CN202803100U - 一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器。该控制器包括：第一测量模块与第一微处理器、第二微处理器连接，用于测量进入吸收塔的SO₂的质量流量；第二测量模块与第二微处理器连接，用于测量吸收塔内石灰石浆液的pH值；第一微处理器与第三微处理器连接，用于确定供浆流量理论值；第二微处理器与减法器连接，用于确定pH初值；减法器与第三微处理器连接，用于将pH初值与石灰石浆液的pH值相减获得供浆流量修正值；第三微处理器用于根据供浆流量修正值修正供浆流量理论值后的结果控制石灰石浆液的实际供浆流量。本申请实施例实现了pH值控制的完全自动化。

Description

一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器

技术领域

本申请涉及脱硫烟气净化技术领域，特别涉及一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器。 

背景技术

SO₂气体是一种污染物，为避免污染环境，对于可能排放包含SO₂气体的工业过程（比如，燃煤火电厂的工业发电过程），通常需要进行脱硫操作。参见图1，该图示出了常见的石灰石-石膏湿脱硫法的吸收塔系统。基于该吸收塔系统的脱硫过程是：未经脱硫的烟气由吸收塔10下部的入风口11吸入，吸入的烟气与供给到吸收塔内的石灰石浆液15逆流接触，生成半水熟石膏（CaSO₃·1/2H₂O），熟石膏与吸入空气中的氧气发生化学反应，生成二水生石膏（CaSO₄·2H₂O），从而达到去除烟气中SO₂的目的，经过净化后的已脱硫烟气通过吸收塔10上部的出风口12排除。在上述脱硫过程中，在保证经济效益的情况下，为确保达到预定的脱硫效率，需要将吸收塔内的石灰石浆液的pH值控制在一定的范围内，该过程通过分析处理pH值测量装置14测得的pH值和石灰石浆液调节装置13调节供浆流量实现。 

目前，吸收塔内石灰石浆液pH值控制通常采用串联控制回路实现。该串联控制回路主要包括pH值控制主回路和石灰石浆液流量控制副回路两部分。利用该串联控制回路实现pH值控制的过程为：测量未经脱硫烟气的总风量和烟气SO₂浓度，计算出SO₂质量流量，利用该质量流量获得向吸收塔提供石灰石浆液的供浆流量理论值；设定一个pH初值，在对当前吸收塔内石灰石浆液的pH值测量后，将pH初值和测定值输入第一PID控制器，通过该控制器获得向吸收塔提供石灰石浆液的供浆流量修正值；根据供浆流量修正值对供浆流量理论值进行修正，将修正后获得的供浆流量值输入第二PID控制器，由该控制器根据该值控制石灰石浆液供浆调节阀，从而使吸收塔内的石灰石浆液的pH值保持在满足预设效率要求的合理范围之内。 

上述脱硫系统浆液pH值控制回路简单、易于实现。但是，该控制回路主要适用于排放SO₂气体的工业机组负荷和燃料含硫量固定的情况。当工业机组负荷和燃料含硫量发生变化时，进入脱硫系统的烟气总风量及SO₂浓度随之发生变化，引起SO₂质量流量改变，为达到预设脱硫效率，必须相应修改设定的pH初值。这种因工业机组负荷和燃料含硫量变化而改变pH初值设定的方式，增加了监视工序，使pH值控制过程不能实现完全自动化，降低了脱硫系统浆液pH值控制的效率。此外，工业机组负荷和燃料含硫量发生变化时，pH初值设定通常依据人的经验，随意性较大，降低了脱硫系统浆液pH值控制的准确度。 

实用新型内容

有鉴于现有技术存在的问题，本申请实施例提供了一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器，以解决pH值控制回路不能实现完全自动化的问题。 

本申请实施例提供的脱硫系统石灰石浆液pH值控制器包括：第一测量模块、第二测量模块、减法器、第一微处理器、第二微处理器和第三微处理器，其中： 

所述第一测量模块与第一微处理器、第二微处理器连接，用于测量进入吸收塔的SO₂的质量流量；所述第二测量模块与减法器连接，用于测量吸收塔内石灰石浆液的pH值； 

所述第一微处理器与第三微处理器连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第一响应函数确定供浆流量理论值；所述第二处理器与减法器连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第二响应函数确定pH初值，所述第二响应函数是在满足预定脱硫效率条件下通过对进入吸收塔的SO₂的质量流量与吸收塔内石灰石浆液的实际pH值间的映射数据事先拟合而成；所述减法器与第三微处理器连接，用于将所述pH初值与第二测量模块测量的石灰石浆液的pH值相减获得供浆流量修正值； 

所述第三微处理器用于根据供浆流量修正值修正供浆流量理论值后的结果控制石灰石浆液的实际供浆流量。 

优选地，所述第二微处理器包括PID控制模块。 

优选地，所述控制器还包括选择器，用于在第二测量模块测量的吸收塔内石灰石浆液的pH值有多个时从中选择一个pH值输出给所述减法器。 

本申请实施例在第一微处理器确定供浆流量理论值后，第二微处理器通过预先拟合的SO₂质量流量与pH初值之间的第二响应函数确定进入吸收塔的SO₂质量流量对应的pH初值，然后由减法器利用该初值与第二测量模块测量的石灰石浆液得到的pH值得到供浆流量的修正值，第三微处理器根据修正后的供浆流量值调节供浆量。与现有技术相比，本申请实施例的pH初值可根据预先拟合的第二响应函数关系自动得到，即便工业机组负荷和燃料含硫量发生变化，也不再需要人工进行多次设定，从而实现了pH值控制的完全自动化。此外，本申请实施例的pH初值由函数式确定，该函数通过数据拟合得到，避免了人为随意设定引起的不精确性问题，从而提高了整个pH控制的准确度。 

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为石灰石-石膏湿法脱硫系统示意图； 

图2为本申请实施例的脱硫系统浆液PH值控制器的结构框图； 

图3为图2所述实施例的工作流程图； 

图4为图3所述工作流程的SAMA图； 

图5为本申请实施例中确定第一响应函数的流程图； 

图6为一种加法器电路示意图。 

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。 

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面先对石灰石-石膏湿法脱硫系统的原理作简要介绍，再结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。 

石灰石-石膏湿脱硫法是利用石灰石浆液对SO₂气体进行硫化吸收，其化学反应的核心设备是吸收塔（参见图1所示），在该吸收塔内发生的主要化学反应（电离反应）是： 

由上式可知，吸收塔内石灰石浆液的pH值取决于进入吸收塔的烟气的总风量（该总风量由工业机组的负荷决定）、烟气的SO₂浓度（该浓度由工业机组燃料含硫量决定）以及石灰石浆液的浓度等因素。通常情况下，进入吸收塔的烟气的总风量和烟气的SO₂浓度不断变化，吸收塔内石灰石浆液的浓度保持不变。因此，如果吸收塔的烟气的总风量或烟气的SO₂浓度增加，石灰石浆液的pH值将增加，脱硫效率将随之提高，反之亦然。但是，考虑到经济效益问题，脱硫效率也不能过大，需要将石灰石浆液的pH值控制在一定范围内。由上式还可知，在满足预定脱硫效率的情况下，如果需要增加石灰石浆液的pH值的浓度，则应当将第二式的可逆反应逆向进行或不进行，即减少向吸收塔内提供石灰石浆液；如果需要减少石灰石浆液的pH值的浓度，则应当将第二式的可逆反应正向进行，即增加向吸收塔内补充石灰石浆液，以消耗吸收塔内石灰石浆液中的H⁺。如前所述，现有技术中控制pH值控制回路需要不断地对pH进行初值设定。为解决由此带来的一系列问题，本申请实施例提供了一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器。 

参见图2，该图示出了本申请实施例的脱硫系统浆液pH值控制器的组成框图。本实施例包括： 

第一测量模块201、第二测量模块203、减法器204、第一微处理器202、第二微处理器205和第三微处理器206，其中： 

第一测量模块201与第一微处理器202、第二微处理器204连接，用于测量进入吸收塔的SO₂的质量流量；所述第二测量模块与第二微处理器连接，用于测量吸收塔内石灰石浆液的pH值； 

第一微处理器202与第三微处理器206连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第一响应函数确定供浆流量理论值；第二微处理器205与减法器204连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第二响应函数确定pH初值，所述第二响应函数是在满足预定脱硫效率条件下通过对进入吸收塔的SO₂的质量流量与吸收塔内石灰石浆液的实际pH值间的映射数据事先拟合而成；减法器204与第三微处理器206连接，用于将所述pH初值与第二测量模块测量的石灰石浆液的pH值相减获得供浆流量修正值； 

第三微处理器206用于根据供浆流量修正值修正供浆流量理论值后的结果控制石灰石浆液的实际供浆量。 

上述控制器实施例工作原理是：第一测量模块测量进入吸收塔的SO₂的质量流量，第一微处理器根据第一测量模块的测量结果按照第一响应函数确定供浆流量理论值；第二测量模块测量吸收塔内石灰石浆液的pH值，第二微处理器根据第一测量模块测量结果按照第二响应函数确定进入吸收塔的SO₂的质量流量对应的pH初值，获得石灰石浆液pH值和pH初值后，由减法器器将这两者进行减法运算得到供浆流量修正值，第三微处理器用供浆流量修正值修正供浆流量理论值后，根据修正后的结果控制石灰石浆液的实际供浆量。 

本申请实施例在第一微处理器确定供浆流量理论值后，第二微处理器通过预先拟合的SO₂质量流量与pH初值之间的第二响应函数确定进入吸收塔的SO₂质量流量对应的pH初值，然后由减法器利用该初值与第二测量模块测量的石灰石浆液得到的pH值得到供浆流量的修正值，第三微处理器根据修正后的供浆流量值调节供浆量。与现有技术相比，本申请实施例的pH初值可根据预先拟合的第二响应函数关系自动得到，即便工业机组负荷和燃料含硫量发生变化，也不再需要人工进行多次设定，从而实现了pH值控制的完全自动化。此外，本申请实施例的pH初值由函数式确定，该函数通过数据拟合得到，避免了人为随意设定引起的不精确性问题，从而提高了整个pH控制的准确度。 

为更加准确地说明上述实施例的技术方案，下面对该控制器的工作过程进行详细说明。参见图3，该图示出了该控制器的流程图。该流程包括： 

步骤S301：第一测量模块测量进入吸收塔的烟气总风量和烟气中SO₂的 浓度，将总风量和SO₂的浓度相乘得到SO₂的质量流量； 

上述控制器实施例中SO₂的质量流量为进入吸收塔的烟气总风量（Nm³/h）Q与该烟气中SO₂浓度c（mg/Nm³）的乘积。在测定得到烟气总风量和SO₂浓度后即可获得SO₂的质量流量。 

步骤S302：第一微处理器根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第一响应函数确定供浆流量理论值； 

由前述化学反应式可知，向吸收塔提供的石灰石浆液流量与SO₂的质量流量具有同比例关系，因此，第一响应函数即可为一个等值函数，在确定SO₂的质量流量后，即可方便得获得供浆流量理论值。当然，在某些情况下，根据实际需要，吸收塔提供的石灰石浆液流量与SO₂的质量流量之间的第一响应函数可以不具有同比例关系。 

步骤S303：第二微处理器根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第二响应函数确定对应的pH初值； 

步骤S304：第二测量模块测定吸收塔内石灰石浆液当前的pH值； 

在实际工业应用过程中，为了更为准确地获得吸收塔内石灰石浆液pH值，可以对石灰石浆液进行多次测定，将多个测定数据进行平均获得平均值或比较后选择一个作为最终的测定值，这里的多次测定可以是同一时刻对吸收塔石灰石浆液不同位置（比如，石灰石浆液表层和底部）的多次测定，也可以是同一位置在不同时刻（比如，相邻数秒）的多次测定。 

步骤S305：减法器将石灰石浆液pH测定值与pH初值进行减法运算，将运算后的结果作为供浆流量修正值； 

步骤S306：第三微处理器用供浆流量修正值修正供浆流量理论值后，根据修正后的结果控制石灰石浆液的实际供浆量； 

按照前述步骤获得供浆流量修正值和理论值后，可用修正值对理论值进行修正，将修正后的值作为最终值。这里的修正规则可根据实际情况选择，比如，一种较为简单的方式是直接将修正值与理论值进行加减运算，还可以是将修正值作为修正系数对理论值进行修正等。获得供浆流量值后即可根据该供浆流量值控制石灰石浆液的实际供浆量，在具体实现该过程中时，可以直接根据该供浆流量值进行石灰石浆液的供给，该方式通常适用于初次进行 供浆量调节或者间断性进行供浆量调节的情形；也可以先测定现有的供浆流量，通过将测定的实际供浆流量与修正后的供浆流量值进行比较后仅调节增加或减少部分的流量，该方式通常适用于连续进行供浆量调节的情形。 

上述控制器实施例的工作过程可通过SAMA图例进行表示。SAMA图是美国科学仪器制造协会（Scientific Apparatus Maker’s Association）所采用的绘图图例，它易于理解，能清楚第表示系统功能，广为自动控制系统所采用。参见图4，该图中：根据SO₂的质量流量获取供浆流量理论值是通过映射关系标有F(X)的方形图实现；测定的吸收塔内石灰石浆液的当前pH值pH_当前通过两次测定，并由一个选择器（SEL）从两个pH值中选择一个pH值作为最终的测定值；将通过f(x)确定的pH初值与测定的pH_当前输入第一个PID控制器，由该控制器对两者进行比较后得到供浆量修正值，然后将修正值与根据计算得到的供浆流量理论值通过加法处理后得到供浆流量值q_终值。在第二个PID（比例、积分、微分）控制器控制（FX）下完成对进入吸收塔的供浆流量的调节。 

上述控制实施例中提及第二响应函数，即SO₂质量流量与pH初值之间的函数关系，在工业应用过程存在多种具体的确定方式，确定好该响应函数后将其置于第二微处理器中即可。本申请优选如下方式（参见图5，该图示出了一种确定SO₂质量流量与pH初值之间的函数关系方法的流程）： 

步骤S501：记录多组进入吸收塔的SO₂的质量流量数据； 

如前所述，在固定工业机组的锅炉入炉煤含量不变或固定制硫锅炉负荷不变的情况下，SO₂的质量流量数据由进入吸收塔的烟气的总风量和烟气中SO₂的浓度乘积决定，因此，在记录多组SO₂的质量流量数据时可获取该两个数据，通过计算得到。在工业应用过程中，为简化计算和操作，通常将上述两个因素中的一个固定，调节另外一个因素，从而获得SO₂的质量流量数据。由于进入吸收塔的烟气的总风量由工业机组的负荷决定，因此可固定工业机组的负荷，改变工业机组燃料含硫量，达到改变烟气中SO₂浓度的目的；由于进入吸收塔的烟气中SO₂的浓度由工业机组燃料含硫量决定，因此可固定工业机组燃料含硫量，调节工业机组的负荷，达到改变进入吸收塔烟气的总风量。无论采取上述哪种方法，均能实现本实用新型的实用新型目的。 

步骤S502：调节每组数据下吸收塔内石灰石浆液的pH值，使每组数据下脱硫系统的脱硫效率均达到预定效率； 

假设在某一工况i（1≤i≤n）下，进入吸收塔的烟气中SO₂浓度为c_i，烟气总风量为Q_i，在x_i＝Q_i×c_i时，调节吸收塔内石灰石浆液的pH值，使脱硫系统达到所要求的脱硫效率η。这里调节pH值的具体方式可以采用向吸收塔内添加石灰石浆液，也可以直接添加包含H⁺或OH^-的溶液。 

步骤S503：记录每组数据下达到预定脱硫效率后石灰石浆液的pH值; 

当设定的工况下，通过调节吸收塔内石灰石浆液的pH值使脱硫系统达到所要求的脱硫效率η时，记录每组数据对应下吸收塔内石灰石浆液的pH值。在实际工业应用中，脱硫效率由于各种因素的影响可能发生波动，因此，为了保证记录数据的准确性，可在吸收塔内的石灰石浆液的pH值使脱硫效率初次达到预定要求后，继续保持系统稳定运行一定的预设时间，比如半小时以上，然后再记录下每组SO₂的质量流量数据对应的石灰石浆液的实际pH值。在每种工况下记录下多组数据后，形成如下的表格： 

SO₂质量流量与吸收塔内石灰石浆液pH关系数据表 

步骤S504：根据记录的多组SO₂质量流量数据和各组数据对应的石灰石浆液的pH值拟合SO₂质量流量与pH初值之间的函数关系； 

通过前述步骤得到如上表的多组数据后，可采用数据拟合方法拟合出SO₂质量流量与pH初值之间的函数关系。在进行数据拟合时，可根据要求准确度不同，选取拟合的关系式，比如采用一次函数、二项式或高阶多项式等。通常情况下，可选择二项式进行拟合，如下所示： 

y=f(x)=Ax²+Bx+C 

式中：x表示SO₂质量流量数据，y表示pH初值，A、B、C为数据拟合 数据。 

上述确定SO₂质量流量与pH初值之间的函数关系过程中，为了使拟合的数据更佳准确，可预先限定SO₂质量流量的范围，然后在该范围内选择记录的数据。一种确定该区间的方法是查出系统的设计硫分条件下进入脱硫系统的吸收塔的烟气中SO₂浓度的设计值C₀(mg/Nm3)，以及工业机组在最高负荷时的烟气总风量Q_h（Nm3/h）；SO₂的最低浓度值直接取《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）中现有工业锅炉的最高允许排放浓度限值400mg/Nm3，取工业机组在50%负荷下的烟气总风量作为区间下限计算量。由此得到预设下限阀值b与上限阀值a分别为： 

$a=400\×\frac{1}{2}\×Q_h\×{10}^{-6}(\mathrm{kg}/N{m}^3)$

b=C₀×Q_h×10^-6        （kg/Nm³） 

此外，为了使得数据拟合的函数更为准确地反映SO₂质量流量与pH初值之间的真实关系，可扩大数据的样本空间，即记录的SO₂质量流量数据尽可能多，通常情况下，该数据的组数应当大于等于5组。 

值得注意的是：上述实施例中的第二微处理器可以包括PID控制模块。PID控制模块是PID控制器是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的控制器（亦称PID调节器）；上述实施例还可以包括选择器，用于在第二测量模块测量的吸收塔内石灰石浆液的pH值有多个时从中选择一个pH值输出给所述减法器。参见图6，该图示例性给出了一种加法器电路，该电路能够实现对输入e1、e2的运算处理，得到输出结果e0。当需要获得减法器时仅需要对上述电路进行简单处理即可，比如对其中一个输入进行反相输入等。 

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。 

Claims (3)

1.一种脱硫系统石灰石浆液pH值控制器，其特征在于，该控制器包括：第一测量模块、第二测量模块、减法器、第一微处理器、第二微处理器和第三微处理器，其中：

所述第一测量模块与第一微处理器、第二微处理器连接，用于测量进入吸收塔的SO₂的质量流量；所述第二测量模块与减法器连接，用于测量吸收塔内石灰石浆液的pH值；

所述第一微处理器与第三微处理器连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第一响应函数确定供浆流量理论值；所述第二微处理器与减法器连接，用于根据进入吸收塔的SO₂的质量流量按照第二响应函数确定pH初值，所述第二响应函数是在满足预定脱硫效率条件下通过对进入吸收塔的SO₂的质量流量与吸收塔内石灰石浆液的实际pH值间的映射数据事先拟合而成；所述减法器与第三微处理器连接，用于将所述pH初值与第二测量模块测量的石灰石浆液的pH值相减获得供浆流量修正值；

所述第三微处理器用于根据供浆流量修正值修正供浆流量理论值后的结果控制石灰石浆液的实际供浆流量。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第二微处理器包括PID控制模块。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器还包括选择器，用于在第二测量模块测量的吸收塔内石灰石浆液的pH值有多个时从中选择一个pH值输出给所述减法器。 

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