目前我國燃煤二氧化硫排放量占二氧化硫排放總量的90％以上，其中火電廠(也稱燃煤電廠)污染物的排放量占全部工業(yè)排放總量的50％左右。成為我國大氣SO2污染的第一大污染源，因此，搞好火電廠的SO2排放對于我國的環(huán)境保護有著重要的意義。
煙氣脫硫的技術(shù)工藝種類很多、各具特點，應用于不同的爐型、場地、原料等條件，脫硫效果及經(jīng)濟費用也有較大差別。主要有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫以及石灰石／石膏濕法脫硫，這里研究基于當前應用最多的石灰石／石膏濕法脫硫方法。
脫硫工藝受到多種過程因素影響，是一個典型的具有復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性的控制系統(tǒng)。在工業(yè)脫硫控制系統(tǒng)中，PID控制算法因其結(jié)構(gòu)簡單、不需要控制系統(tǒng)模型且具有一定的魯棒性而被廣泛采用。但是PID控制算法不能根據(jù)對象特性變化自動修改控制參數(shù)。對時變性、非線性的脫硫控制系統(tǒng)控制效果很難達到最佳狀態(tài)，導致某些場合下SO2的排放不符合標準。近年來，雖有學者研究將神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等智能控制算法應用到脫硫控制系統(tǒng)，但這些算法尚無法在工業(yè)現(xiàn)場應用。
本文在深人分析脫硫控制工藝的基礎上，按照影響脫硫效果的因素將脫硫控制系統(tǒng)分為3個子控制系統(tǒng)。在原有PID控制算法的基礎上，研究將串級控制、前饋控制以及模糊控制應用到脫硫控制子控制系統(tǒng)中。
2 石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝分析
2．1 脫硫系統(tǒng)組成及工藝流程
石灰石／石膏濕法脫硫工藝系統(tǒng)(單臺機組)主要由煙氣系統(tǒng)、吸收氧化系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、脫水及輸送系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、工藝和工業(yè)水系統(tǒng)、雜用和儀用空氣系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)組成。吸收氧化系統(tǒng)是整個脫硫系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)。而吸收塔是脫硫系統(tǒng)的主體設備，是吸收SO2的關鍵場所，所有的吸收反應均在吸收塔內(nèi)完成。
石灰石／石膏濕法煙氣脫硫的基本工藝流程為：鍋爐煙氣經(jīng)過除塵器除塵后，由引風機送入脫硫系統(tǒng)，煙氣由進口煙道進入由增壓風機增壓后，經(jīng)煙氣換熱器(GGH)降溫，進入吸收塔。在吸收塔內(nèi)，煙氣由下向上流動。石灰石漿液由上向下洗滌煙氣，在吸收塔底部，鼓入空氣進行氧化。生成的石膏由石膏漿液泵送入脫水系統(tǒng)，圖1是石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。
2．2 脫硫效率影響參數(shù)分析
影響脫硫效率的參數(shù)有很多，其主要參數(shù)有以下3個：
(1)吸收塔內(nèi)漿液的PH值該值是WFGD(濕法煙氣脫硫)裝置運行最重要的控制參數(shù)之一，是影響脫硫率、氧化率、吸收劑利用率及系統(tǒng)結(jié)垢的主要因素之一。在實際運行中主要通過控制石灰石漿液供給量來控制PH值，一般隨著PH值的增加脫硫效率也增加，但增加到一定程度，脫硫率就幾乎不再增加。因此選擇合適的PH值，對脫硫系統(tǒng)運行至關重要，通常，吸收塔漿池的PH值維持在5．2～6．1之間。
(2)增壓風機入口壓力 來自鍋爐側(cè)的煙氣經(jīng)增壓風機(BUF)增壓，補償煙氣在整個脫硫系統(tǒng)中的壓力損失，是脫硫系統(tǒng)中舉足輕重的設備。進入脫硫系統(tǒng)的煙氣流量通過增壓風機的動葉進行調(diào)節(jié)。其動葉的調(diào)整、控制不僅關系到整個脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時也關系到整個系統(tǒng)是否能運行在低耗能、高效率的最佳工況。
(3)煙氣溫度實際運行過程中，機組負荷變化較頻繁，F(xiàn)GD進口煙溫也會隨之波動，對脫硫率有很大的影響。因此，對煙氣溫度的控制也十分重要。
3 脫硫工藝控制策略研究與仿真
3．1 吸收塔PH值控制
采用普通的PID控制時，由于PH調(diào)節(jié)具有較大滯后特性，控制效果并不理想?？紤]到影響吸收塔PH值的主要因素是煙氣中的硫元素與漿液中鈣元素的摩爾比，因此，這里在脫硫系統(tǒng)中使用串級PID控制。串級控制系統(tǒng)是將兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器設定值的系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)分為主控回路和副控回路，對應回路的調(diào)節(jié)器分別稱為主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器；對應回路的調(diào)節(jié)對象稱為主控對象和副控對象；作用在兩個回路中的擾動分別稱為一次擾動和二次擾動。圖2為采用串級控制的吸收塔內(nèi)PH值控制系統(tǒng)原理圖。
當擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進行工作。在串級控制系統(tǒng)中，由于引入1個副控回路，不僅能及早克服進入副控回路的二次擾動，而且能改善過程特性。副控調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)作用，主控調(diào)節(jié)器具有細調(diào)作用，從而使其控制品質(zhì)得到進一步提高。
主控調(diào)節(jié)器和副控調(diào)節(jié)器仍然采取PID控制算法，其控制參數(shù)通過經(jīng)驗進行整定，該設計中，具體的參數(shù)值為：主控回路比例系數(shù)Kp為10．0，積分時間Ti為0 s，微分時間Td為0 s；副控回路比例系數(shù)Kp為5．0，積分時間Ti為50 s，微分時間Td為1 s。系統(tǒng)設定PH值為5．5，仿真結(jié)果如圖3所示。
3．2 增壓風機入口壓力控制
煙氣經(jīng)旁路進入脫硫島，在管道內(nèi)流動的壓力損失由增壓風機來提供。使得煙氣能夠在脫硫島內(nèi)流動。增壓風機人口壓力控制的目的在于使鍋爐爐膛壓力保持穩(wěn)定。將鍋爐正常運行時的引風機出口壓力作為增壓風機人口壓力控制的設定值，測量實際運行的壓力，然后進行比較得出偏差，偏差經(jīng)過控制算法計算。得出調(diào)節(jié)量作用在增壓風機的調(diào)節(jié)導葉上，使得增壓風機人口壓力穩(wěn)定在設定值附近。
增壓風機入口壓力控制算法通常是PID調(diào)節(jié)，由于壓力控制系統(tǒng)是滯后和時變的，常規(guī)PID算法不能達到良好效果。將鍋爐負荷作為前饋量引入到調(diào)節(jié)中，通過調(diào)節(jié)鍋爐負荷的前饋調(diào)節(jié)器動態(tài)補償由負荷波動帶來的壓力擾動，降低增壓風機導葉的動作頻率，與普通PID控制相比，前饋控制系統(tǒng)明顯可降低系統(tǒng)超調(diào)量。圖4為控制系統(tǒng)原理框圖。
增壓風機入口壓力調(diào)節(jié)器參數(shù)為：比例系數(shù)Kp為20．0，積分時間Ti為5 s，微分時間Td為0．1 s；前饋調(diào)節(jié)器設置成線性調(diào)節(jié)器，壓力的設定值為1 000 N，仿真結(jié)果如圖5所示，壓力為負值代表風機反轉(zhuǎn)。
3．3 煙氣溫度控制
脫硫控制系統(tǒng)中的溫度變化范圍較大。但初始設定沒有特定的公式或者函數(shù)可用。因此，要想有一個較好的脫硫效果，一般情況下是通過實驗室的反復試驗，并在現(xiàn)場經(jīng)過多次調(diào)試來確定溫度設定值。實踐證明：溫度的變化速率比較平緩時，脫硫控制效果最佳。因此，在脫硫控制系統(tǒng)中必須采用一種控制算法，使溫度的變化在一定的范圍內(nèi)，并且變化平緩。模糊控制用于控制那些因復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等而無法獲得精確的數(shù)學模型的控制對象，可獲得比較理想的動靜態(tài)性能。這里研究采用模糊控制獲得平緩變化的煙氣溫度。
煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測溫裝置和溫度調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，對于脫硫系統(tǒng)其溫度調(diào)節(jié)方式是通過調(diào)節(jié)加濕器的加水量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，如圖6所示。
調(diào)節(jié)溫度需要綜合考慮T1、T3以及T2與設定值T的偏差和T2的變化趨勢。由于T1、T3屬于在緊急情況下系統(tǒng)的保護措施，其對閥門開度u的控制作用是精確的。即當T1大于其設定值時將閥門全開，當T3小于其設定值時將閥門全關。溫度模糊控制的核心是根據(jù)T2與該溫度設定值的偏差E2和偏差的變化趨勢△E2來模糊推斷閥門開度u。所以模糊控制的輸入量確定為E2和△E2。其中：
式中，T為溫度設定值，k為代表采樣次數(shù)輸出量，確定為混風閥門開度u。
(1)E2的基本論域：[-60，+60](℃)
量化論域：X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}
量化因子：Ke2=4／60
模糊子集：負大(NB)，負小(NS)，零(0)，正小(PS)，正大(PB)
(2)AE2的基本論域：[-15，+15](℃)
量化論域：y={-3，-2，-l，0，1，2，3}
量化因子：K△E2=3／15
模糊子集：負大(NB)，負小(NS)，零(0)，正小(PS)，正大(PB)
(3)U的基本論域[0，100％]
量化論域：V={0，1，2，3，4，5}
比例因子：Ku=100／5
模糊子集：U1(全關)，U2(小關)，U3(適中)，U4(大開)，US(全開)。
(4)語言變量的隸屬函數(shù)及賦值表
根據(jù)現(xiàn)場操作者的實踐經(jīng)驗和控制策略。隸屬函數(shù)基本采用等腰三角形的形式，設計出E2、△E2、U的語言變量在量化論域上的賦值表，如表1、表2和表3所示。
注：表1中的1、0．5分別為不同的E2和xi時U的取值。
注：表2中的1，0．4分別為不同的△E2和yi時u的取值。
注：表3中的1．0．2分別為不同的Vi和U時u的取值。
根據(jù)上述控制策略，制定出模糊控制規(guī)則表，如表4所示。
注：表4中的Ui為不同的E2和△E2時U的取值。
對表中的每條控制語句，都可以得到一個模糊關系Rn，一共可以得到25個模糊關系。從而總模糊關系R為：
對于任意輸入偏差E2和偏差的變化量△E2，將其模糊化后分別為E和X，由上述公式算出模糊控制器輸出的控制量。對這個模糊控制量U，用最大隸屬度法進行模糊決策，可得到量化論域上的精確控制量U。假設溫度給定為3個階段，分別為80℃，50℃和100℃，仿真結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)論
本文針對火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)存在的時變性、復雜性和不確定性，常規(guī)PID控制算法難以滿足要求的情況下，考慮到在工業(yè)現(xiàn)場的實用性，研究將串級控制、前饋控制和模糊控制應用到脫硫控制子系統(tǒng)中。仿真結(jié)果驗證該控制策略的有效性。
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