孫豐鳴

摘 要：氨法脫硫是目前燃煤電廠煙氣脫硫工藝中的一種常見工藝，由于其副產(chǎn)物硫酸銨作為肥料有廣闊的市場需求，使其成為一種符合循環(huán)經(jīng)濟要求的綠色環(huán)保技術(shù)。通過介紹了氨法脫硫的工藝流程，探討了目前自動控制方案存在的問題，提出了一種基于串級、引入前饋的氨法脫硫自動控制的優(yōu)化方案，有效解決了氨法脫硫自動平穩(wěn)控制的問題技術(shù)瓶頸。

關(guān)鍵詞：氨法脫硫;串級控制回路;前饋控制

氨法脫硫做為一種符合循環(huán)經(jīng)濟要求的綠色環(huán)保技術(shù)，由于其脫硫效率高、具備一定的脫硝功能及 SO2 的可資源化，逐步被人們所關(guān)注及研究。但其在工業(yè)化應(yīng)用過程中，卻存在一些工藝技術(shù)難題，成為困擾氨法脫硫技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。[1]

其中，部分氨法脫硫裝置的自動控制回路由于投入后無法平穩(wěn)運行，導(dǎo)致長期運行在手動操作狀態(tài)。既影響裝置的自動化水平，又由于手動控制的不精細導(dǎo)致無法穩(wěn)定達標或者浪費脫硫劑。

1 氨法脫硫工藝流程

氨法脫硫技術(shù)以水溶液中的 NH3 和 SO2 的反應(yīng)為基礎(chǔ)，在多功能煙氣脫硫塔的吸收段氨水將鍋爐煙氣中的SO2吸收，得到脫硫中間產(chǎn)品亞硫酸銨或亞硫酸氫銨的水溶液;在脫硫塔的氧化段，鼓入壓縮空氣進行亞硫銨的氧化反應(yīng)，將亞硫酸銨直接氧化成硫酸銨溶液。在脫硫塔的濃縮段，利用高溫?zé)煔獾臒崃繉⒘蜾@溶液濃縮，得到一定固含量的硫銨漿液，漿液經(jīng)旋流器、離心分離、干燥等工序，得到硫銨產(chǎn)品。[2]

通常氨法脫硫工藝使用液氨作為脫硫劑，液氨通過調(diào)節(jié)閥控制進入加氨室與吸收液混合，通過循環(huán)泵進入吸收段通過噴淋與煙氣接觸，吸收鍋爐煙氣中的SO2。

氨法脫硫塔內(nèi)SO2 的吸收是一個復(fù)雜的氣液傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程，脫硫效率主要取決于氣液傳質(zhì)速率、氣液傳質(zhì)面積、氣液接觸時間、反應(yīng)溫度、吸收液組份及 pH 值高低[3 -5]。其中，氣液傳質(zhì)面積、氣液傳質(zhì)速率、氣液接觸時間的影響因素主要包括液氣比、噴淋層高度及層數(shù)、噴嘴型式及數(shù)量、噴嘴布置及霧化、煙氣流速等。[3]

2氨法脫硫自動控制回路的儀表

氨法脫硫效果的指標通常使用設(shè)置在煙囪出口的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System以下簡稱CEMS）進行檢測，分析儀表取得SO2以及煙塵的含量，計量單位通常為mg/Nm3。目前應(yīng)用較廣的為基于紅外光譜測量法的SIEMENS的ULTRMAT23系列分析儀，由于CEMS分析儀對使用環(huán)境要求較高，通常需要遠離煙道口設(shè)置獨立的分析小屋，脫硫塔出口凈煙氣需要通過采樣探頭抽取后，通過采樣管路輸送至分析小屋內(nèi)，通過兩次冷凝脫水、多級過濾后進入分析儀進行檢測。CEMS采樣管路通常長達20米以上。

調(diào)節(jié)閥通常選用直通單座調(diào)節(jié)閥，口徑為DN32，等百分比流量特性。

液氨流量的測量通常使用質(zhì)量流量計，測量精度較高，不需要進行溫度壓力補償即可得到液氨的質(zhì)量流量，有利于物料消耗的精確統(tǒng)計。

3氨法脫硫控制對象的特點

工藝實踐表明，氨法脫硫控制對象存在大時間常數(shù)、大純滯后、反應(yīng)非線性、系統(tǒng)時變性、控制品質(zhì)要求高等問題，這些問題對系統(tǒng)自動控制帶來了不理因素。

大時間常數(shù)：通過實踐計算，整個脫硫塔系統(tǒng)的時間常數(shù)通常在10-15分鐘系統(tǒng)左右，脫硫塔系統(tǒng)內(nèi)吸收液總?cè)萘客ǔＴ?00噸以上，而液氨加入量通常0.5T/H左右。

大純滯后：液氨經(jīng)調(diào)節(jié)閥加入加氨室與吸收液混合并被泵送到吸收段進行反應(yīng)通常需要5-10分鐘，測量采用CEMS分析儀，由于取樣管路長度產(chǎn)生的測量延遲通常在20秒以上。

反應(yīng)非線性：實踐表明吸收液中氨的濃度與脫硫效率存在嚴重的非線性。高效且經(jīng)濟的脫硫劑濃度僅有極小范圍。脫硫劑濃度過大將導(dǎo)致“過脫”：出口SO2濃度長時間接近于0，脫硫劑濃度過低脫硫效率急劇降低，導(dǎo)致脫硫塔出口SO2濃度無法達到工藝要求造成排放超標。

系統(tǒng)特性時變性：隨著連續(xù)運行時間增加脫硫塔吸收段噴淋層噴嘴會逐漸結(jié)垢堵塞導(dǎo)致吸收液循環(huán)量減小、噴淋層部分噴嘴脫落導(dǎo)致噴淋“雨幕”分部不均、循環(huán)泵葉輪磨損導(dǎo)致出力變化，以及吸收液固含量變化等都直接影響著系統(tǒng)的特性。

多參數(shù)耦合性：出口SO2含量與煙塵含量存在耦合關(guān)系，快速大量的加入液氨雖然可以提高脫硫效率，但是將導(dǎo)致煙塵排放超標。液氨的加入必須平滑穩(wěn)定。

控制品質(zhì)要求高：目前的環(huán)保法規(guī)要求的脫硫塔出口SO2排放限值為35mg/Nm3，而脫硫塔入口的SO2含量通常在1000-3000mg/Nm3左右，這導(dǎo)致必須時刻將脫硫效率控制在98%-99%左右才能滿足排放標準。同時環(huán)保部門對排放的要求已經(jīng)由日均值不超標提高到小時均值不超標，未來可能要求任何時間點不允許超標，這就要求系統(tǒng)超調(diào)量必須要小，調(diào)節(jié)時間必須要短。

4氨法脫硫控制回路方案的優(yōu)化

氨法脫硫控制回路特性復(fù)雜，與常規(guī)的液位、溫度、壓力等控制回路有很大區(qū)別。某廠氨法脫硫裝置改造后使用常規(guī)單回路PID控制方案，以出口SO2含量為被調(diào)量，控制器通過控制加氨調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)液氨流量。裝置改造投運后初期，氨法脫硫自動控制回路投入后經(jīng)常無法穩(wěn)定運行，或者超調(diào)量過大影響工藝平穩(wěn)，這導(dǎo)致工藝不敢投入自動，控制回路長期運行在手動狀態(tài)。這樣一方面增加了工藝人員的操作量，另一方面容易造成過脫或者超標，影響了經(jīng)濟效益以及社會效益。

經(jīng)過對控制回路參數(shù)進行了多輪整定，發(fā)現(xiàn)控制回路參數(shù)對不同工況適應(yīng)能力差，往往參數(shù)整定結(jié)束后一小段時間能夠穩(wěn)定運行，隔幾日工況變化時又無法穩(wěn)定運行。

我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)的單回路PID控制無法滿足氨法脫硫自動控制的要求。主要原因為控制回路受到如下幾個因素的影響：1.由于多套脫硫裝置公用一條液氨母管，造成液氨母管壓力不穩(wěn)定進而影響到液氨流量的穩(wěn)定，加氨流量波動造成的擾動單回路PID無法消除，嚴重干擾了自動回路的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。2.系統(tǒng)時間常數(shù)大，純滯后大，控制回路對脫硫塔入口SO2含量的變化響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)時間太長。

針對以上幾個干擾因素，設(shè)計了引入前饋的串級控制回路方案。串級控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由兩個串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的目的在于通過設(shè)置副變量來提高對主變量的控制質(zhì)量，由于副回路的存在，系統(tǒng)對進入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對主變量的影響，同時串級控制回路系統(tǒng)對負荷改變時有一定的自適應(yīng)能力。我們引入串級控制系統(tǒng)改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。

前饋控制系統(tǒng)是一種開環(huán)的，直接按擾動對輸出進行補償?shù)目刂品椒?。串級控制是通過測量干擾的變化并經(jīng)控制器的控制作用直接克服干擾對被控變量的影響，使被控變量不受干擾或少受干擾的影響的控制方式組成的控制系統(tǒng)。單純的前饋由于是開環(huán)的，只能對系統(tǒng)的某一種擾動進行補償，必須與反饋控制相結(jié)合才能發(fā)揮最大的作用。引入前饋可以提高控制回路對脫硫塔入口SO2含量變化以及鍋爐負荷變化引起的煙氣流量變化等擾動的響應(yīng)速度，做到超前調(diào)節(jié)，提高控制品質(zhì)。

整個前饋-串級控制回路的主回路為定值控制系統(tǒng)，被調(diào)量為出口SO2濃度，副回路為隨動控制系統(tǒng)，被調(diào)量為液氨流量，副回路通過控制調(diào)節(jié)閥的開度控制液氨流量，主回路引入脫硫塔入口SO2含量和鍋爐負荷作為前饋。

目前常用的SIEMENS的ULTRMAT23分析儀，為了保證測量精度以及取樣管路的通暢，儀表會周期性的進行自動校驗以及測量管路吹掃，自動校驗以及測量管路吹掃進行時，分析儀會使用壓縮空氣對取樣管路進行多輪吹掃，吹掃結(jié)束后吸入空氣進行儀表的零點自動校準，然后典型的校驗和吹掃周期為3小時，時間通常為10-15分鐘。為了防止產(chǎn)生虛假信號，分析儀通常被設(shè)定為校驗及吹掃期間輸出信號一直保持在最后一個測量值，無法反映這期間脫硫塔出口SO2含量的實際情況，主控制回路處于失控狀態(tài)。由于為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，前饋系數(shù)通常設(shè)定的較小，如果校驗期間脫硫塔入口SO2含量以及鍋爐負荷的變化導(dǎo)致出口SO2產(chǎn)生較大波動，單純前饋無法補償由此帶來的影響，脫硫塔出口SO2含量將產(chǎn)生大幅度的波動，所以校驗過程中控制回路無法對系統(tǒng)進行有效控制，甚至校驗結(jié)束后控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)被打破無法有效控制。為此，在引入脫硫塔入口SO2含量和鍋爐負荷的乘積作為前饋的同時，同時引入了CEMS分析儀校驗信號，同時針對分析儀校驗時與正常運行時設(shè)定了不同的前饋系數(shù)，分析儀校驗時前饋系數(shù)進行了適當?shù)脑龃?，增強了前饋的控制作用。當CEMS分析儀校驗時，串級主回路切換到開環(huán)跟蹤狀態(tài)，跟蹤副回路的液氨流量，此時完全由前饋作用來控制副回路的液氨流量設(shè)定值，補償由于脫硫塔入口SO2含量以及鍋爐負荷變化對回路造成的影響。

同時實踐發(fā)現(xiàn)CEMS分析儀校驗結(jié)束后通常測量信號會產(chǎn)生較大階躍，影響控制回路的穩(wěn)定。為此，對CEMS分析儀的校驗結(jié)束后的信號進行了一階滯后處理，滯后時間15s。

由于反應(yīng)效率的非線性，當工況快速變化時，“過脫”現(xiàn)象不可避免的發(fā)生，“過脫”發(fā)生時，出口SO2濃度接近于零，此時由于主回路的積分作用，液氨流量會逐漸減少到零，如果不加干預(yù)，當吸收液中氨濃度慢慢消耗到低于高效反應(yīng)濃度時，反應(yīng)效率會急劇下降，造成脫硫效率下降，SO2排放超標。為此，對液氨流量設(shè)定了下限。提取了過去半年正常運行中氨流量、脫硫塔入口SO2含量、鍋爐負荷的歷史數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行了二元線性回歸分析，統(tǒng)計出了一定脫硫塔入口SO2含量、鍋爐負荷以及液氨的需求量M0的關(guān)系，并以M0乘以系數(shù)k做為最低加氨量，k初始值為0.8，隨時間線性遞減，30分鐘后k達到最低值0.3。由于設(shè)定了最低加氨量，保證系統(tǒng)在“過脫”時，也能夠緩慢的補充液氨脫硫劑，使在系統(tǒng)內(nèi)脫硫劑濃度在一段時間內(nèi)回到最佳反應(yīng)濃度，保證系統(tǒng)的安全達標。避免系統(tǒng)由于非線性產(chǎn)生的快速震蕩。

下圖為氨法脫硫自動控制回路的前饋-串級控制邏輯圖：

通過對控制回路的參數(shù)的不斷調(diào)試優(yōu)化，目前自動控制回路已經(jīng)能夠穩(wěn)定投入。自控回路的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等指標均能滿足工藝指標要求。

下圖為某日自動投入后出口SO2的變化趨勢（2小時）

結(jié)語：

氨法脫硫由于其高效率、產(chǎn)物符合循環(huán)經(jīng)濟的要求有著廣闊的應(yīng)用前景。針對氨法脫硫自動控制運行中存在的問題，從工藝過程及設(shè)備角度分析其機理，選擇合適的控制方案，針對發(fā)現(xiàn)的問題制定改進措施，并調(diào)試驗證，完全可以穩(wěn)定的投入自動運行，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)，進而提高裝置的自動化水平以及經(jīng)濟技術(shù)指標。

參考文獻

[1] 徐長香. 江南氨回收法煙氣脫硫技術(shù)[C] . 中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué) 術(shù)年會優(yōu)秀論文集（下卷），2006：101 -106.

[2] 徐長香，傅國光. 氨法煙氣脫硫技術(shù)綜述[J] . 電力環(huán)境保護，2005，21（2）：40 -41，51.

[3] 張學(xué)森.電力科技與環(huán)保. 2014年02期