基于变工频混合控制的超临界机组脱硫吸收塔PH控制与优化

华润电力技术研究院有限公司 卫平宝

本文研究了超临界火力发电机组脱硫吸收塔PH值控制策略存在的问题，针对目前火电机组深度配煤掺烧及超低排放的需要，保证机组在各种煤种及负荷工况下，实现超低排放目标，给出了一种变频+工频混合自动控制策略，解决单纯用供浆调节阀控制存在节流损失大，及单纯使用供浆泵变频控制转速在低出力下管道流动性差，易发生管道堵塞等问题，采用PH值变工频混合控制策略可解决以上问题，同时对该策略下的控制系统进行参数优化，提高了吸收塔PH值控制品质。

随着环保日益重视，对火电机组二氧化硫排放的指标越来越严格，为了实现火电机组超低排放，机组进行了超低排放改造，同时需对原有的脱硫效率控制回路进行优化改造，原设计脱硫吸收塔浆液PH值为自动控制系统，采用单回路供浆调节阀控制PH值，该方法控制回路简单，但无法适应现在多煤种深度掺烧的需要，对硫份变化的适应性差，调节精度差，抗干扰能力差，以致于PH值控制滞后、波动大，满足不了超低排放的指标的要求，迫切需要设计一种新的控制策略，已解决现有的问题。

1 变工频PH值控制策略功能设计

原机组设计的脱硫浆液PH值为单回路控制，执行机构为供浆调节阀，自动控制调节阀开度实现对PH值的运行范围的控制，该方式下，回路设计简单明了，但存在如下问题：一是调节阀节流损失大，管道振动大，磨损大；二是低流量时供浆管道流动性差，易管道堵塞；三是PH值控制品质差，波动大；四是未设计前馈回路，无法及时通过升降负荷及吸收塔入口SO2变化实现PID提前调节。对硫份的适应性不好，给检修和运行带来诸多不便，为了适应机组深度配煤掺烧及超低排放的需要，保证机组在各种煤种下实现超低排放目标，本文设计一种660MW机组脱硫吸收塔PH值变工频混合控制系统，由2个子模块组成，即，一个变频控制子模块、一个工频辅助控制子模块，采用变工频混合控制策略以解决上述问题。

采用一种新型脱硫吸收塔PH值变工频混合控制策略逻辑设计，当脱硫吸收塔PH值控制投入自动后，上述2个模块协调动作控制参数，保证机组排放达标运行，其中：对供浆管道流量做最小流量限制，变频泵采用三冲量控制方式，当变频泵输出小于10Hz时，输出保持不再减小频率，以保持管道有适量的流体流过，避免管道浆液长时间不流动而造成管道堵塞，当变频泵频率低于20Hz时，逐渐关小供浆调节阀开度，以提高供浆压力，当变频泵频率高于40Hz时，将供浆调节阀全开，以减少调节阀的节流损失，辅助控制系统采用供浆调节阀工频控制方式，其开度与供浆变频泵频率的对应关系执行试验数据拟合的函数；当调节阀开度小于10%时保持不再减小，防止管道浆液不流动而堵塞。供浆泵变频控制回路增加三个前馈信号，即负荷前馈、吸收塔进口SO2浓度前馈、烟气流量前馈，其数值均以试验数据拟合函数获取，通过前馈控制可提高PH值控制响应速度，提高PH控制品质。变工频混合控制策略逻辑，如图1所示。

图1 吸收塔浆液pH值变工频混合控制逻辑

其中：脱硫吸收塔PH控制主控制器PID（简称主PID）接受PH设定值与PH实际值得偏差，经比例、积分、微分作用及前馈作用形成浆液量需求指令，脱硫吸收塔PH控制副控制器PID（简称副PI）接受主PID指令与实际管道浆液流量做偏差计算，形成最终的供浆泵频率指令，PHFF1为负荷动态前馈，PHFF2为吸收塔原烟气SO2浓度前馈，PHFF3为烟气流量前馈，PHFF为主PID的总前馈信号，关系为：PHFF=0.55×PHFF1+0.25×PHFF2+0.2×PHFF3。副PI设置为快速控制回路，K1p=10.5，K1i=0.28。

图2 变负荷工况下浆液PH值自动控制试验曲线

2 变工频PH值控制参数试验与优化

目前，普遍的做法是对脱硫控制系统进行改造和优化，本文根据设计的新型变工频控制策略，结合现场数据，进行控制参数拟合和试验。

2.1 变频泵频率与供浆泵开度指令的关系

通过大量现场试验数据，获取供浆调节阀开度指令y与变频泵转速（频率）x之间的关系，其拟合函数为：

2.2 主PID前馈PHFF1参数y与机组负荷x的关系

通过现场试验数据，对吸收塔PH值变工频混合控制PID前馈PHFF1参数y与机组负荷的关系进行拟合，其函数为：

2.3 主PID前馈PHFF2参数y与机组负荷x的关系

通过现场试验数据，对吸收塔PH值变工频混合控制PID前馈PHFF2参数y与原烟气中SO2浓度（mg/NM3）的关系进行拟合，其函数为：

2.4 主PID前馈PHFF3参数y与机组负荷x的关系

通过现场试验数据，对吸收塔PH值变工频混合控制PID前馈PHFF3参数y与原烟气量（KM3/H）的关系进行拟合，其函数为：

主控制器PID总的前馈信号PHFF，为脱硫吸收塔PH值变工频混合控制主控制器PID的总前馈信号。

2.5 主PID比例系数Kp与机组负荷的关系

通过参数辨识、自动回路扰动试验，对吸收塔PH值变工频混合控制主控制器PID比例系数Kp值、积分系数Ki值、微分系数Kd值y1、y2、y3分别与机组负荷（MW）x的关系进行拟合，其函数为：

3 吸收塔PH值自动控制扰动试验及效果分析

经过上述变工频混合控制策略改造及控制参数优化，对进行变负荷试验，选取一台600MW超临界火力发电机组进行PH值控制优化后验证效果，试验前，机组负荷460MW运行，吸收塔浆液PH值设定值为5.7，实际值为5.7，试验开始启动，机组负荷由460MW→490MW，升负荷30MW。如图2所示。

从整个试验过程来看，吸收塔浆液PH值5.67～5.76之间变化，最大超调量0.06，最大变化幅度0.09，PH值控制系统表现稳定、精确，使机组在负荷变化过程PH值精确控制在设定值5.7左右变化，且变化幅度不超过1.05%，控制品质显著提高。

结论：通过变工频吸收塔PH值自动控制策略及控制参数优化，采用变频控制供浆泵转速，工频辅助控制供浆调节阀，实现全程自动调节，提高PH值调节品质，本策略采用低流量限制设计，可解决管道浆液流量低造成的管道堵塞，采用变频控制，减少调节阀门节流损失，提高供浆效率，采用工频辅助变频的混合控制系统，可克服单纯的工频控制调节阀、变频调节供浆泵转速两者的缺点，发挥两者的优点，最终实现PH值最优控制。同时，吸收塔PH值控制采用三冲量控制，主PID采用变参数、自适应控制，辅助以前馈控制，副控制器PI采用快速回路，提高调节速度，现实提高PH值控制品质的目的。