文_陳曉雷 毛國(guó)明 高峰 吳長(zhǎng)生 謝勇

1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司 2.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠

燃煤電廠脫硫吸收塔煙氣反應(yīng)是一個(gè)大滯后、慢動(dòng)態(tài)的典型化工過(guò)程，鍋爐負(fù)荷及煙氣量、煤質(zhì)中硫份、煙氣溫度、煙塵濃度、吸收劑品質(zhì)等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，需要實(shí)時(shí)給出精準(zhǔn)的供漿量，過(guò)低容易造成排放口SO2濃度超標(biāo)，過(guò)高則導(dǎo)致物料成本上升，這給脫硫供漿控制系統(tǒng)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

常規(guī)供漿系統(tǒng)是基于pH 值的PID 控制，它以吸收塔漿液pH 值與預(yù)設(shè)目標(biāo)值之間的偏差進(jìn)行固定比例P、積分I 和微分D 的策略調(diào)整。此方式被廣泛應(yīng)用并沿襲至今，但pH值的測(cè)量帶有較為明顯的滯后和失真特性，將嚴(yán)重限制控制效果。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了多種燃煤電廠脫硫優(yōu)化控制研究。一些電廠通過(guò)濕法煙氣脫硫吸收塔漿液和石膏工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家電投集團(tuán)河南電力在某百萬(wàn)機(jī)組的濕法煙氣脫硫石灰石供漿控制器上，以排放口SO2濃度為被控量，通過(guò)改進(jìn)的串級(jí)前饋反饋控制策略，實(shí)現(xiàn)了石灰石供漿的最優(yōu)化控制。該試驗(yàn)研究雖然取得了一些成果，但主要還是基于PID 優(yōu)化加預(yù)測(cè)控制補(bǔ)償?shù)姆绞?，缺乏?duì)脫硫工況特性的深入挖掘，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)閉環(huán)控制。

本文提出了新型脫硫供漿智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用人工智能技術(shù)，從影響煙氣SO2脫除的各種工況歷史數(shù)據(jù)中找尋本質(zhì)關(guān)聯(lián)，將傳統(tǒng)pH 值控制的機(jī)理穩(wěn)定性和排放口SO2濃度控制的實(shí)時(shí)安全性進(jìn)行有效結(jié)合，成功在玉環(huán)電廠應(yīng)用并取得良好的節(jié)能控制效果。通過(guò)投運(yùn)前、后運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以有效解決脫硫工藝存在的大滯后和慢動(dòng)態(tài)時(shí)變特性，避免了因PID 供漿調(diào)節(jié)造成的排放口SO2濃度大幅波動(dòng)或手動(dòng)供漿造成的人力、能源和物料的浪費(fèi)，具備良好的實(shí)用價(jià)值。

1 脫硫工藝簡(jiǎn)介

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），二氧化硫排放濃度不能大于35mg/Nm3，是重要的環(huán)?？己酥笜?biāo)之一。國(guó)內(nèi)燃煤電廠脫硫工藝以濕法為主，市場(chǎng)占有率達(dá)到80%以上。它主要采用石灰石-石膏法，通過(guò)公共的石灰石制粉系統(tǒng)制成石灰石漿液，通過(guò)供漿系統(tǒng)將其輸送到吸收塔，在吸收塔內(nèi)通過(guò)噴淋霧化使其與煙氣接觸，從而達(dá)到脫硫的目的。供漿系統(tǒng)具有漿液調(diào)節(jié)閥，控制流入吸收塔的漿液流量大小，最終控制吸收塔pH 值和脫硫效率。

2 脫硫供漿智能控制系統(tǒng)

2.1 原理概述

本文所述系統(tǒng)，針對(duì)濕法脫硫工藝的復(fù)雜性，特別是大機(jī)組大容量大滯后的特點(diǎn)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方案。以排放口SO2濃度為控制指標(biāo)，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)、pH 值、物料平衡等動(dòng)態(tài)參數(shù)的深入分析，建立持續(xù)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)控制模型，實(shí)現(xiàn)脫硫漿液量自動(dòng)控制，降低能源、物料的消耗。

2.2 技術(shù)路線

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

為了實(shí)現(xiàn)脫硫智能供漿，達(dá)成排放口SO2濃度的閉環(huán)控制，系統(tǒng)必須具有與DCS 實(shí)現(xiàn)雙向、安全的通信功能。DCS 系統(tǒng)在空閑卡槽插入LC通訊卡，增加RS485 轉(zhuǎn)換232 雙向通訊器與人工智能服務(wù)器通訊。DCS 組態(tài)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，采用MODBUS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通訊協(xié)議。通過(guò)Ocation DCS 控制器LC 卡→RS485轉(zhuǎn)232 通訊雙向轉(zhuǎn)換器與人工智能服務(wù)器通訊，進(jìn)而完成模型訓(xùn)練和推理。

2.2.2 模型建立與接入

本文所論述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能控制系統(tǒng)，包括了基于長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制模型和基于短歷史數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型。它以海量工況數(shù)據(jù)下排放口SO2濃度與漿液量的關(guān)聯(lián)特性為依據(jù)，構(gòu)建主控制模型，并結(jié)合分鐘級(jí)時(shí)間序列的鍋爐負(fù)荷等關(guān)鍵指標(biāo)變化，進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制補(bǔ)償。通過(guò)工藝和數(shù)據(jù)特性的深度融合，解決脫硫工藝存在的非線性、滯后性和緩慢時(shí)變性，具有良好的魯棒性。

（1）基于長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制模型

數(shù)據(jù)質(zhì)量決定了模型能力上限，但脫硫存在較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。由于脫硫的存漿特性，使得溶液罐已有溶液的酸堿成分嚴(yán)重干擾新漿液見(jiàn)效的實(shí)時(shí)性和正確性。具體來(lái)說(shuō)，前一時(shí)段供給的漿液大于煙氣SO2脫除的量，多余漿液就遺留在溶液罐中，后續(xù)即便供給少量漿液或直接不供給，短期煙氣SO2也會(huì)被遺留在溶液罐中的漿液脫除；反之問(wèn)題同樣存在?；谏鲜龉に囂匦?，相當(dāng)一部分歷史工況數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的排放口SO2濃度和漿液量無(wú)法形成有效關(guān)聯(lián)性，致使傳統(tǒng)建模方案不盡人意。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文創(chuàng)造性地提出了干擾數(shù)據(jù)識(shí)別方案，以程序判斷調(diào)整漿液后一定時(shí)間窗口的排放口SO2濃度有無(wú)合理反應(yīng)來(lái)定性數(shù)據(jù)質(zhì)量，時(shí)間窗口2 倍于脫硫工藝滯后周期。以5min 為例，增加漿液后5min 排放口SO2濃度從上升狀態(tài)轉(zhuǎn)為平穩(wěn)或下降，或者減小漿液后5min 排放口SO2濃度從下降狀態(tài)變更為平穩(wěn)或上升，即為合理反應(yīng)。否則視為干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，其判定邏輯如下：

接著，以剔除干擾后的高質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取鍋爐負(fù)荷、入口SO2濃度、排放口SO2濃度、入口煙氣量、漿液密度、pH 值指標(biāo)等作為模型輸入，對(duì)應(yīng)的漿液量作為模型輸出，應(yīng)用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BPNN 算法，構(gòu)建不同工況下的細(xì)化分類(lèi)結(jié)果，得到精準(zhǔn)控制主模型g，其數(shù)學(xué)方程式如下：

（2）基于短歷史數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型

為了解決鍋爐負(fù)荷和入口SO2短時(shí)快速升降導(dǎo)致排放口SO2濃度的劇烈波動(dòng)問(wèn)題，控制系統(tǒng)增加了優(yōu)化補(bǔ)償方案，選取分鐘級(jí)時(shí)間窗口的歷史鍋爐負(fù)荷Boiler_load、入口SO2濃度SO2_in、排放口SO2濃度與目標(biāo)設(shè)定值偏差SO2_out_gap 的時(shí)序數(shù)據(jù)作為模型輸入，真實(shí)漿液量與主模型g 輸出的預(yù)測(cè)漿液量偏差SL_gap 作為模型輸出，應(yīng)用動(dòng)態(tài)時(shí)序網(wǎng)絡(luò)RNN 算法，構(gòu)建高變化工況下排放口SO2濃度偏差的漿液量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型q，其數(shù)學(xué)方程式如下：

2.2.3 系統(tǒng)集成

通過(guò)在DCS上配置邏輯組態(tài)，系統(tǒng)輸出的優(yōu)化漿液值即可實(shí)時(shí)下發(fā)到DCS 執(zhí)行單元。為確保系統(tǒng)接入后DCS 系統(tǒng)本身的安全性，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)隔斷和智能服務(wù)器USB 接口禁用等防護(hù)措施。然后通過(guò)在DCS 組態(tài)上設(shè)置接入開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與DCS 之間的雙向無(wú)擾切換，同時(shí)增設(shè)排放口SO2濃度目標(biāo)值的輸入框，方便運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

3 應(yīng)用成效

3.1 系統(tǒng)投入運(yùn)行，輸出最優(yōu)化漿液量

本文所述系統(tǒng)已在實(shí)際投入過(guò)程中達(dá)到了良好的效益。安全性上，系統(tǒng)降低了排放口SO2濃度的波動(dòng)，小時(shí)均值標(biāo)準(zhǔn)方差下降30%以上，鍋爐負(fù)荷段排放口SO2濃度可控制在設(shè)定值±5mg/Nm3，升降負(fù)荷段為±10mg/Nm3；經(jīng)濟(jì)性上，系統(tǒng)可在確保排放口SO2濃度滿足環(huán)?？己艘笙拢瑢?shí)現(xiàn)石灰石消耗量的最小化。

①投入和未投入使用系統(tǒng)，從對(duì)應(yīng)的排放口SO2曲線可以明顯看出，系統(tǒng)可以使排放穩(wěn)定在目標(biāo)設(shè)定值附近。如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)投入前后對(duì)比圖

②鍋爐負(fù)荷快速變化時(shí)段，系統(tǒng)同樣能夠快速應(yīng)對(duì)，排放口SO2濃度始終穩(wěn)定在目標(biāo)設(shè)定值15 附近波動(dòng)，均值為14.31mg/Nm3，標(biāo)準(zhǔn)方差為2.04，比投運(yùn)前的標(biāo)準(zhǔn)方差下降30%以上。如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)投入效果圖

3.2 優(yōu)化漿液泵循環(huán)組合，降低設(shè)備電耗

通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，在合理的時(shí)機(jī)推薦最優(yōu)漿液循環(huán)泵組合，在吸收塔pH 值和環(huán)保指標(biāo)在合理范圍的情況下，盡可能降低設(shè)備電耗。

3.3 降低運(yùn)行工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守

通過(guò)關(guān)鍵指標(biāo)可視化和高亮顯示，實(shí)時(shí)展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為操作人員提供準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。良好的控制品質(zhì)實(shí)現(xiàn)了較大程度的機(jī)器代人，減輕了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)降低人員數(shù)量。

3.4 系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

本文采集了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，自2019 年10～11 月之間的二十多萬(wàn)條數(shù)據(jù)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)投運(yùn)后相較于投運(yùn)前，脫除每公斤SO2的石灰石量減少0.12kg。如表1 所示。

表1 DPMA與DFT算法的性能比較

4 結(jié)論與建議

隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，常規(guī)的控制系統(tǒng)無(wú)法滿足機(jī)組脫硫裝置的排放口SO2閉環(huán)控制需求。如何實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝以及除塵系統(tǒng)安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，是具有實(shí)際意義的課題。

脫硫智能供漿控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際接入DCS 脫硫控制一區(qū)，運(yùn)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了排放口SO2的高效閉環(huán)控制，既確保了排放達(dá)標(biāo)，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，同時(shí)大大降低運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是一次有意義的探索。系統(tǒng)采用的技術(shù)通用性強(qiáng)，同樣適用于國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的脫硫系統(tǒng)優(yōu)化建設(shè)，具有良好的復(fù)制性。

人工智能還支持關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷和節(jié)能優(yōu)化，結(jié)合優(yōu)化控制將形成覆蓋電廠脫硫全過(guò)程的智慧管控平臺(tái)，促進(jìn)信息、設(shè)備和人力資源的開(kāi)發(fā)利用，最終實(shí)現(xiàn)電廠安全、高效、綠色、低碳的發(fā)電。