CFB脱硫自动控制系统的优化控制的方法分析
摘要：锅炉烟气污染是工业污染和大气污染的重要因素，如何将尾部烟气含硫量有效而经济地控制在合理范围内是提降低排放成本、高烟气排放品质的一大课题。文章重点分析了CFB锅炉的脱硫机理，从Ca、S比的控制、床温的影响、煤炭硫份影响等多个因素出发，研究并提出一种新的、基于PID参数优化的烟气含硫量自动控制方法，并将其应用在实际工业生产过程中，实现了CFB锅炉烟气含硫量的智能优化控制，取得了良好的效果，解决了国内电站同型锅炉难以解决的瓶颈问题，为CFB锅炉脱硫自动的设计和应用提供了一个崭新的、行之有效的思路。
关键词：CFB；脱硫；自动控制；环境保护
中图分类号：TK31 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）28-0035-03
目前，我国能源以煤炭为主，工业用蒸汽绝大多数由燃煤锅炉生产，而燃煤锅炉运行过程中生成的大量SO2等污染物是造成大气污染的主要因素。控制SO2排放采用的主要方法有煤的洗选、煤的气化液化、FGD尾部烟气脱硫、煤粉炉内喷钙脱硫、CFB循环流化床锅炉床内加石灰石脱硫等。本文针对华能运河电厂一期#3、#4CFB锅炉的脱硫自动控制方法进行系统的研究。
1 CFB锅炉SO2排放机理和影响因素
CFB锅炉的燃料以一定的循环倍率在炉膛内不停燃烧，所以CFB锅炉煤种适应广，可以燃用各种劣质煤，而且在燃烧过程中加入适量石灰石可以与燃烧中的SO2成分进行化学反应，生成CaSO4，起到脱硫作用。影响SO2排放量的因素有很多，除石灰石给料量和粒度控制之外，床温控制、煤硫份、负荷需求的变化导致的给煤量变化均为导致烟气SO2含量变化的要因，因此流化床锅炉烟气含硫量的控制，需保证上述各方面均可受有效控制。
（1）对石灰石给料量和粒度的控制。其实就是保证燃料中的Ca、S比。燃烧阶段，CaO与SO2接触时间很短，即会在石灰石颗粒表面生成一层致密的CaSO4（这是因为CaSO4分子量比CaO大得多），阻止了脱硫反应的进一步进行，所以CaO在脱硫过程中只能部分被利用，因此粒度不宜过大。但如果颗粒直径过小，一旦被烟气携带出燃烧室，不易在旋风分离器中被捕获并返回炉膛，因此容易造成脱硫成本上升，所以大部分石灰石粒径一般控制在0.5mm左右。在粒径合适的基础上，Ca、S比越高，脱硫效率越高。通常保证常压流化床锅炉Ca、S比为1.8～2.5时，脱硫效率可达到90%。但Ca、S比过高便意味着石灰石消耗量增加，这会增加运行成本，因此设计脱硫调节系统，必须在脱硫效率得到保证的前提下，尽量降低Ca、S比。
（2）锅炉的床温控制。为了满足锅炉燃烧效率，在保证炉体不结焦的前提下，床温应控制得尽可能高，而脱硫的最佳温度在850℃左右，一旦超过这一温度，容易导致逆反应速度大大加快，脱硫效率降低，另外也会造成其他排放物（NOx等）的超标。因此在保证主蒸汽压力稳定的前提下，床温可通过调节给煤、一次风量、回料量和一二次风、上下二次风配比来进行综合调节，从而使床温既满足燃烧效率，又能够尽量保证炉内脱硫的效率。
（3）煤硫份含量及给煤量扰动。我厂CFB锅炉主要燃用无烟煤，由于煤源较多，燃料内含硫量变化大且无法有效控制，而CFB锅炉系统自身表现的大惯性和大滞后性，使得采用传统调节手段时，烟气中含硫量一旦产生了波动便无法短时间得到有效控制。另外，负荷变化给煤量随即跟踪变化，这也是燃料硫含量产生变化的原因，因此要求设计的脱硫调节系统自身必须具有较强的抗硫含量扰动的能力，使石灰石给料必须能够迅速、有效跟踪硫份的变化。
2 CFB锅炉脱硫自动控制的设计
下面，对CFB脱硫自动控制的设计做一个详尽阐述：
（1）烟气含硫量在150～300mg/m3正常值波动时：采用比例-积分控制器进行调节。根据工业过程采集得到的实时数据进行分析，得到我厂CFB硫化床锅炉正常工况下脱硫过程传递函数近似为：
本调节系统采用变比例、变积分的控制器。其中，比例系数由当前投入自动的石灰石给料机数量决定。投入自动的给料机越多，系统调节能力越强，为平衡系统调节、防止超调，比例系数应设置得较低；反之，比例系数设置较高。由于进入炉膛的硫份、机组负荷均与给煤量正相关，在PI控制的基础上，以负荷需求为前馈做超前调节，可及时调整石灰石粉供量，提高控制系统稳定性。
（2）当前我市烟气排放标准规定烟气含硫量<400mg/m3，当烟气含硫量高于300mg/m3且继续飞升时，由于系统自有惯性及大滞后作用的存在，导致按原有控制器参数给料已无法令烟气硫量得到有效控制，必须加快调节速度；另外，烟气含硫量在正常值区间内快速飞升，同样必须加快调节速度，迅速提升Ca、S比。本文设计采用增大积分调节增益（Ki=25）的办法来提升脱硫速度，即当硫含量接近超标或快速提高时，依靠一定的积分超调量来加速给料阀指令上升，使调节大幅度加速。为防止因过开旋转给料阀造成石灰石粉堵管，另设置调节闭锁功能，当调节器输出超过一定限值即保持控制器积算不变。如果采用增大比例系数的方式提升给料幅度，会放大给料指令波动幅度，不利于系统的稳定。
（3）当烟气硫量降至150mg/m3以下或者低于设定值50mg/m3时，表明炉膛内Ca、S比已经过高，从脱硫经济性出发，应当快速降低石灰石给料量。仍旧可以采用增大积分调节增益（Ki=25）的方法实现，当硫含量过低时，依靠积分过调来加速指令下降。另外设置调节闭锁，保证最低石灰石粉给料量，有利于稳定排烟含硫量、防止炉内Ca、S比降幅过大导致脱硫反应停滞。
图1为CFB烟气脱硫自动主控制系统组态图。脱硫主控制系统由可变比例积分、带闭锁功能的脱硫PID和脱硫主控操作器组成。它的比例系数由当前投入自动的给料阀数量决定，即投入自动数量越少则比例系数越高，反之投入越多比例系数越低，目的是平衡系统自动投入后给料跟随自动的能力。积分作用由当前烟气含硫量与设定值的偏差量和偏差变化率决定。当满足一定条件（如偏差为正大且偏差变化率为正大时），则积分增益增大为25，加强积分作用，快速增加或减少主控制器指令的输出；否则积分增益为1，系统以正常方式进行调节。调节系统采用与负荷需求相关的函数曲线为前馈量，以提高系统超前响应能力，从而起到及时调节烟气含硫量的目的。脱硫主控制器的输出被分别送到每一台供石灰石旋转给料阀操作器的输入端，可以
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应需求选择一台或多台旋转给料机参与脱硫自动控制。
3 CFB脱硫自动控制系统的应用
下面两图为CFB脱硫系统投入自动后，脱硫主控指令和烟气含硫量的历史曲线。由图2可知，烟气含硫量在150～300mg/m3之间正常波动时，脱硫自动控制器的输出跟随硫含量偏差和负荷曲线动作，如遇硫量信号快速飞升，并超过一定限度时，立刻迅速开启给料阀，实现快速降低烟气含硫量。由图3得知，一旦因燃料硫份变化造成烟气硫量超过300mg/m3，则脱硫主控输出立刻快速提升，加大石灰石投入量，以迅速遏制烟气硫排放量的上涨。当投入自动后，每一台旋转给料机均有指令高限为55%，以防止给料机输出过大造成堵管。当烟气硫量下降到150mg/m3左右、延时1min后，如果硫含量一直得到平稳保持，则主控指令快速下降，以节约石灰石料量，降低运行成本。下降亦存在一个低限，从而保证持续给料，防止供料中断、脱硫反映停滞。
4 结语
笔者从CFB脱硫的原理和规律出发，针对大惯性、长时滞的CFB炉内脱硫特性设计出一种基于变参数-带闭锁条件PID控制的CFB脱硫自控系统，很大程度上克服了传统控制系统的弊端，在实践中取得了良好的效果，提高了烟气排放品质，降低了脱硫成本，降低了运行人员劳动强度，达到了预期的目标，解决了国内同型锅炉难以解决的瓶颈问题，为其他同型锅炉脱硫自动的设计和投入提供了一个行之有效的思路。
参考文献
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作者简介：陈亮，男，华能济宁运河发电有限公司助理工程师，研究方向：火电站热控技术研究及现场应用。
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