CN117258494A - 实时调控氧化风机的脱硫氧化系统及混合模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
实时调控氧化风机的脱硫氧化系统及混合模型构建方法，属于石灰石‑石膏湿法烟气脱硫技术领域。本发明解决了现有湿法脱硫技术难以保证在机组复杂工况条件下的吸收塔氧化风供应量最优的问题。本发明的吸收塔上设置有氧化风机，氧化风机与控制中心建立连接，控制中心嵌入有氧化风机调控系统，混合模型构建方法集成于氧化风机调控系统中实现对氧化风机的实时调控，吸收塔还通过监测机构与控制中心建立连接。本发明的实时调控氧化风机的脱硫氧化系统及混合模型构建方法通过比较脱硫装置氧化过程模型预测结果与现场实测亚硫酸盐的变化值来判断模型是否有效，从而构建出优化的脱硫氧化系统混合模型，使其满足优化调控的需要。
Description
技术领域
本发明属于石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术领域，特别涉及实时调控氧化风机工作频率脱硫氧化系统及构建方法。
背景技术
SO2是燃煤电厂排放的主要大气污染物之一。为了限制SO2的排放，多数燃煤电厂安装了烟气脱硫装置。其中，带有强制氧化系统的石灰石-石膏湿法脱硫装置由于吸收剂价格低、SO2脱除效率高等特点，成为了最常用的烟气脱硫装置之一。氧化系统是石灰石石膏法湿法脱硫(Wet Flue Gas Desulfurization,WFGD)装置重要的子系统之一，其主要的作用是将浆液中的四价硫及时氧化为硫酸盐。氧化不充分不仅会造成浆液致盲，影响脱硫效率，还会降低脱硫石膏的品质，甚至还有可能导致循环泵等关键设备结垢，影响脱硫系统的安全运行。
因此，在湿法脱硫装置的设计过程中，氧化系统通常根据锅炉满负荷运行时的烟气参数进行设计。然而，目前我国燃煤电站锅炉WFGD系统的氧化风机基本没有运行调节手段，燃煤机组燃用煤的含硫量常低于设计含硫量，且经常处于低负荷工作状态，此时氧化风机仍运行在额定功率会造成较大的能量浪费，具有较大的节能潜力。
针对上述问题，授权公告号为CN207187485U的中国专利公开了一种湿法烟气脱硫氧化风机节能系统，其包括吸收塔、氧化空气单元以及节能控制单元，吸收塔包括侧下部的原烟气入口、顶部的净烟气出口以及吸收塔内部由上而下依次设置的除雾器、喷淋层和浆液池；氧化空气单元包括氧化风机、氧化空气风门、氧化空气管、氧化空气分配管以及氧化空气喷嘴；节能控制单元包括SO2当量计算模块、pH值测量模块、DO值测量模块、COD值测量模块以及节能控制模块，节能控制模块通过调节氧化风机的变频器和/或氧化空气风门的开度来调整进入浆液池的氧化空气量。上述已公开的专利虽然从结果表明都能有效降低氧化风机运行能耗，但仅通过SO2当量以及浆液的pH值、DO值和COD值对氧化风机进行调控，并未对吸收塔的自然氧化与强制氧化过程机理进行精确建模，这难以保证在机组复杂工况条件下的吸收塔氧化风供应量最优。
因此，本申请提出实时调控氧化风机的脱硫氧化系统及混合模型构建方法用以解决上述问题。
发明内容
本发明研发目的是为了解决现有湿法脱硫技术难以保证在机组复杂工况条件下的吸收塔氧化风供应量最优的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
方案一：脱硫氧化系统混合模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：基于SO2的强制氧化和自然氧化过程机理，构建脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型，基于脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型计算自然氧化率和氧化风利用率；
步骤1.1：基于脱硫氧化系统中的O2浓度入口SO2浓度/>烟气流量Vf、循环泵流量Va、自然氧化过程增强因子Zn、液滴半径Rr、液体流量Vl及自然氧化区槽高度Bn，构建自然氧化过程模型，计算公式为：
其中，S1为自然氧化率；
步骤1.2：基于空气流量Qa、浆液pHω、浆液密度ρ、浆液液位高度h、强制氧化过程增强因子Zf、气泡初始时刻半径Rb,0及强制氧化区高度Bf，构建强制氧化过程模型，计算公式为：
S2＝f2(Qa,ω,ρ,h,Zf,Rb,0,Bf)
其中，S2为氧化风利用率；
步骤2.1：构建单位时间内被吸收的硫Xab的计算公式为：
其中，Δt为时间段，为脱硫效率，设/>为1，/>为SO2的分子量；
步骤2.2：构建单位时间被氧化的硫XS的计算公式为：
其中，为空气中O2的摩尔分数，vm为气体的摩尔体积；
步骤2.3：基于单位时间内被吸收的硫和单位时间被氧化的硫的计算公式，构建单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，计算公式为：
其中，为单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，A为浆料槽截面积，h为浆料槽内料浆液高度；
步骤2.4：将步骤2.1和步骤2.2的计算公式带入步骤2.3的计算公式中，得到脱硫氧化系统模型的计算公式为：
步骤3.1：对步骤2得到的脱硫氧化系统模型设置修正参数，得到脱硫氧化系统混合模型的计算公式为：
其中，Y1为第一修正参数，Y2为第二修正参数；
步骤3.2：利用历史运行数据对步骤3.1设置的脱硫氧化系统混合模型的关键参数进行辨识与修正，在机组正常运行过程中定时采集脱硫塔底部的石灰浆液样品，计算不同时刻四价硫浓度的差值，然后基于测量到的四价硫浓度的差值，利用粒子群算法辨识得到脱硫氧化系统混合模型的关键参数Zn、Zf、Rr、Rb,0、Y1、Y2；
步骤4：湿法脱硫过程中，基于步骤3得到的脱硫氧化系统混合模型对脱硫氧化系统中的氧化风机进行优化调控。
进一步的，所述步骤4的具体为：
当湿法脱硫过程采用的氧化风机为变频驱动时，基于步骤3修正后的脱硫氧化系统混合模型的关键参数，计算亚硫酸盐所需的最小氧化空气量，并以最小氧化空气量作为最优氧化风量，调节氧化风机的工作频率，对氧化风机进行优化调控；
最小氧化空气量的计算公式为：
其中，Qa为氧化空气流量。
方案二：实时调控氧化风机工作频率脱硫氧化系统，包括吸收塔、控制中心、氧化风机和监测机构，吸收塔上设置有氧化风机，氧化风机与控制中心建立连接，控制中心嵌入有氧化风机调控系统，方案一所述的一种脱硫氧化系统混合模型构建方法集成于氧化风机调控系统中实现对氧化风机的实时调控，吸收塔还通过监测机构与控制中心建立连接。
进一步的，所述监测机构包括第一在线监测器、第二在线监测器、第三在线监测器和出口浓度监测器，吸收塔通过第三在线监测器与控制中心连接，吸收塔上设置有原烟气进口、净烟气出口和循环泵，原烟气进口通过第一在线监测器与控制中心连接，循环泵通过第二在线监测器与控制中心连接，净烟气出口通过出口浓度监测器与控制中心连接。
进一步的，所述氧化风机包括氧气浓度测试仪、空气流量计和变频控制模块，氧气浓度测试仪用于监测氧气浓度，空气流量计用于监测空气流量，变频控制模块用于控制氧化风机的频率。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的脱硫氧化系统混合模型构建方法采用均方根误差来衡量模型的可靠性，即采取现场试验数据分析的方式，通过比较脱硫装置氧化过程模型预测结果与现场实测亚硫酸盐的变化值来判断模型是否有效，从而构建出优化的脱硫氧化系统混合模型，使其满足优化调控的需要；
2.本发明的实时调控氧化风机的脱硫氧化系统通过设置的第一在线监测器、第二在线监测器、第三在线监测器和出口浓度监测器，配合控制中心对自然氧化和强制氧化过程进行精确建模，实现氧化风机风量的实时连续优化调控，保证在机组复杂工况条件下的吸收塔氧化风供应量最优，最终实现节能降耗的目的。
附图说明
图1是实时调控氧化风机的脱硫氧化系统示意图；
图2是实时调控氧化风机的脱硫氧化装置氧化风机调控原理图；
图3是实测数据与模型预测数据对比结果示意图；
图4是经模型计算得到的最优氧化风需求量示意图；
图5是不同负荷下氧化空气优化流量及优化前后能耗对比图。
图中：1-吸收塔，11-原烟气进口，12-净烟气出口，21-循环泵，3-控制中心，41-第一在线监测器，42-第二在线监测器，43-第三在线监测器，44-出口浓度监测器，5-氧化风机，511-氧气浓度测试仪，512-空气流量计，513-变频控制模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1，结合图1-图5说明本实施例，本实施例的脱硫氧化系统混合模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：基于SO2的强制氧化和自然氧化过程机理，构建脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型，基于脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型计算自然氧化率和氧化风利用率；
步骤1.1：基于脱硫氧化系统中的O2浓度入口SO2浓度/>烟气流量Vf、循环泵流量Va、自然氧化过程增强因子Zn、液滴半径Rr、液体流量Vl及自然氧化区槽高度Bn，构建自然氧化过程模型，计算公式为：
其中，S1为自然氧化率；
步骤1.2：基于空气流量Qa、浆液pHω、浆液密度ρ、浆液液位高度h、强制氧化过程增强因子Zf、气泡初始时刻半径Rb,0及强制氧化区高度Bf，构建强制氧化过程模型，计算公式为：
S2＝f2(Qa,ω,ρ,h,Zf,Rb,0,Bf)
其中，S2为氧化风利用率；
步骤2.1：构建单位时间内被吸收的硫Xab的计算公式为：
其中，Δt为时间段，为脱硫效率，设ηSO2为1，/>为SO2的分子量；
步骤2.2：构建单位时间被氧化的硫XS的计算公式为：
其中，为空气中O2的摩尔分数，vm为气体的摩尔体积；
步骤2.3：基于单位时间内被吸收的硫和单位时间被氧化的硫的计算公式，构建单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，计算公式为：
其中，为单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，A为浆料槽截面积，h为浆料槽内料浆液高度；
步骤2.4：将步骤2.1和步骤2.2的计算公式带入步骤2.3的计算公式中，得到脱硫氧化系统模型的计算公式为：
步骤3.1：对步骤2得到的脱硫氧化系统模型设置修正参数，得到脱硫氧化系统混合模型的计算公式为：
其中，Y1为第一修正参数，Y2为第二修正参数；
步骤3.2：利用历史运行数据对步骤3.1设置的脱硫氧化系统混合模型的关键参数进行辨识与修正，在机组正常运行过程中定时采集脱硫塔底部的石灰浆液样品，计算不同时刻四价硫浓度的差值，然后基于测量到的四价硫浓度的差值，利用粒子群算法辨识得到脱硫氧化系统混合模型的关键参数Zn、Zf、Rr、Rb,0、Y1、Y2；
步骤4：湿法脱硫过程中，基于步骤3得到的脱硫氧化系统混合模型对脱硫氧化系统中的氧化风机5进行优化调控，当湿法脱硫过程采用的氧化风机为变频驱动时，基于步骤3修正后的脱硫氧化系统混合模型的关键参数，计算亚硫酸盐所需的最小氧化空气量，并以最小氧化空气量作为最优氧化风量，调节氧化风机的工作频率，对氧化风机进行优化调控；
最小氧化空气量的计算公式为：
其中，Qa为氧化空气流量。
步骤3中优化的脱硫氧化系统混合模型的计算公式中，除去不可测量的参数外，其余参数均可通过电厂监控信息系统获得。为确保优化的脱硫氧化系统混合模型的有效性和准确性采用粒子群寻优算法，利用历史运行数据对关键参数进行辨识和修正，关键参数包括自然氧化过程增强因子、强制氧化过程增强因子、液滴半径、气泡初始时刻的半径及修正参数，采用均方根误差(RMSE)来衡量模型的可靠性，即采取现场试验数据分析的方式，通过比较脱硫装置氧化过程模型预测结果与现场实测亚硫酸盐的变化值来判断模型是否有效，从而构建出优化的脱硫氧化系统混合模型，使其满足优化调控的需要。
具体方法如下：
在某1000MW机组正常运行过程中定时采集其脱硫塔底部的石灰浆液样品，并测量浆液样品中的四价硫浓度，计算不同时刻四价硫浓度的差值。其中，浆液中的四价硫浓度利用万通905Titrando滴定仪采用碘量法测量，取10ml浆液，加入10ml0.2mol/m3的滴定用碘分析液与10ml 1:1的盐酸，加入75ml的水后置于阴暗处充分搅拌并反应10分钟。反应结束后，用0.1mol/m3的滴定用硫代硫酸钠分析液进行滴定，并使用氧化还原电极为依据判定滴定终点。测量结果用于计算模型参数，共进行20次试验后，可以得到详细的参数，不可测量参数通过粒子群算法得到，如表1所示；现场实测数据与模型预测数据对比结果如图3所示，采用均方根误差(RMSE)来衡量模型的可靠性，经计算模型预测值的RMSE为0.149mol/m3，说明该模型能准确描述脱硫装置内的氧化过程。
表1关键参数
基于所建立的脱硫氧化系统混合模型，在上述1000mw机组的脱硫系统中两台氧化风机上建立了实时优化系统，两台氧化风机通过可变频调节。
以最小氧化空气量为依据调节氧化风机的工作频率，具体方式为：以最小氧化空气量作为最优氧化风量反馈给智能控制系统，优化控制氧化风机实时频率达到降耗目的。
对优化系统长期运行进行了现场测试，以机组负荷波动较大的16h运行数据为例，分析优化系统的有效性，经模型计算得到的最优氧化风需求量如图4所示。
实际上，在优化系统应用之前，两台氧化风机的运行只是简单地分为两种模式，一是在高负荷(>850MW)下，氧化风机A和B的频率分别为85Hz和76Hz。二是在中低负荷(<850MW)下，氧化风机A和B的频率略微降低到75Hz和65Hz，此种运行方式造成极大的能耗。经优化系统运行后，不同负荷下氧化空气优化流量及优化前后能耗对比如图5所示，优化后的氧化风机在中、低负荷时的平均频率降低了50％，氧化风机A和B的能耗分别降低了23.7％和29.6％。
实施例2，结合图1-图2说明本实施例，本实施例的实时调控氧化风机的脱硫氧化系统，包括吸收塔1、控制中心3、氧化风机5和监测机构，吸收塔1上设置有氧化风机5，氧化风机5与控制中心3建立连接，控制中心3嵌入有氧化风机调控系统，权利要求1所述的一种脱硫氧化系统混合模型构建方法集成于氧化风机调控系统中实现对氧化风机5的实时调控，吸收塔1还通过监测机构与控制中心3建立连接。
所述原烟气进口11通过第一在线监测器41与控制中心3建立连接，循环泵21通过第二在线监测器42与控制中心3建立连接，吸收塔1通过第三在线监测器43与控制中心3建立连接，净烟气出口12通过出口浓度监测器44与控制中心3建立连接。第一在线监测器41用于监测原烟气进口11处原烟气中SO2的浓度和烟气流量，第二在线监测器42用于监测循环泵21的流量，第三在线监测器43用于监测浆液槽13内的pH值以及浆液槽13内浆液密度、浆液中四价硫浓度以及浆液液面高度，出口浓度监测器44用于监测净烟气出口12处净烟气中的SO2的浓度。第一在线监测器41、第二在线监测器42、第三在线监测器43、出口浓度监测仪器44、氧气浓度测试仪511、空气流量计512和变频控制模块513均与控制中心3通信连接。
本实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.脱硫氧化系统混合模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于SO2的强制氧化和自然氧化过程机理，构建脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型，基于脱硫氧化系统的自然氧化过程模型与强制氧化过程模型计算自然氧化率和氧化风利用率；
步骤1.1：基于脱硫氧化系统中的O2浓度入口SO2浓度/>烟气流量Vf、循环泵流量Va、自然氧化过程增强因子Zn、液滴半径Rr、液体流量Vl及自然氧化区槽高度Bn，构建自然氧化过程模型，计算公式为：
其中，S1为自然氧化率；
步骤1.2：基于空气流量Qa、浆液pHω、浆液密度ρ、浆液液位高度h、强制氧化过程增强因子Zf、气泡初始时刻半径Rb,0及强制氧化区高度Bf，构建强制氧化过程模型，计算公式为：
S2＝f2(Qa,ω,ρ,h,Zf,Rb,0,Bf)
其中，S2为氧化风利用率；
步骤2.1：构建单位时间内被吸收的硫Xab的计算公式为：
其中，Δt为时间段，为脱硫效率，设/>为1，/>为SO2的分子量；
步骤2.2：构建单位时间被氧化的硫XS的计算公式为：
其中，为空气中O2的摩尔分数，vm为气体的摩尔体积；
步骤2.3：基于单位时间内被吸收的硫和单位时间被氧化的硫的计算公式，构建单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，计算公式为：
其中，为单位时间内浆液中的亚硫酸盐的物质的量浓度的变化量，A为浆料槽截面积，h为浆料槽内料浆液高度；
步骤2.4：将步骤2.1和步骤2.2的计算公式带入步骤2.3的计算公式中，得到脱硫氧化系统模型的计算公式为：
步骤3.1：对步骤2得到的脱硫氧化系统模型设置修正参数，得到脱硫氧化系统混合模型的计算公式为：
其中，Y1为第一修正参数，Y2为第二修正参数；
步骤3.2：利用历史运行数据对步骤3.1设置的脱硫氧化系统混合模型的关键参数进行辨识与修正，在机组正常运行过程中定时采集脱硫塔底部的石灰浆液样品，计算不同时刻四价硫浓度的差值，然后基于测量到的四价硫浓度的差值，利用粒子群算法辨识得到脱硫氧化系统混合模型的关键参数Zn、Zf、Rr、Rb,0、Y1、Y2；
步骤4：湿法脱硫过程中，基于步骤3得到的脱硫氧化系统混合模型对脱硫氧化系统中的氧化风机(5)进行优化调控。
2.根据权利要求1所述的脱硫氧化系统混合模型构建方法，其特征在于，所述步骤4的具体为：
当湿法脱硫过程采用的氧化风机为变频驱动时，基于步骤3修正后的脱硫氧化系统混合模型的关键参数，计算亚硫酸盐所需的最小氧化空气量，并以最小氧化空气量作为最优氧化风量，调节氧化风机的工作频率，对氧化风机进行优化调控；
最小氧化空气量的计算公式为：
其中，Qa为氧化空气流量。
3.实时调控氧化风机的脱硫氧化系统，其特征在于：包括吸收塔(1)、控制中心(3)、氧化风机(5)和监测机构，吸收塔(1)上设置有氧化风机(5)，氧化风机(5)与控制中心(3)建立连接，控制中心(3)嵌入有氧化风机调控系统，权利要求1所述的一种脱硫氧化系统混合模型构建方法集成于氧化风机调控系统中实现对氧化风机(5)的实时调控，吸收塔(1)还通过监测机构与控制中心(3)建立连接。
4.根据权利要求3所述的实时调控氧化风机的脱硫氧化系统，其特征在于：所述监测机构包括第一在线监测器(41)、第二在线监测器(42)、第三在线监测器(43)和出口浓度监测器(44)，吸收塔(1)通过第三在线监测器(43)与控制中心(3)连接，吸收塔(1)上设置有原烟气进口(11)、净烟气出口(12)和循环泵(21)，原烟气进口(11)通过第一在线监测器(41)与控制中心(3)连接，循环泵(12)通过第二在线监测器(42)与控制中心(3)连接，净烟气出口(12)通过出口浓度监测器(44)与控制中心(3)连接。
5.根据权利要求4所述的实时调控氧化风机的脱硫氧化系统，其特征在于：所述氧化风机(5)包括氧气浓度测试仪(511)、空气流量计(512)和变频控制模块(513)，氧气浓度测试仪(511)用于监测氧气浓度，空气流量计(512)用于监测空气流量，变频控制模块(513)用于控制氧化风机(5)的频率。
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