方 健

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司銅冠冶化分公司，安徽銅陵 244100）

0 引言

經(jīng)過多年運(yùn)行和不斷的技術(shù)改造，當(dāng)前的球團(tuán)脫硫裝備系統(tǒng)運(yùn)行效率逐步提高，穩(wěn)定性也有所提升，但是運(yùn)行成本居高不下，每年運(yùn)行成本數(shù)千萬元。脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要包括蒸汽消耗、堿液消耗、胺液消耗、水、電費用及一般維修費用，其中蒸汽費用約占50%，堿液約占20%、胺液成本約占10%，其他水電、維修費用約為10%。

脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本的幾個關(guān)鍵因素互相呈負(fù)相關(guān)性。如果煙氣中SO2的含量一定，胺液的吸收能力則由胺液的循環(huán)量、pH 值和濃度決定：pH 較高則可以降低胺液循環(huán)量，從而可以降低解析塔解析效果，最終體現(xiàn)為蒸汽消耗的降低。同時，胺液吸收SO2的能力提高，則進(jìn)入堿液吸收塔的SO2濃度降低，從而可以降低堿液吸收塔堿液的消耗。

目前以上系統(tǒng)因素的變動，導(dǎo)致工藝控制的變動操作，由崗位工人進(jìn)行調(diào)整存在一定的不穩(wěn)定性且波動較大。如果引入數(shù)據(jù)聯(lián)動計算控制系統(tǒng)，就可以及時有效地進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

1 技術(shù)方法

1.1 廣義預(yù)測控制

工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)控制技術(shù)是模型預(yù)測控制，即通過模型預(yù)測、滾動優(yōu)化、反饋校正實現(xiàn)高質(zhì)量的控制，國外已有DMC、IDCOM 等產(chǎn)品。中科大先研院（即中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院）在研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，獨立開發(fā)的廣義預(yù)測控制（GPC，Generalized Predictive Control）技術(shù)，已經(jīng)在石化裝置、工業(yè)鍋爐、造紙機(jī)、飛船內(nèi)環(huán)境模擬試驗艙、應(yīng)急生保系統(tǒng)試驗艙等許多項目中成功應(yīng)用，獲得了控制精度高、控制量變化柔和等令人滿意的成果。

廣義預(yù)測控制采用的模型為

其中，A（q-1）=a0+a1q-1+...+anaq-1，B（q-1）=b0+b1q-1+...+bnbq-1，Δ為差分算子，Δ=-q-1。

設(shè)t 時刻被控量設(shè)定值為SP，實際跟蹤的是柔化后的設(shè)定值wt：

廣義預(yù)測控制的目的是極小化下述二次型目標(biāo)函數(shù)：

y^為對輸出的最優(yōu)預(yù)測，代價函數(shù)化為

1.2 卡邊優(yōu)化控制

先進(jìn)控制是優(yōu)化的前提，只有實現(xiàn)了高精度的控制才能稱之為優(yōu)化（圖1）。先進(jìn)控制把控制參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值，而優(yōu)化則往往是把設(shè)定值調(diào)到期望值，先進(jìn)控制則為優(yōu)化提供了更大的調(diào)整空間。

圖1 先進(jìn)控制與優(yōu)化的關(guān)系

這樣，“預(yù)測控制”+“卡邊原理”就組合成為卡邊優(yōu)化。國外很多先進(jìn)控制公司推行的優(yōu)化控制多數(shù)是基于這一原理。預(yù)測控制可以提高控制精度，然后把設(shè)定值向著更有利于提高生產(chǎn)效率的方向調(diào)整，控制精度提的越高則可以保證運(yùn)行曲線距離安全的優(yōu)化邊界越近，則意味著更多的卡邊優(yōu)化效益（圖1）。

1.3 技術(shù)途徑簡述

（1）采用預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)解吸塔的溫度精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

（2）采使用預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)再生胺吸收塔的出口pH 值（或相應(yīng)的SO2濃度），利用卡邊優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)再生胺吸收塔進(jìn)出口pH 值（或相應(yīng)的SO2濃度）節(jié)約循環(huán)胺量的控制，實現(xiàn)降耗和減排目標(biāo)。

（3）采用預(yù)測控制技術(shù)實現(xiàn)二吸塔噴淋堿液的pH 值，利用卡邊優(yōu)化技術(shù)穩(wěn)定最終排放SO2，實現(xiàn)減少堿液消耗的目標(biāo)。

2 控制方法描述

2.1 廣義預(yù)測控制

脫硫工段的解吸塔，是分離系統(tǒng)溶液中SO2的設(shè)備，解吸（蒸出）的SO2被送至后續(xù)工段繼續(xù)加工。

為維持解吸溫度，需要持續(xù)使用蒸汽給解吸塔加熱，使用塔內(nèi)溫度“TT103”作為監(jiān)控解吸塔溫度的測點，要求溫度控制在110～115 ℃。低溫蒸汽自管網(wǎng)來，通過閥門“FV104”進(jìn)行調(diào)節(jié)，蒸汽流量可以通過“FT104”進(jìn)行觀測。目前塔內(nèi)溫度沒有設(shè)置自動控制回路，操作員通過手工調(diào)整“FV104”來進(jìn)行控制。主要存在以下兩個問題：①控制精度不高，溫度波動較大，溫度超過工藝要求之后會導(dǎo)致加熱蒸汽的浪費；②升降溫度期間容易超溫較多或者升溫較慢，一定程度上影響生產(chǎn)、浪費蒸汽。

（1）溫度控制方法設(shè)計。設(shè)置“FV104”控制“TT103”的溫度預(yù)測控制回路，使用一個GPC 預(yù)測控制器實現(xiàn)對塔內(nèi)溫度的精確控制（圖2）。同時，可以采用徑流溶液的流量和溫度作為前饋，加入到控制系統(tǒng)中，更好地適應(yīng)工況波動。預(yù)計控制精度可以達(dá)到設(shè)定值±1 ℃。

圖2 溫度預(yù)測控制原理

（2）實施需要具備的條件：①具備解吸塔溫度檢測測點；②解吸塔蒸汽調(diào)節(jié)閥門已經(jīng)蒸汽流量監(jiān)測。

2.2 循環(huán)量自動控制

脫硫工段設(shè)備“解吸塔”是用來把系統(tǒng)溶液中的SO2分離的設(shè)備，解吸（蒸出）的SO2送至后續(xù)工段繼續(xù)加工。

單純實現(xiàn)上文中描述的解吸塔溫度自動控制，只關(guān)注了單一的解吸塔單元，而沒有考慮整體的工藝流程，因此帶來的節(jié)能效果有限。下面將從整個流程來考慮是否有可以節(jié)能的空間。工藝流程大致分為3 種物料循環(huán)：

（1）煙氣循環(huán)：攜帶SO2的煙氣（濃度高）→胺吸收塔吸收SO2→煙氣排放至聯(lián)合脫硝（濃度低）。

（2）胺循環(huán)：胺吸收塔吸收SO2（pH 值升高）→換熱器加熱（升溫）→解吸塔釋放SO2（pH 值降低）→循環(huán)泵（變頻）循環(huán)。

（3）SO2循環(huán)：SO2至后續(xù)工段。

簡而言之，就是煙氣帶來SO2，胺攜帶SO2進(jìn)行循環(huán)，解吸塔釋放胺攜帶的SO2?？梢钥闯觯?dāng)煙氣中的SO2總量變化，循環(huán)中的胺也需要變化才是比較經(jīng)濟(jì)的做法，但是現(xiàn)在循環(huán)胺的量是手動控制的且很少做調(diào)整，因此這個方面就有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益可以挖掘。

2.3 控制方案論證

方案1：最理想化的方案，如果處理的煙氣能夠測量流量以及SO2濃度，那么就可以計算出煙氣攜帶的SO2總量，從而調(diào)整循環(huán)胺的量來適應(yīng)煙氣，這是比較直觀的方案。但是現(xiàn)場目前沒有相應(yīng)的煙氣測點，因此可以留待后續(xù)加裝測點之后再作討論。

因此,對不同開關(guān)狀態(tài)(S1和S2,S3和S4,S5和S6)分別注入脈沖信號,當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時,分別由二極管D4和D5,D1和D6,D3和D2進(jìn)行續(xù)流。兩種開關(guān)組合開通和續(xù)流時的電路和端電壓示意圖分別如圖5和圖6所示。

方案2：可以根據(jù)現(xiàn)場目前已有的胺pH 值測點來代替方案1 中的測點。通過AT2101（胺吸收塔出口胺pH 值）來調(diào)整系統(tǒng)胺循環(huán)量，例如：AT2101 降低（SO2總量增多）→增加胺循環(huán)量；AT2101 升高（SO2總量減少）→減少胺循環(huán)量；通過AT2101 不同工作點測試→尋找最經(jīng)濟(jì)的pH 值控制點。

設(shè)計方案2 的串級預(yù)測控制器（圖3）：以胺吸收塔出口胺的pH 值作為控制對象，通過胺循環(huán)量作為控制手段（副回路為胺循環(huán)量回路），達(dá)到自動適應(yīng)煙氣中的SO2總量、胺循環(huán)最低的控制目的。

圖3 方案2 串級預(yù)測控制器原理

2.4 煙氣脫硫自動控制

煙氣脫硫的工藝，是通過堿性溶液來噴淋含SO2的煙氣、中和煙氣中的SO2，從而實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放目標(biāo)。噴淋的堿液是循環(huán)噴淋的，溶液的pH 值可以在線測定，加堿量通過幾臺手動泵來完成，有流量累計，目前通過操作人員人工操作進(jìn)行加堿。為達(dá)標(biāo)排放，當(dāng)溶液pH 值降低之后，為中和煙氣中的SO2就需要提高堿液的pH 值。

當(dāng)前控制存在以下問題：

（1）手工加堿液，導(dǎo)致溶液pH 值波動較大，操作人員為了排放不超標(biāo)會多加堿液，但會導(dǎo)致因排放超低形成堿液的浪費。

（2）沒有根據(jù)煙氣流量和SO2含量的控制預(yù)判，可能導(dǎo)致突然的煙氣量增加以及SO2含量增加而排放超標(biāo)。

（3）由于操作人員的操作技能存在差別，技術(shù)水平較高的操作人員能較好地控制目標(biāo)值，反之則存在問題。

（4）無排放SO2測點反饋，無堿泵變頻控制，控制系統(tǒng)無法閉環(huán)。

2.5 排放控制原理

首先要完善系統(tǒng)中的測點和控制點，SO2排放測點需要引入到控制系統(tǒng)中，同時堿泵需要有調(diào)節(jié)手段，之后再實現(xiàn)以下的自動控制：

（1）系統(tǒng)中存在3 個關(guān)鍵點，分別是SO2排放濃度、噴淋液pH 值和加堿泵，因此采用串級的預(yù)測控制回路將它們串聯(lián)起來進(jìn)行控制。

（2）外回路控制SO2排放濃度，控制輸出需要的噴淋液pH值，內(nèi)回路通過加堿計量泵的變頻來控制加堿量從而控制pH值到需要的位置，最終實現(xiàn)排放精確控制的目標(biāo)。

（3）考慮到煙氣流量和入口SO2含量，可以在線計算出絕對SO2排放質(zhì)量作為控制前饋增加到控制系統(tǒng)（圖4）。

圖4 SO2 排放控制原理

這里有一個非常關(guān)鍵的要點，就是循環(huán)噴淋應(yīng)偏酸性，才能實現(xiàn)減少堿液投入的目的。如果循環(huán)噴淋液偏堿性，所有煙氣中吸收的SO2均會被中和，這對降低排放有益但是無益于減少堿液消耗。只有在循環(huán)液偏酸性的時候，才能控制從煙氣中吸收SO2的量，達(dá)到排放達(dá)標(biāo)和節(jié)省堿液的雙重目的。所以，必須要實現(xiàn)精確的預(yù)測控制才能達(dá)到這一要求。

3 結(jié)論

（1）實現(xiàn)解吸塔溫度預(yù)測控制，提高控制精度到設(shè)定值±1.5 ℃。

（2）實現(xiàn)一吸塔出口SO2含量的自動控制，在胺循環(huán)量可調(diào)的情況下完成以下目標(biāo)：SO2控制精度達(dá)到儀表測量精度1 倍（含）以內(nèi)；降低胺溶液循環(huán)量約3%（比上一年度全年平均噸硫蒸汽消耗量降低4%）。

（3）實現(xiàn)二吸塔吸收液pH 的預(yù)測控制，達(dá)到控制精度設(shè)定值±1。

（4）通過調(diào)整pH 值控制煙氣排放口的SO2和NOx（配合工藝完成），實現(xiàn)超低排放的目標(biāo)。