CN114838351A - 一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于火电机组污染物排放技术领域的一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法。利用给煤量指令确定石灰石给料量的基准值，原烟气SO2浓度测量值与原烟气SO2设定值的差值经PID控制器计算后实时调整石灰石给料量，原烟气SO2设定值由运行人员根据烟气脱硫设备的SO2处理容量进行设定；建立了原烟气SO2排放浓度预测模型，预测出未来时刻的原烟气SO2浓度，及时校正当前时刻的石灰石给料量。该控制方法能克服CFB锅炉燃烧、脱硫过程的大惯性、大迟延，实现对CFB锅炉快速变负荷运行时的原烟气SO2排放浓度的控制优化，确保CFB锅炉净烟气SO2浓度不超标，减少石灰石的浪费。

Description

一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法
技术领域
本发明属于火电机组污染物排放技术领域，特别涉及一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法。
背景技术
近年来，循环流化床(CFB)技术发展迅猛，我国投产的燃煤CFB锅炉台数不断增加，主要用于发电、供热。因炉内脱硫工艺流程简单、投资运行成本低，CFB锅炉多采用炉内脱硫来降低SO2排放，实现SO2的低排放控制。随着环保政策的愈加严格，CFB锅炉的净烟气SO2排放浓度要求低于35mg/m3，但根据CFB锅炉的实际运行情况，不断提高炉内脱硫的钙硫比很难实现该排放指标。因此，CFB锅炉加装了烟气脱硫设备作为第二级脱硫，该运行方式通过炉内脱硫，将原烟气SO2浓度控制在烟气脱硫设备的SO2处理容量之下，烟气中的SO2在烟气脱硫设备中被再次脱除，最终实现净烟气SO2排放浓度低于35mg/m3。当前对炉内脱硫自动控制方法的研究较少，不利于CFB锅炉的污染物排放控制优化。CFB锅炉常处于快速变负荷的动态运行过程，燃烧工况变化剧烈，导致SO2原始生成量波动大，仅根据原烟气SO2浓度测量值调节炉内脱硫石灰石给料量的控制方法容易出现调节不及时，使得原烟气SO2浓度过高或过低。原烟气SO2浓度过高时，超过烟气脱硫设备的处理容量，最终净烟气SO2排放浓度超标，无法达到环保政策的要求；当原烟气SO2浓度过低时，炉内石灰石利用率低，容易出现石灰石浪费的情况。
为了解决因炉内脱硫自动控制方法调节不及时，CFB锅炉原烟气SO2浓度过高，净烟气SO2浓度超标的问题，本发明提出了CFB锅炉炉内脱硫自动控制方法，利用给煤量指令、原烟气SO2排放浓度预测值等信号提前调节炉内石灰石给料量，实现对CFB锅炉快速变负荷运行时的原烟气SO2排放浓度的控制优化，确保CFB锅炉净烟气SO2浓度不超标，减少石灰石的浪费。
发明内容
本发明的目的是提出一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，在CFB锅炉炉内脱硫自动控制过程中，首先在DCS分散控制系统中搭建炉内脱硫自动控制回路来实现炉内脱硫自动控制；所述炉内脱硫自动控制回路包括：加法模块、函数模块、乘法模块、积分器模块、选择块、PID控制器模块；其特征在于，所述炉内脱硫自动控制包括如下步骤：
S1，原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000021
与原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000022
形成偏差信号，偏差信号经过PID控制器输出得到控制信号a；
S2，原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000023
与原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000024
形成的偏差信号经过死区函数f1(x)后，输出的信号再经过微分环节处理，乘以比例系数k1后，通过限幅函数f2(x)得到控制子信号b；
S3，脱硫效率、原烟气SO2排放浓度主要与炉内脱硫的钙硫摩尔比即Ca/S比有关，给煤量指令uB经过Ca/S比转换函数f3(x)后，得到石灰石给料器的基准频率，再乘以煤质校正系数k2得到控制子信号c；
S4，将给煤量指令uB、总风量指令Air、石灰石给料量uc、床温Tb作为原烟气SO2浓度预测模块的输入，该预测模块的输出经过比例转换函数f4(x)得到控制子信号d。将控制子信号a、b、c、d相加得到石灰石给料器频率指令的控制信号。
所述步骤S1中，原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000031
由运行人员根据烟气脱硫设备的SO2处理容量进行设定；由PID控制器控制SO2脱除速率；PID控制器参数采用工程整定方法。
所述步骤S2中，死区函数f1(x)的死区可设置为-300～+300，超过死区范围，该函数的输出为原烟气SO2浓度测量值与原烟气SO2浓度设定值形成的偏差信号；比例系数k1的取值为1/3～1/2；限幅函数f2(x)的输出范围根据石灰石给料器的运行频率范围进行设定。
所述步骤S3中，随着CFB锅炉负荷工况的变化，炉内燃烧、脱硫反应氛围发生变化，达到相同脱硫效率下的Ca/S比不同，Ca/S比转换函数f3(x)为给煤量指令的非线性函数；煤质校正系数k2由运行人员根据煤质参数进行设定。
所述步骤S4中，原烟气SO2浓度预测模块的输入为CFB锅炉的实时运行数据，输出为原烟气SO2质量浓度的实时预测值，比原烟气SO2浓度测量值提前120s以上；比例转换函数f4(x)对函数输出具有限幅作用。
所述原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000032
即SO2的原始生成速率
Figure BDA0003636137530000033
可认为与给煤量指令成正比，可表示为
Figure BDA0003636137530000034
式中：kar为煤中硫分所释放的比例，取值范围0～1；Sar为煤中含硫量，％；uB为给煤量指令，kg/s；Ms为硫的摩尔质量，g/mol。
所述PID控制器控制SO2脱除速率
Figure BDA0003636137530000041
可表示为
Figure BDA0003636137530000042
Figure BDA0003636137530000043
其中，mCaO是炉内CaO的存量；
Figure BDA0003636137530000044
是脱硫反应速率常数；
Figure BDA0003636137530000045
是炉膛SO2浓度；
Figure BDA0003636137530000046
是石灰石中的CaCO3的质量分数，％；MCaO、
Figure BDA0003636137530000047
分别为CaO与CaCO3的摩尔质量；uc为炉内石灰石给料流率，kg/s；Rloss为CaO的逃逸流率，kg/s。
根据式(1)、(4)，炉膛SO2浓度
Figure BDA0003636137530000048
可表示为
Figure BDA0003636137530000049
其中，V是炉膛体积，m3；kf是烟气流量的比例系数。
因此，CFB锅炉原烟气SO2排放浓度预测值可表示为
Figure BDA00036361375300000410
其中，kc是SO2摩尔浓度与质量浓度之间的转换系数。
本发明的有益效果如下：
(1)建立了原烟气SO2排放浓度预测模型，预测出未来时刻的原烟气SO2浓度，有利于克服CFB锅炉燃烧、脱硫过程的大惯性、大迟延，及时校正当前时刻的石灰石给料量。
(2)实现CFB锅炉炉内脱硫运行的自动控制，能够提升原烟气SO2浓度的控制效果，提高炉内脱硫石灰石的利用率，降低石灰石的消耗量。
(3)该方法的实现不需要增加任何硬件设备，容易实现工程应用，为CFB锅炉炉内脱硫运行优化控制提供了一种新思路。
附图说明
图1为CFB锅炉炉内脱硫自动控制原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，下面结合附图对本发明予以进一步说明。
在CFB锅炉炉内脱硫自动控制过程中，首先在DCS分散控制系统中搭建炉内脱硫自动控制回路来实现炉内脱硫自动控制；所述炉内脱硫自动控制回路包括：加法模块、函数模块、乘法模块、积分器模块、选择块、PID控制器模块；
如图1所示，循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制包括如下步骤：
S1，原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000051
与原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000052
形成偏差信号，偏差信号经过PID控制器输出得到控制信号a；其中原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000053
S2，原烟气SO2浓度测量值与原烟气SO2浓度设定值形成的偏差信号经过死区函数f1(x)后，输出的信号再经过微分环节处理，乘以比例系数k1后，通过限幅函数f2(x)得到控制子信号b；；所述死区函数f1(x)的死区可设置为-300～+300，超过死区范围，该函数的输出为原烟气SO2浓度测量值与原烟气SO2浓度设定值形成的偏差信号；比例系数k1的取值为1/3～1/2；限幅函数f2(x)的输出范围根据石灰石给料器的运行频率范围进行设定。
S3，脱硫效率、原烟气SO2排放浓度主要与炉内脱硫的钙硫摩尔比(Ca/S比)有关，给煤量指令uB经过Ca/S比转换函数f3(x)后，得到石灰石给料器的基准频率，再乘以煤质校正系数k2得到控制子信号c；随着CFB锅炉负荷工况的变化，炉内燃烧、脱硫反应氛围发生变化，达到相同脱硫效率下的Ca/S比不同，Ca/S比转换函数f3(x)为给煤量指令的非线性函数；煤质校正系数k2由运行人员根据煤质参数进行设定。
S4，将给煤量指令uB、总风量指令Air、石灰石给料量uc、床温Tb作为原烟气SO2浓度预测模块的输入，该预测模块的输出经过比例转换函数f4(x)得到控制子信号d。将控制子信号a、b、c、d相加得到石灰石给料器频率指令的控制信号。
所述原烟气SO2浓度预测模块的输入为CFB锅炉的实时运行数据，输出为原烟气SO2质量浓度的实时预测值，比原烟气SO2浓度测量值提前120s以上。比例转换函数f4(x)对函数输出具有限幅作用。
图1所示的CFB锅炉炉内脱硫自动控制原理如下：
1、控制回路的搭建
搭建在DCS系统中的控制回路输入为：原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000061
原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000062
给煤量指令uB、总风量指令Air、石灰石给料量uc，输出为石灰石给料器频率指令；其中，原烟气SO2浓度测量值
Figure BDA0003636137530000063
经现场仪表的测量后传输到DCS系统中，原烟气SO2浓度设定值
Figure BDA0003636137530000064
由运行人员输入DCS系统中，给煤量指令uB、总风量指令Air由DCS系统根据电网的负荷指令自动生成，石灰石给料量uc由现场的石灰石输送风机压头的测量值经DCS系统折算生成。石灰石给料器频率指令由DCS系统下发给现场执行设备，改变石灰石给料器的频率。
2、原烟气SO2浓度预测模块
原烟气SO2浓度预测模块是根据CFB锅炉SO2生成、脱除机理建立的原烟气SO2浓度模型所构建的，在DCS系统中搭建时，需用到的DCS系统中的模块有：加法模块、函数模块、乘法模块、积分器模块、选择块。原烟气SO2浓度模型如下：
对于CFB锅炉，SO2来自于煤的燃烧。为了提高预测效果，SO2的原始生成速率
Figure BDA0003636137530000071
可认为与给煤量指令成正比，可表示为
Figure BDA0003636137530000072
式中：kar为煤中硫分所释放的比例，取值范围0～1；Sar为煤中含硫量，％；uB为给煤量指令，kg/s；Ms为硫的摩尔质量，g/mol。
不同床温、炉内氧化/还原氛围对煤中硫分所释放的比例a有影响，炉内氧化/还原氛围可用总风量指令与给煤量指令的比值(风煤比)来表示，因此kar可表示为床温Tb、风煤比α的函数：
kar＝f(Tb,α) (2)
α＝Air/uB (3)
其中：Air为总风量指令，Nm3/s；f(Tb,α)根据不同床温、风煤比下，炉内不投石灰石的原烟气SO2浓度的测量数据，采用最小二乘法拟合确定。
SO2脱除速率
Figure BDA0003636137530000081
可表示为
Figure BDA0003636137530000082
Figure BDA0003636137530000083
其中，mCaO是炉内CaO的存量；
Figure BDA0003636137530000084
是脱硫反应速率常数；
Figure BDA0003636137530000085
是炉膛SO2浓度；
Figure BDA0003636137530000086
是石灰石中的CaCO3的质量分数，％；MCaO、
Figure BDA0003636137530000087
分别为CaO与CaCO3的摩尔质量；uc为炉内石灰石给料流率，kg/s；Rloss为CaO的逃逸流率，kg/s。
根据式(1)、(4)，炉膛SO2浓度
Figure BDA0003636137530000088
可表示为
Figure BDA0003636137530000089
其中，V是炉膛体积，m3；kf是烟气流量的比例系数。
因此，CFB锅炉原烟气SO2排放浓度预测值可表示为
Figure BDA00036361375300000810
其中，kc是SO2摩尔浓度与质量浓度之间的转换系数。
根据原烟气SO2浓度模型在DCS系统中搭建原烟气SO2浓度预测模块，完成控制回路的信号连线，并对PID模块的参数进行整定。根据CFB锅炉的实时运行数据，控制回路依靠DCS系统中的数据计算模块，实时计算石灰石给料器频率指令，实现CFB锅炉炉内脱硫的自动控制。

Claims (7)

1.一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，在CFB锅炉炉内脱硫自动控制过程中，首先在DCS分散控制系统中搭建炉内脱硫自动控制回路来实现炉内脱硫自动控制；所述炉内脱硫自动控制回路包括：加法模块、函数模块、乘法模块、积分器模块、选择块、PID控制器模块；其特征在于，所述炉内脱硫自动控制包括如下步骤：
S1，原烟气SO2浓度测量值
Figure FDA0003636137520000011
与原烟气SO2浓度设定值
Figure FDA0003636137520000012
形成偏差信号，偏差信号经过PID控制器输出得到控制信号a；
S2，原烟气SO2浓度测量值
Figure FDA0003636137520000013
与原烟气SO2浓度设定值
Figure FDA0003636137520000014
形成的偏差信号经过死区函数f1(x)后，输出的信号再经过微分环节处理，乘以比例系数k1后，通过限幅函数f2(x)得到控制子信号b；
S3，脱硫效率、原烟气SO2排放浓度主要与炉内脱硫的钙硫摩尔比即Ca/S比有关，给煤量指令uB经过Ca/S比转换函数f3(x)后，得到石灰石给料器的基准频率，再乘以煤质校正系数k2得到控制子信号c；
S4，将给煤量指令uB、总风量指令Air、石灰石给料量uc、床温Tb作为原烟气SO2浓度预测模块的输入，该预测模块的输出经过比例转换函数f4(x)得到控制子信号d。将控制子信号a、b、c、d相加得到石灰石给料器频率指令的控制信号。
2.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，原烟气SO2浓度设定值
Figure FDA0003636137520000015
由运行人员根据烟气脱硫设备的SO2处理容量进行设定；由PID控制器控制SO2脱除速率；PID控制器参数采用工程整定方法。
3.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，死区函数f1(x)的死区可设置为-300～+300，超过死区范围，该函数的输出为原烟气SO2浓度测量值与原烟气SO2浓度设定值形成的偏差信号；比例系数k1的取值为1/3～1/2；限幅函数f2(x)的输出范围根据石灰石给料器的运行频率范围进行设定。
4.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，随着CFB锅炉负荷工况的变化，炉内燃烧、脱硫反应氛围发生变化，达到相同脱硫效率下的Ca/S比不同，Ca/S比转换函数f3(x)为给煤量指令的非线性函数；煤质校正系数k2由运行人员根据煤质参数进行设定。
5.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，原烟气SO2浓度预测模块的输入为CFB锅炉的实时运行数据，输出为原烟气SO2质量浓度的实时预测值，比原烟气SO2浓度测量值提前120s以上；比例转换函数f4(x)对函数输出具有限幅作用。
6.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述原烟气SO2浓度测量值
Figure FDA0003636137520000021
即SO2的原始生成速率
Figure FDA0003636137520000022
可认为与给煤量指令成正比，可表示为
Figure FDA0003636137520000023
式中：kar为煤中硫分所释放的比例，取值范围0～1；Sar为煤中含硫量，％；uB为给煤量指令，kg/s；Ms为硫的摩尔质量，g/mol。
7.根据权利要求1所述一种循环流化床锅炉炉内脱硫自动控制方法，其特征在于，所述PID控制器控制SO2脱除速率
Figure FDA0003636137520000024
可表示为
Figure FDA0003636137520000025
Figure FDA0003636137520000026
其中，mCaO是炉内CaO的存量；
Figure FDA0003636137520000027
是脱硫反应速率常数；
Figure FDA0003636137520000028
是炉膛SO2浓度；
Figure FDA0003636137520000029
是石灰石中的CaCO3的质量分数，％；MCaO、
Figure FDA00036361375200000210
分别为CaO与CaCO3的摩尔质量；uc为炉内石灰石给料流率，kg/s；Rloss为CaO的逃逸流率，kg/s。
根据式(1)、(4)，炉膛SO2浓度
Figure FDA00036361375200000211
可表示为
Figure FDA0003636137520000031
其中，V是炉膛体积，m3；kf是烟气流量的比例系数。
因此，CFB锅炉原烟气SO2排放浓度预测值可表示为
Figure FDA0003636137520000032
其中，kc是SO2摩尔浓度与质量浓度之间的转换系数。
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