CN114355769B - 一种高盐水脱硫回用量的模糊控制方法及脱硫系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高盐水脱硫回用量的模糊控制方法，包括实时采集脱硫系统的系统参数；将采集的系统参数通过第一步模糊化处理分别得到运行指标、腐蚀指标；进一步将运行指标、TDS、腐蚀指标通过第二步模糊化处理并通过模糊评价模块得到第一阀门开度和第二阀门开度，通过比较第一阀门开度和第二阀门开度的大小得到控制回用水控制阀门的开度。本发明还公开了一种使用上述高盐水回用量的模糊控制方法控制的脱硫系统。本发明有效回用高盐水，减少脱硫系统工艺水补给水量，并进一步达到废水零排放，在确保脱硫系统稳定运行基础上最大限度再利用高盐废水。
Description
技术领域
本发明属于化工自动化控制领域，特别涉及一种脱硫过程中高盐水回用量精确调控方法。
背景技术
在《水污染防治行动计划》，简称“水十条”规定的各类高耗水行业中，电力行业排在第一位。电力行业主要用水为发电用水、脱硫用水系统消耗、煤场用水系统消耗、供热耗水、循环冷却水等。截至2018年底，我国新增燃煤发电机2471万千瓦，火电发电量达4.92万亿千瓦时，占总发电量增量的62％。火力发电仍旧是发电主力。而火力发电厂是用水大户，据资料统计显示，火力发电用水全国工业总用水的30％-40％，其中循环冷却水用量占70％以上，而排水量占废水排放量的0.4％，一些资料表明，在湿式冷却的火力发电厂中，平均每千瓦时的电，需要用水150kg左右，如果电厂使用现代化的节水技术。可以实现每千瓦时电节约4kg水，较之前用水可以减少用水97％。同时，我国也在发展节能环保产业，多部门发布多项政策鼓励并监督工业废水的超低排放及工业废水的有效处理。在环保和经济运行等角度出发，节约发电用水，实现火电厂废水“零排放”意义重大。
电力水处理与废水治理技术的发展水平直接影响电力企业生产经营效益，影响电厂长期生存能力。目前实施的“环保攻坚战”、“长江大保护”、“黄河流域生态保护”对电力企业经营发展模式提出了更高的要求。2019年发布的“节水行动方案”规划到2022年，创建100家节水标杆企业，遴选出50家水效领跑者工业企业；到2035年水资源节约和循环利用达到更加先进的水平。发电企业作为工业领域的第一用水大户，节水水平和水效指标与相关要求相比仍有较大差距，面临着巨大的节水减排压力。
根据《水污染防治行动计划》的要求，在役电厂应逐渐增加再生水比例，发电企业需要对废水进行深度处理回用，降低取水量、外排水量，排水达到排放标准。因此，电厂需要根据工艺特点对废水进行回收和利用，提高水的重复利用率。
为了在维持脱硫系统正常安全运行的前提下，更好地利用和节约水资源，降低水处理成本，近年来，国内外的研究人员开展了一系列的研究。公开号为CN 104707466 A的中国发明专利，公开了一种石灰石/石膏湿法脱硫水平衡节能系统；公开号为CN 105344229 A的中国发明专利，公开了一种利用冷却塔循环水作为烟气脱硫系统用水的方法；公开号为CN 105314773 A的中国发明专利，公开了一种湿法脱硫废水回收利用方法及其装置。这些方法都考虑到了脱硫系统耗水量且对水质要求相对较低的特征，设计了各类废水回用于脱硫废水的方式。循环冷却水直接回用于脱硫系统，或者将工艺水简单处理后回用。
这些回用措施虽然达到了节约用水、降低废水处理成本的目的，但没有考虑水回用以后对脱硫系统各项指标的影响，难以保证脱硫系统的正常运行。水资源和成本的节约需要在保障脱硫系统安全运行的前提下进行，因此高盐废水回用后，根据盐分对FGD系统的模糊综合评价模型，在减少燃煤电厂废水的水量基础上，合理化再利用有益盐分种类，进一步以提高脱硫系统性能。
发明内容
本发明公开了一种脱硫过程中高盐水回用量精确调控方法。根据盐分对脱硫系统的脱硫效率、石灰石活性、石膏品质、氧化速率和腐蚀性能整体模糊评价，建立脱硫系统各个评价值指标的隶属函数，得出在线模糊综合评价结果。结合模糊控制调整回用水与工艺水比例，进而改变通入脱硫塔内补给水水质，结合FGD性能评估在确保脱硫系统稳定运行基础上最大限度再利用高盐废水。
本发明提供了一种脱硫过程中高盐水回用量精确调控方法，专利核心为建立脱硫系统在线模糊综合评价模型，应用监测系统监测指标量化脱硫运行状态，得出在线评价结果。将评价结果模糊化，建立模糊控制算法，参考脱硫运行经验建立模糊控制规则，控制高盐废水回用水与工艺水比例，在保证脱硫系统正常运行的条件下，应用模糊控制原理对脱硫系统补给水水质进行精确调控，达到资源化回收再利用高盐废水目的。
具体地，本发明公开了一种高盐水脱硫回用量的模糊控制方法包括以下步骤：
(1)实时采集脱硫系统的系统参数；
(2)将采集的系统参数通过第一步模糊化处理分别得到运行指标、腐蚀指标；
(3)分别将运行指标、TDS指标、腐蚀指标通过第二步模糊化处理，得到e、e1和e2；
(4)构建两输入一输出的第一模糊评价模块，以e、e1为输入量，通过第一模糊化控制规则输出第一控制量；
(5)构建两输入一输出的第二模糊评价模块，以e1、e2为输入量，通过第二模糊化控制规则输出第二控制量；
(6)将第一控制量、第二控制量去模糊化得到第一阀门开度u1和第二阀门开度u2，比较第一阀门开度u1和第二阀门开度u2的大小，选择较小开度控制回用水控制阀门的开度。
其中，步骤(1)中所述脱硫系统包括脱硫塔、设于脱硫塔内的除雾器，石灰石制浆系统、回用水配置系统、浆料循环系统；所述回用水配置系统包括：工艺水箱、回用水箱和混合水箱；其中工艺水箱和回用水箱通过管道与混合水箱连接并向混合水箱供水，混合水箱进一步通过管道分别与设于脱硫塔内的除雾器以及石灰石制浆系统相连，石灰石制浆系统通过管道与脱硫塔相连；在回用水箱与混合水箱之间的管道上设置回用水控制阀门；在脱硫塔的外部设有浆料循环系统，用于将脱硫塔底部的浆料通过管道抽出并通过浆料循环泵输送至脱硫塔的上部，并通过设于脱硫塔上部侧壁的浆料输入口回流至脱硫塔。
步骤(1)中所述系统参数包括：电厂脱硫系统进出口CEMS测得的烟气出口SO2浓度Cout，进口SO2浓度Cin，单位：mg/m3；石灰石制浆系统的石灰石样本CaCO3纯度，ORP传感器监测的脱硫浆液ORP，单位：mV；由脱硫系统中密度传感器监测的脱硫浆液密度，单位kg/m3；由氯离子电极测得脱硫浆液Cl-质量浓度，单位:mg/L；TDS指标由TDS电极监测的混合水箱中混合水总溶解固体质量浓度测得，单位：g/L。
步骤(2)中通过第一步模糊化处理得到运行指标的隶属度函数如下：
脱硫效率指标隶属度函数X，由电厂进出口CEMS测得，X表达式如下：
X＝Cout/Cin
式中，Cout为烟气出口SO2浓度，单位：mg/m3，Cin为进口SO2浓度，单位：mg/m3。
石灰石活性评价指标隶属度函数Y，由石灰石样品中CaCO3含量得出，同一批石灰石纯度相同，Y表达式如下：
Y＝MCaCO3/MT
式中，MCaCO3为样品中CaCO3质量，单位：g；MT为样品总质量，单位：g。
氧化效率指标隶属度函数Z，由ORP在线监测，其可以反映浆液内亚硫酸盐含量，二者存在线性关系；
亚硫酸盐氧化率可由亚硫酸盐含量求出，其计算公式如下：
Z＝1-Z′
式中，Z为亚硫酸盐氧化率，Z′为亚硫酸盐含量；
Z′与ORP存在如下线性关系：
Z′＝1+3.57×10^(-4)×E-0.09762
式中，E为脱硫浆液ORP，单位：mV。
脱硫石膏品质隶属度函数D，由石膏含固量表示，可与脱硫浆液密度建立线性关系，石膏含固量表达式如下：
D＝7.86×10^(-4)×ρ+0.10655
式中，ρ为脱硫浆液密度，单位：kg/m3。
运行指标矩阵R＝{X Y Z D}，根据运行经验给出各项指标权重向量矩阵A＝{0.20.4 0.3 0.1}，得到运行指标T＝RAT。
进一步地，步骤(2)中第一步模糊化处理得到腐蚀指标的隶属度函数如下：
不同Cl-浓度下，隶属度函数如下：
其中，x为氯离子电极测得脱硫浆液Cl-质量浓度，单位:mg/L。
脱硫浆液Cl-质量浓度在脱硫塔浆液安装氯离子电极可以直接获得Cl-质量浓度数据。
设计模糊控制算法控制回用水箱至混合水箱管路流量控制阀门开度，将在线模糊综合评价结果为经过模糊化后的集合作为模糊控制输入量，针对两种指标分别建立两种模糊控制算法，两个模糊控制算法均为二输入一输出模糊控制器。
步骤(3)中输入量e为第一种模糊控制算法输入量，与运行指标模糊综合评价结果相关，通过第二步模糊化处理得到，具体方法为，以0.85为模糊控制目标值，e(T-0.85)的论域为[-0.15，0.15]，建立三角形隶属度函数，偏差e划分为5个模糊集，分别为负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)，e为正表示脱硫系统运行状态良好，可容纳更多盐分进入，e为负表示脱硫系统运行状态较差，应减少高盐水回用流量。脱硫系统在线评价结果变化模糊表及隶属度函数图如下，根据隶属度最大原则可以得出输入量对应模糊集。
步骤(3)中输入量e1为两种模糊控制算法输入量，与脱硫浆液TDS指标相关，通过第二步模糊化处理得到，具体方法为，：以0.3g/L为模糊控制目标值，e1(TDS-0.3)的论域为[-0.3，0.3]，建立三角形隶属度函数，偏差e1划分为7个模糊集，负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，e1为负表示混合水箱内盐分较少，e1为正表示回用水箱内盐分较多；其中TDS指标为混合水箱中混合水箱内的总溶解固体质量浓度，单位：g/L。根据隶属度最大原则可以得出输入量对应模糊集。
进一步地，考虑到Mg2+对脱硫效率，石膏品质有益作用，两种模糊控制算法的输入量e1需根据高盐回用水质，特别是Mg2+质量浓度，及TDS指标调整输入量目标值。这体现在步骤(3)中以TDStarget为e1的输入量目标值。e1(TDS-TDStarget)的论域为[-0.3，0.3]，建立三角形隶属度函数，偏差e1划分为7个模糊集，负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，e1为负表示混合水箱内盐分较少，e1为正表示回用水箱内盐分较多；其中TDS指标为由TDS电极获得的混合水箱中混合水的总溶解固体质量浓度，单位：g/L，TDStarget通过如下方法获得：通过滴定获得回用水箱中Mg2+的浓度，单位g/L；计算Mg2+的浓度与TDS指标的比值；根据所述比值与e1输入量目标值的关系表得到TDStarget，所述关系表如下：
步骤(3)中输入量e2为第二种模糊控制算法输入量，与腐蚀指标模糊综合评价结果相关，通过第二步模糊化处理得到，具体方法为，以0.5为目标值，e2(B-0.5)的论域为[-0.3，0.3]，建立三角形隶属度函数，将偏差e2划分为5个模糊集，分别为负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)，e2为负表示脱硫系统内Cl-含量较少，腐蚀速率很慢，e2为正表示脱硫系统内Cl-含量较高，脱硫系统内已产生快速腐蚀，脱硫系统内腐蚀风险很高。腐蚀速率变化模糊表及隶属度函数图如下，根据隶属度最大原则可以得出输入量对应模糊集。
通过模糊控制算法可以得出输出量的模糊集合，应用隶属度函数最大原则解模糊得到输出量，比较两种控制算法输出量，选择一个较小的输出量调整脱硫系统高盐水回用比例。模糊控制规则如下两表：步骤(4)中所述第一模糊化控制规则如下：
步骤(5)中所述第二模糊化控制规则如下：
步骤(6)中所述去模糊化为将第一控制量、第二控制量的七个模糊集：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)对应于阀门的7个开度：-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，根据上述对应关系将第一控制量、第二控制量去模糊化得到第一阀门开度u1和第二阀门开度u2。
本发明进一步公开了一种脱硫系统，采用上述高盐水脱硫回用量的模糊控制方法控制。
本发明针对脱硫系统高盐环境成为越来越普遍运行环境，本发明提出了量化高盐水对脱硫系统运行影响的方案。首次提出利用TDS质量浓度、脱硫效率、石灰石纯度，ORP、Cl-质量浓度脱硫运行参数在线综合评价脱硫系统运行的方案，
本发明能更快捷更直观的给脱硫运行予以指导。根据不同指标建立了两种模糊控制方案，重点关注Mg2+对脱硫系统的有益作用，调整模糊控制系统TDS质量浓度目标值，更有针对性地对高盐废水中盐分进行分类处置与资源化利用，对高盐水回用提供了技术参考；并且设计了高盐水回用的调控系统。实时监测脱硫系统的脱硫效率、Cl-质量浓度、浆液ORP、以及高盐混合水箱TDS质量浓度，根据脱硫系统参数全面地评价脱硫运行状态，弥补了现有脱硫系统测量参数单一，且测量调控滞后的问题。
通过监测系统反应脱硫系统与混合水箱水质数据，对高盐水回用量进行精确调控，更加经济有效。现有的脱硫系统运行过程中，即解决高盐废水排放问题，同时又充分再利用废水中有用盐分离子，例如Mg2+，优化提效脱硫系统性能。
附图说明
图1为逻辑模糊综合评价控制流程图。
图2为一种脱硫过程中高盐水回用量精确调控方法。
图3为监测系统及控制中心示意图。
图4为e的三角形隶属度函数图像。
图5为e1的三角形隶属度函数图像。
图6为e2的三角形隶属度函数图像。
标号说明：1为脱硫塔；2为石灰石制浆系统；3为浆液循环泵；4为混合水箱；5为除雾器；6为工艺水箱；7为回用水箱；8为监测系统；8-1为第一监测系统；8-2为第二监测系统；9为控制器；10为回用水控制阀门；11为TDS电极；12为浆液密度计；13为ORP电极；14为CEMS；15为Cl-电极。
具体实施方式
本发明提供了一种脱硫装置包括：脱硫塔1和浆液循环泵3，进水系统包括混合水箱4、工艺水箱6、回用水箱7和石灰石制浆系统2，控制系统包括监测系统8与控制器9；石灰石制浆系统的用水来自于混合水箱4，混合水箱也可作为除雾器冲洗水以喷淋的方式进入脱硫塔1。脱硫塔1底部的脱硫浆液通过浆液循环泵3进行循环，安装于脱硫塔1内侧的监测系统8，连接至控制器9，控制器9与管路回用水控制阀门10相连，回用水控制阀门10位于回用水箱与混合水箱中间管路，控制回用水箱7流入混合水箱4管路流量，第一监测系统8-1进出口安装于脱硫塔外壁中部偏下的位置，连接至控制器9，第二监测系统8-2安装在混合水箱一侧，监测混合水箱4水质。
基于上述脱硫系统，本发明的的控制方式为：密度计12、ORP电极13、Cl-电极15测量脱硫浆液密度、ORP、Cl-质量浓度数据，CEMS收集在线脱硫效率数据，第一监测系统8-1将所得数据经过模糊综合评价反馈给控制器9，同时监测第二系统8-2将在混合水箱4读取到的TDS电极11在线数据反馈给控制器9。监测系统8反馈的数据模糊化后得到的模糊控制输入量输入控制器，TDS电极13数据与在线模糊综合评价结果模糊化后输入第一种模糊控制算法、TDS电极13数据与Cl-电极15数据模糊化后输入第二种模糊控制算法，将两种算法所得输出量解模糊化后得到两个控制量，比较两个控制量的大小，选择更小控制量控制回用水控制阀门10开度，保证脱硫系统盐分裕量。
实施例1
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
以330MW发电机组锅炉，负荷80％为例，本发明所述脱硫系统使用高盐水进行配浆以及除雾器冲洗，测得高盐水回用水箱内Mg2+质量浓度为0.250g/L，混合水箱的TDS质量浓度为0.48g/L，模糊化后输入量为PB。此刻测得脱硫浆液密度为1180kg/m3，氧化还原电位为120mV，烟气脱硫效率为96％，该批次脱硫石灰石纯度为94％，根据测量数据可建立模糊综合评价矩阵{0.96 0.94 0.95 0.89}，可以求得该时刻运行指标模糊综合评价结果0.942，模糊化后输入量为NS；测得脱硫浆液Cl-质量浓度为15000mg/L，可以求得该时刻腐蚀指标模糊综合评价结果为0.67，模糊化后输入量为PS；两项在线评价结果分别输入各自的模糊控制器，可以得到运行指标的输出量为NM，腐蚀指标的输出量NB，经过比较后选择较小的-3开关幅度调小流量控制阀门。
Claims (5)
1.一种高盐水脱硫回用量的模糊控制方法，其特征在于，所述模糊控制方法包括以下步骤，具体地：
(一)实时采集脱硫系统的系统参数；
其中，脱硫系统包括脱硫塔(1)、设于脱硫塔内的除雾器(5)，石灰石制浆系统(2)、回用水配置系统；所述回用水配置系统包括：工艺水箱(6)、回用水箱(7)和混合水箱(4)；其中工艺水箱(6)和回用水箱(7)通过管道与混合水箱(4)连接并向混合水箱(4)供水，混合水箱(4)进一步通过管道分别与设于脱硫塔内的除雾器(5)以及石灰石制浆系统(2)相连，石灰石制浆系统(2)通过管道与脱硫塔相连；在回用水箱(7)与混合水箱(4)之间的管道上设置回用水控制阀门(10)；
(二)将采集的系统参数通过第一步模糊化处理分别得到运行指标、腐蚀指标，
其中，模糊化处理得到运行指标的隶属度函数如下：
(1)脱硫效率指标隶属度函数X，由电厂进出口CEMS测得，X表达式如下：
X＝Cout/Cin
式中，Cout为烟气出口SO2浓度，单位：mg/m3，Cin为进口SO2浓度，单位：mg/m3；
(2)石灰石活性评价指标隶属度函数Y，由石灰石样品中CaCO3含量得出，Y表达式如下：
Y＝MCaCO3/MT
式中，MCaCO3为样品中CaCO3质量，单位：g；MT为样品总质量，单位：g；
(3)氧化效率指标隶属度函数Z，由ORP在线监测，其可以反映浆液内亚硫酸盐含量，二者存在线性关系；
亚硫酸盐氧化率由亚硫酸盐含量求出，其计算公式如下：
Z＝1-Z′
式中，Z为亚硫酸盐氧化率，Z′为亚硫酸盐含量；
Z′与ORP存在如下线性关系：
Z′＝1+3.57×10^(-4)×E-0.09762
式中，E为脱硫浆液ORP，单位：mV；
(4)脱硫石膏品质隶属度函数D，由石膏含固量表示，可与脱硫浆液密度建立线性关系，石膏含固量表达式如下：
D＝7.86×10^(-4)×ρ+0.10655
式中，ρ为脱硫浆液密度，单位：kg/m3；
运行指标矩阵R＝{X Y Z D}，根据运行经验给出各项指标权重向量矩阵A＝{0.2 0.40.3 0.1}，得到运行指标＝RAT；
(5)模糊化处理得到腐蚀指标的隶属度函数如下：
不同Cl-浓度下，隶属度函数如下：
其中，x为氯离子电极测得脱硫浆液Cl-质量浓度，单位:mg/L(三)分别将运行指标、TDS指标、腐蚀指标通过第二步模糊化处理，得到e、e1和e2，
其中，运行指标作为输入量通过第二步模糊化处理得到e的方法为：以0.85为e的输入量目标值，e(T-0.85)的论域为[-0.15，0.15]，建立三角形隶属度函数，偏差e划分为5个模糊集，分别为负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)，e为负表示脱硫系统运行状态较差，应减少高盐水回用流量，e为正表示脱硫系统运行状态良好，可容纳更多盐分进入；
将TDS指标作为输入量通过第二步模糊化处理得到e1的方法为：以TDStarget为e1的输入量目标值，e1(TDS-TDStarget)的论域为[-0.3，0.3]，建立三角形隶属度函数，偏差e1划分为7个模糊集，负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)，e1为负表示混合水箱内盐分较少，e1为正表示回用水箱内盐分较多；其中TDS指标为由TDS电极获得的混合水箱中混合水的总溶解固体质量浓度，单位：g/L，TDStarget通过如下方法获得：
(1)通过滴定获得回用水箱中Mg2+的浓度；
(2)计算Mg2+的浓度与TDS的浓度值的比值；
(3)根据所述比值与e1输入量目标值的关系表得到TDStarget，所述关系表如下：
将腐蚀指标作为输入量通过第二步模糊化处理得到e2的方法为：以0.5作为为e2输入量目标值，e2(B-0.5)的论域为[-0.3，0.3]，建立三角形隶属度函数，将偏差e2划分为5个模糊集，分别为负大(NB)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正大(PB)，e2为负表示脱硫系统内Cl-含量较少，腐蚀速率很慢，e2为正表示脱硫系统内Cl-含量较高，脱硫系统内已产生快速腐蚀；
(四)构建两输入一输出的第一模糊评价模块，以e、e1为输入量，通过第一模糊化控制规则输出第一控制量；
(五)构建两输入一输出的第二模糊评价模块，以e1、e2为输入量，通过第二模糊化控制规则输出第二控制量；
(六)将第一控制量、第二控制量去模糊化得到第一阀门开度u1和第二阀门开度u2，比较第一阀门开度u1和第二阀门开度u2的大小，选择较小开度控制回用水控制阀门(10)的开度。
2.根据权利要求1所述的高盐水脱硫回用量的模糊控制方法，其中，步骤(四)中所述第一模糊化控制规则如下：
3.根据权利要求1所述的高盐水脱硫回用量的模糊控制方法，其中，步骤(五)中所述第二模糊化控制规则如下：
4.根据权利要求1所述的高盐水脱硫回用量的模糊控制方法，其中，步骤(六)中所述去模糊化为将第一控制量、第二控制量的七个模糊集：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)对应于阀门的7个开度：-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，根据上述对应关系将第一控制量、第二控制量去模糊化得到第一阀门开度u1和第二阀门开度u2。
5.一种脱硫系统，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的高盐水脱硫回用量的模糊控制方法控制。
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