佟春海，折建剛

(神華神東電力有限責(zé)任公司郭家灣電廠，陜西 府谷 719408)

0 引言

郭家灣電廠建設(shè)規(guī)模為兩臺(tái)300 MW發(fā)電機(jī)組，鍋爐為國(guó)產(chǎn)首批1 065 t/h亞臨界雙床循環(huán)流化床鍋爐，兩臺(tái)鍋爐均配備爐內(nèi)石灰石脫硫系統(tǒng)，鍋爐燃料為神府煤田低硫煤和煤矸石，因鍋爐結(jié)構(gòu)和燃料的特殊性，其爐內(nèi)脫硫自動(dòng)控制沒(méi)有可參照模型，投產(chǎn)初期脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)投入效一直較差。根據(jù)這一情況，郭家灣電廠熱工專業(yè)對(duì)爐內(nèi)脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化。

1 脫硫工藝介紹及問(wèn)題分析

循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程中爐內(nèi)脫硫最常用的脫硫劑是石灰石，其化學(xué)成分為碳酸鈣(CaCO3)，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)石灰石給料機(jī)和管道將石灰石粉輸送入爐膛內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，脫除燃料燃燒產(chǎn)生的SO2。循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行過(guò)程中爐內(nèi)溫度通常在850～900 ℃，在此溫度下石灰石可充分發(fā)生焙燒反應(yīng)，分解為氧化鈣，氧化鈣與SO2進(jìn)行鹽化反應(yīng)生成CaCO3以固體形式排出達(dá)到脫硫目的。

石灰石碚燒反應(yīng)方程式：

脫硫反應(yīng)方程式：

郭家灣電廠石灰石粉爐內(nèi)脫硫工藝系統(tǒng)由兩套石灰石粉輸送系統(tǒng)組成，一套由二次風(fēng)管將石灰石粉送入爐膛，另外一套由返料腿將石灰石粉送入爐膛，正常運(yùn)行時(shí)兩套系統(tǒng)一用一備，每套輸送系統(tǒng)由下料系統(tǒng)和給料系統(tǒng)兩部分組成。

下料系統(tǒng)由儲(chǔ)料倉(cāng)、收料泵入口閥、收料泵、給料泵入口閥、給料泵等設(shè)備組成。下料工藝流程按以下步驟循環(huán)進(jìn)行：收料泵料位達(dá)低限—開(kāi)啟收料泵入口閥—收料泵料位達(dá)高限—關(guān)閉收料泵入口閥—給料泵料位達(dá)低限—打開(kāi)給料泵入口閥—給料泵料位達(dá)高限—關(guān)閉給料泵入口閥。

給料系統(tǒng)由輸送用壓縮空氣管道、變頻給料機(jī)、石灰石粉輸送管道、給料閥等組成。給料流程為：根據(jù)SO2排放濃度增大或減小變頻給料機(jī)給料量，再通過(guò)壓縮空氣將石灰石粉吹送到爐膛內(nèi)脫硫。

郭家灣電廠石灰石脫硫系統(tǒng)投運(yùn)之初的自動(dòng)控制邏輯采用單回路PID方案，將SO2目標(biāo)值與煙囪入口處SO2濃度值的偏差作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，需要始終投入石灰石粉下料循環(huán)并保證給料機(jī)10 %的最低開(kāi)度才能勉強(qiáng)保證環(huán)保指標(biāo)，有時(shí)也會(huì)造成環(huán)保超標(biāo)，最大的問(wèn)題是灰渣中含有的石灰石過(guò)多，放灰時(shí)遇水產(chǎn)生爆炸，極其危險(xiǎn)，因此這種設(shè)計(jì)不能有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，雖經(jīng)調(diào)試人員多次優(yōu)化和調(diào)整也未能正常投入。由于這種自動(dòng)控制的缺陷，在系統(tǒng)投運(yùn)后一直采用手動(dòng)控制，但由于運(yùn)行人員操作水平和操作及時(shí)性等原因有時(shí)也會(huì)造成環(huán)保超標(biāo)、石灰石浪費(fèi)和炸灰等問(wèn)題。

根據(jù)這一情況，郭家灣電廠對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，重新設(shè)計(jì)了脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯，應(yīng)用后，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種工況且效果良好。

2 脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化

2.1 PID自動(dòng)控制邏輯

每臺(tái)給料機(jī)設(shè)置單獨(dú)的PID自動(dòng)控制回路，兩臺(tái)給料機(jī)邏輯原理相同。采用串級(jí)PID控制，主調(diào)節(jié)器采用固定比例、積分、微分控制，設(shè)置閉增、閉減條件，其輸入信號(hào)為“SO2瞬時(shí)濃度折算值”與“SO2設(shè)定值”之差。副調(diào)節(jié)器采用固定比例、積分控制，設(shè)置閉增、閉減條件，其輸入信號(hào)為“主調(diào)節(jié)器輸出”+“煤量、床溫、氧量基礎(chǔ)值”+“床溫、氧量速率超限時(shí)的預(yù)加值”-“SO2瞬時(shí)濃度折算值快速下降時(shí)的預(yù)減值”-“變頻器頻率反饋值”。由于在副調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)中加入了煤量、床溫、氧量等超前信號(hào)，使得自動(dòng)控制調(diào)節(jié)更加快速。

有下列情況之一時(shí)，為閉增條件(主副調(diào)節(jié)器一致)：

(1) 給料機(jī)運(yùn)行同時(shí)給料泵壓力大于1.6 MPa；

(2) 操作器輸出大于等于給料機(jī)頻率高限的設(shè)定值；

(3) SO2呈下降趨勢(shì)，同時(shí)存在無(wú)床溫、氧量速率超限信號(hào)。

有下列情況之一時(shí)，為閉減條件(主副調(diào)節(jié)器一致)：

(1) 煤量、床溫、氧量基礎(chǔ)值呈上升趨勢(shì)，同時(shí)SO2無(wú)快速下降趨勢(shì)；

(2) 床溫、氧量速率超限；

(3) 操作器輸出小于等于給料機(jī)頻率低限的設(shè)定值。

2.2 超前預(yù)控邏輯

由于燃用低硫煤的循環(huán)流化床鍋爐使用的煤中含硫量較低，且一般情況下循環(huán)流化床鍋爐還要摻燒煤矸石，而煤矸石的無(wú)機(jī)成分中含有CaO，Al2O3，MgO，Na2O等物質(zhì)，這些物質(zhì)本身就是脫硫劑，在鍋爐穩(wěn)定燃燒的工況下即使不投入石灰石粉，SO2也不會(huì)超過(guò)環(huán)保指標(biāo)要求。但當(dāng)鍋爐出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的工況時(shí)，SO2濃度快速上升，如果出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定工況之前沒(méi)有投入石灰石粉，則可能造成環(huán)保超標(biāo)。這對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)難題。

(1) 如果鍋爐運(yùn)行時(shí)石灰石粉一直投入會(huì)造成浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致灰渣中含有未完成化學(xué)反應(yīng)的石灰石，放灰時(shí)遇水后出現(xiàn)炸灰問(wèn)題，但石灰石粉一直投入能保證當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)定SO2快速上升時(shí)及時(shí)加大石灰石粉投入，遏制SO2快速上升趨勢(shì)，保障環(huán)保指標(biāo)。

(2) 如果穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)停止石灰石粉的投入，在鍋爐燃燒不穩(wěn)定SO2快速上升的情況下再投入石灰石粉會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題，一是如果運(yùn)行人員不能及時(shí)投入石灰石粉，就會(huì)造成環(huán)保超標(biāo)。

(3) 即使快速發(fā)現(xiàn)SO2濃度超限就投入石灰石粉，也需要一定的下料時(shí)間和管路輸送時(shí)間，造成延遲，在這種情況下就會(huì)使SO2排放濃度上升到一個(gè)很高的值，造成環(huán)保超標(biāo)。

循環(huán)流化床鍋爐脫硫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中需要鍋爐內(nèi)的熱量(床溫)保持在一定范圍內(nèi)，還需要具有足夠的氧量，當(dāng)床溫在某個(gè)值以上并且快速上升或者氧量在某個(gè)值以下并且快速下降時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后SO2就會(huì)快速上升，根據(jù)這一特性通過(guò)對(duì)床溫和氧量變化的綜合判斷就可以預(yù)測(cè)SO2濃度的變化，從而在SO2濃度上升前提前啟動(dòng)石灰石粉給料系統(tǒng)。根據(jù)以上特性對(duì)自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后在鍋爐燃燒工況穩(wěn)定的情況下可以停止石灰石粉的投入，保證了經(jīng)濟(jì)性。在鍋爐燃燒工況不穩(wěn)定的情況下，根據(jù)鍋爐床溫和氧量的變化提前啟動(dòng)石灰石給料流程，避免了SO2排放濃度超標(biāo)造成的環(huán)保考核，邏輯方案如下。

(1) 當(dāng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件時(shí)，將停止下料循環(huán)：

① SO2瞬時(shí)濃度折算值小于150mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

② SO2當(dāng)前小時(shí)平均值小于150mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

③ 無(wú)啟動(dòng)下料循環(huán)條件存在。

(2) 當(dāng)有以下任一情況時(shí)，啟動(dòng)下料循環(huán)并根據(jù)床溫和氧量速率變化值按比例增加石灰石給料機(jī)開(kāi)度：

① 左側(cè)中部床溫大于920 ℃，并且左側(cè)中部床溫上升速率大于2.5 ℃/min；

② 右側(cè)中部床溫大于920 ℃，并且右側(cè)中部床溫上升速率大于2.5 ℃/min；

③ 前煙道省煤器出口氧量小于1.8 %，并且前煙道省煤器出口氧量下降速率大于每30 s 0.33 %；

④ 后煙道省煤器出口氧量小于1.8 %，并且后煙道省煤器出口氧量下降速率大于每30 s 0.33 %；

⑤ SO2瞬時(shí)濃度折算值大于180mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)，并且SO2當(dāng)前小時(shí)平均值大于180mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)。

2.3 聯(lián)鎖啟動(dòng)備用給料機(jī)邏輯

兩套石灰石粉輸送系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)一用一備，當(dāng)在運(yùn)系統(tǒng)故障或特殊工況下一套系統(tǒng)不能滿足排放要求時(shí)，需要聯(lián)鎖啟動(dòng)另外一套輸送系統(tǒng)，如果靠運(yùn)行人員人工識(shí)別會(huì)造成石灰石浪費(fèi)和環(huán)保超標(biāo)等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)了聯(lián)鎖啟動(dòng)備用輸送系統(tǒng)邏輯，方案如下(以1號(hào)給料機(jī)為例)：

(1) 同時(shí)滿足1號(hào)給料機(jī)聯(lián)鎖按鈕投入，1號(hào)給料泵壓力小于0.1 MPa，SO2瞬時(shí)濃度折算值大于260mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

(2) 同時(shí)滿足1號(hào)給料機(jī)聯(lián)鎖按鈕投入，1號(hào)給料泵壓力小于0.1 MPa，當(dāng)前小時(shí)已過(guò)30min，SO2瞬時(shí)濃度折算值大于140mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況），SO2當(dāng)前小時(shí)平均值大于140mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

(3) 同時(shí)滿足1號(hào)給料機(jī)聯(lián)鎖按鈕投入，1號(hào)給料泵壓力小于0.1 MPa，當(dāng)前小時(shí)已過(guò)45min，SO2當(dāng)前小時(shí)平均值大于170mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

(4) 同時(shí)滿足以下條件：

① 1號(hào)給料機(jī)聯(lián)鎖按鈕投入；

② 1號(hào)給料泵壓力小于0.1MPa；

③ 左側(cè)中部床溫大于900 ℃同時(shí)左側(cè)中部床溫上升速率大于4.2 ℃/min，或右側(cè)中部床溫大于900 ℃同時(shí)右側(cè)中部床溫上升速率大于4.2 ℃/min。

2.4 聯(lián)鎖停止備用給料機(jī)及下料循環(huán)邏輯

(1) 當(dāng)同時(shí)滿足以下4種情況時(shí)，延時(shí)20 s停止1號(hào)給料機(jī)：

① 1號(hào)給料機(jī)聯(lián)鎖按鈕投入；

② SO2瞬時(shí)濃度折算值小于150mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

③ SO2當(dāng)前小時(shí)平均值小于120mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

④ 1號(hào)給料泵壓力小于0.02 MPa。

(2) 當(dāng)同時(shí)滿足以下3種情況時(shí)，停止1號(hào)下料循環(huán)系統(tǒng)：

①SO2瞬時(shí)濃度折算值小于150mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

② SO2當(dāng)前小時(shí)平均值小于150mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)；

③ 無(wú)啟動(dòng)下料循環(huán)條件存在。

這一邏輯能夠在條件滿足的情況下自動(dòng)停止備用給料機(jī)及其所屬的下料循環(huán)系統(tǒng)，減少運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠節(jié)約石灰石的使用。以上邏輯中設(shè)計(jì)“給料泵壓力小于0.02 MPa”是為了識(shí)別給料泵中已無(wú)料，防止給料泵中有存料的情況下停止給料機(jī)造成給料泵中積存的石灰石粉板結(jié)。

2.5 快速減石灰石邏輯

當(dāng)SO2瞬時(shí)濃度上升自動(dòng)控制系統(tǒng)投入石灰石后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間SO2瞬時(shí)濃度值會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)并且一直下降到很低，但當(dāng)SO2濃度瞬時(shí)值剛剛出現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)如果SO2瞬時(shí)濃度值還處在大于目標(biāo)值的狀態(tài)則自動(dòng)控制系統(tǒng)不會(huì)立即減小給料機(jī)的開(kāi)度，只有當(dāng)SO2瞬時(shí)濃度值低于目標(biāo)值后自動(dòng)控制系統(tǒng)才會(huì)減小給料機(jī)的開(kāi)度，勢(shì)必造成石灰石的浪費(fèi)，因此設(shè)計(jì)了快速減石灰石邏輯，方案如下：

(1) 當(dāng)SO2瞬時(shí)濃度折算值呈快速下降趨勢(shì)時(shí)(15 s內(nèi)下降4mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況))，根據(jù)下降速率按比例降低石灰石給料機(jī)開(kāi)度同時(shí)禁止開(kāi)大給料機(jī)、屏蔽閉減條件；

(2) 當(dāng)SO2瞬時(shí)濃度折算值呈快速下降趨勢(shì)時(shí)(15 s內(nèi)下降4mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況))，為了快速降低給料機(jī)轉(zhuǎn)速，將目標(biāo)值置為180mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)，同時(shí)閉增主副調(diào)節(jié)器。當(dāng)下降趨勢(shì)結(jié)束后，恢復(fù)原目標(biāo)值。

2.6 變目標(biāo)值邏輯

在每一個(gè)小時(shí)的第45min時(shí)如果“SO2當(dāng)前小時(shí)平均值”大于180mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)，則按一定比例降低目標(biāo)值。當(dāng)一小時(shí)結(jié)束或“SO2當(dāng)前小時(shí)平均值”小于160mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)時(shí)恢復(fù)原目標(biāo)值。這一設(shè)計(jì)將固定目標(biāo)值調(diào)節(jié)優(yōu)化為自動(dòng)可變目標(biāo)值調(diào)節(jié)，避免了運(yùn)行人員調(diào)整不及時(shí)和系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致的環(huán)保超標(biāo)。

2.7 聲光報(bào)警

當(dāng)發(fā)生以下任意一種異常時(shí)，將及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)行人員注意：

(1) 1號(hào)給料機(jī)聯(lián)啟條件具備但未啟動(dòng)；

(2) 2號(hào)給料機(jī)聯(lián)啟條件具備但未啟動(dòng)；

(3) 1號(hào)給料泵不下料；

(4) 2號(hào)給料泵不下料；

(5) 床溫測(cè)點(diǎn)品質(zhì)變壞；

(6) 氧量測(cè)點(diǎn)品質(zhì)變壞；

(7) 煤量測(cè)點(diǎn)品質(zhì)變壞；

(8) 1號(hào)給料機(jī)由自動(dòng)控制切為手動(dòng)；

(9) 2號(hào)給料機(jī)由自動(dòng)控制切為手動(dòng)；

(10) SO2濃度折算值品質(zhì)壞；

(11) SO2濃度實(shí)時(shí)測(cè)量值品質(zhì)壞；

(12) SO2均值超170mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況)。

3 結(jié)論

燃用低硫煤且摻燒煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)石灰石脫硫系統(tǒng)具有流程長(zhǎng)、大延遲、大慣性、擾動(dòng)因素多、投退石灰石輸送系統(tǒng)頻繁等特點(diǎn)，其自動(dòng)控制需要考慮的因素較多，是值得深入研究的課題。對(duì)此提出用于此類循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案，尤其是超前預(yù)控邏輯、快速減石灰石邏輯、變目標(biāo)值邏輯等方法使自動(dòng)控制品質(zhì)得到了明顯的提升。郭家灣電廠采用以上邏輯對(duì)脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化后，系統(tǒng)在各種工況下均能穩(wěn)定投入自動(dòng)，保障了環(huán)保指標(biāo)，降低了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了石灰石的浪費(fèi)，消除了炸灰隱患，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。