制的难度。
附图说明
图1是本发明一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法的流程图；
图2是采用本发明的单塔双循环脱硫装置的两个浆液循环回路的示意图，图中略去了鼓风管路及浆液采出管路；
其中，1-吸收塔，11-收集碗，2-氧化塔，3-循环泵，4-新浆管，5-喷淋浆管。
具体实施方式
本发明中，所有表示“XX的量”的，可采用体积、质量、物质的量等多种表示方式来进行，只需要确保计算过程中量纲正确。同理，“XX的流量”可采用体积流量、质量流量、物质的量流量等多种表示方式来进行；“XX的浓度”可采用体积分数、质量浓度、物质的量浓度等多种表示方式来进行，只需要确保计算过程中量纲正确。
本实施例中，所有“XX的量”，均为质量，所有“XX的流量”，均为质量流量，所有“XX的浓度”均为质量浓度。SOX以SO2来计，其余类型的SOX忽略不计。
如图1所示，一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，用于采用石膏法进行脱硫时控制吸收塔1出口烟气SOX浓度；吸收塔1的循环泵3包括至少一台在运的变频泵，并通过预测控制器控制吸收塔1出口烟气SOX浓度；
预测控制器中，给定值为吸收塔1出口烟气SOX浓度的设定值，被控变量为吸收塔1出口烟气SOX浓度的测量值，操纵变量为变频泵的频率。
预测控制器中，输出的操纵变量的值由变频泵频率与吸收塔1出口烟气SOX浓度的传递函数模型得出，传递函数模型为带纯迟延的一阶惯性传递函数模型。
传递函数模型采用阶跃扰动试验法建模。本实施例中，吸收塔1的循环泵3包括一台在运的变频泵，其余循环泵3均为工频泵。相较于采用多台变频泵，这样调控起来较为简单，且节能。
采用阶跃扰动试验法建模的具体步骤如下：
步骤一：选取处于烟气负荷稳定状态下的石膏法脱硫装置，作为实验设备，将循环泵3调整为手动调节状态；
步骤二：阶跃增加变频泵频率，记录吸收塔1出口烟气SOX浓度的升高情况；
步骤三：查阅历史曲线，评估变频泵频率变化到吸收塔1出口烟气SOX浓度变化的迟延时间、惯性时间和增益情况，作为预测控制器的预测模型。
预测控制器的输出值采用烟气SOX负荷的变化量为扰动量进行前馈补偿。这个烟气SOX负荷的变化量，一般指的是烟气SOX负荷随时间的变化量，可由AGC负荷曲线得出。当然，这里变化量不限于此，各种扰动量都可以统计进去。这里烟气SOX负荷，指的是浆液循环回路中，单位时间内应当脱除的SOX的量。这里进行前馈补偿，可提高控制灵敏度，并提高抗干扰能力。
预测控制器中，给定值经神经网络模型进行柔化修正后输入到预测控制器中。这里采用神经网络模型根据被控变量加权调整给定值。一般而言，若控制较稳，吸收塔1出口烟气SOX浓度波动较小的话，给定一个靠近允许排放的SOX的浓度上限的给定值，吸收塔1出口烟气SOX浓度波动较大的话，给定一个比允许排放的SOX的浓度上限低一些的给定值。这样可在排放不超标的前提下兼顾控制的灵敏性与经济性。
如图2所示，本实施例中的脱硫装置是一个典型的单塔双循环设备。
吸收塔1由收集碗11分成两段，由此使得装置中存在上循环和下循环两个浆液循环回路，烟气自下而上通过吸收塔1。上循环配备有氧化塔2。新浆管4中的新浆液，以及从吸收塔1抽出来的浆液，混合后经循环泵3沿喷淋浆管5打回吸收塔1。下循环中的循环泵3包括两台工频泵和一台在运的变频泵，上循环中的两台循环泵3都是工频泵。这里之所以要把变频泵设置在下循环中，是因为下循环接触的烟气含硫量较高，是主要的脱硫区域，改变这里的喷淋量的影响较为明显。在运的，也即一直投入运行。
采用闭环置换法进行闭环优化，使变频泵在吸收塔1出口烟气SOX浓度稳定时靠近变频范围的下限运行；闭环置换法具体如下：
吸收塔1出口烟气SOX浓度稳定且未超标的情况下，如果变频泵的频率没有达到最低，并且下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限时，逐渐提升下循环喷淋浆液pH值，则在SOX浓度反馈控制作用下，变频泵的频率逐渐降低，完成pH值到频率的置换，直到变频泵的频率最低或下循环喷淋浆液pH值最高为止。在运行成本的寻优过程中，我们还发现，这种喷淋浆液高pH值同时变频泵低频运行的模式，还能够很大程度上降低运行成本。
变频泵靠近变频范围的下限运行，能够很大程度上提升调节范围，但在烟气SOX负荷波动较大时，依然存在超出单纯采用变频泵进行调节的调节范围的可能，这时需要采用额外的调节手段。
由于本发明中存在喷淋浆液pH值-变频泵频率的闭环置换，因此在变频泵频率达到上限，但下循环喷淋浆液pH值未达到调节范围的上限时，仍可通过调节下循环喷淋浆液pH值来调节吸收塔1出口烟气SOX浓度。但当同时满足以下所有条件，吸收塔1出口烟气SOX浓度仍有上升趋势时，说明当前已投入的设备负荷已满，需要启动一台新的工频泵：
条件一：变频泵的频率到达上限；
条件二：下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限；这里的喷淋浆液pH值调节范围，也即在调节喷淋浆液的pH值时，应使其保持在这一范围内，这是一个人为规定的范围，实际调节能力不限于此。
这两个启动条件不需要人工判断，因此可在满足条件时自动启动工频泵，启动时应优先启动功率较小的工频泵，上循环或下循环中的工频泵皆可。
启动工频泵的同时，应一定程度上提升喷淋浆液pH值，使之超过调节范围的上限以免泵启动过程中吸收塔1出口烟气SOX浓度超标。本实施例中，下循环的喷淋浆液pH值调节范围上限为5.2，一般可调节到5.5。泵启动后，出口SOX浓度如果迅速下降，可先逐渐下降下循环喷淋浆液pH值到5.4，下循环喷淋浆液pH值稳定后，再逐渐降低变频频率到可能最低频率。待出口SOX浓度稳定后，再采用上述的闭环置换法使变频泵的频率最低或下循环喷淋浆液pH值最高，保持高喷淋浆液pH值-低变频泵频率运行。
本实施例是在旧装置的基础上进行改造而得来的，原控制器采用喷淋浆液的pH控制吸收塔1出口烟气SOX，原控制器不进行拆除，而是与预测控制器平行设置并相互跟踪，并在DCS界面无扰切换。预测控制器投入运行时，原控制器跟踪预测控制器；原控制器投入运行时，预测控制器跟踪预测控制器。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，用于采用石膏法进行脱硫时控制吸收塔（1）出口烟气SOX浓度；其特征在于：所述吸收塔（1）的循环泵（3）包括至少一台在运的变频泵，并通过预测控制器控制吸收塔（1）出口烟气SOX浓度；
所述预测控制器中，给定值为吸收塔（1）出口烟气SOX浓度的设定值，被控变量为吸收塔（1）出口烟气SOX浓度的测量值，操纵变量为变频泵的频率；
所述预测控制器中，输出的操纵变量的值由变频泵频率与吸收塔（1）出口烟气SOX浓度的传递函数模型得出，所述传递函数模型为带纯迟延的一阶惯性传递函数模型；
所述传递函数模型采用阶跃扰动试验法建模；采用所述阶跃扰动试验法建模的具体步骤如下：
步骤一：选取处于烟气负荷稳定状态下的石膏法脱硫装置，作为实验设备，将循环泵（3）调整为手动调节状态；
步骤二：阶跃增加变频泵频率，记录吸收塔（1）出口烟气SOX浓度的升高情况；
步骤三：查阅历史曲线，评估变频泵频率变化到吸收塔（1）出口烟气SOX浓度变化的迟延时间、惯性时间和增益情况，作为预测控制器的预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：所述吸收塔（1）的循环泵（3）包括一台在运的变频泵。
3.根据权利要求1所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：预测控制器的输出值采用烟气SOX负荷的变化量为扰动量进行前馈补偿。
4.根据权利要求1所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：所述预测控制器中，给定值经神经网络模型进行柔化修正后输入到预测控制器中。
5.根据权利要求1所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：所述控制方法用于单塔双循环的脱硫装置，所述脱硫装置包括上循环和下循环两个浆液循环回路，所述上循环的循环泵（3）包括多台工频泵，所述下循环的循环泵（3）包括多台工频泵与一台变频泵。
6.根据权利要求5所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：采用闭环置换法进行闭环优化，使变频泵在吸收塔（1）出口烟气SOX浓度稳定时靠近变频范围的下限运行；所述闭环置换法具体如下：
吸收塔（1）出口烟气SOX浓度稳定且未超标的情况下，如果变频泵的频率没有达到最低，并且下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限时，逐渐提升下循环喷淋浆液pH值，则在SOX浓度反馈控制作用下，变频泵的频率逐渐降低，完成pH值到频率的置换，直到变频泵的频率最低或下循环喷淋浆液pH值最高为止。
7.根据权利要求6所述的一种灵敏且经济的湿法脱硫出口烟气SOX浓度控制方法，其特征在于：当同时满足以下所有条件时，自动启动一台下循环或上循环中的工频泵：
条件一：变频泵的频率到达上限；
条件二：下循环喷淋浆液pH值达到调节范围的上限。
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