引言燃煤电厂中锅炉燃烧所产生的SO2、NOx、粉尘等大气污染物是现阶段我国环境治理的关键[1]。其中含硫烟气为主要污染物，如果直接排放将对生态环境造成破坏。目前大多数燃煤电厂使用石灰石—石膏湿法脱硫技术对含硫烟气进行脱除。SO2优化控制已经成为各发电企业重点的研究方向，为满足日益严格的环保要求，需将脱硫系统SO2出口浓度控制在35 mg/m3以下。传统脱硫优化控制策略中大都以pH值作为被控对象，并结合PID进行控制。黄磊[2]等提出一种基于串级变比值模糊PID的控制方法，利用串级控制快速消除内扰等方法克服烟气参数波动，提高pH值控制的稳定性。华容[3]等提出一种基于预估模糊自适应PID的串级控制方案，采用改进的Smith预估控制器进行补偿，增强pH值控制系统的适应性。随着机器学习、深度学习的兴起，智能算法在控制策略中开始应用。程换新[4]等提出基于BP神经网络预测在pH值控制中的应用。范昊鹏[5]等提出基于PFC预测的脱硫优化控制，结合PFC预测函数设计预测模糊控制器，将pH值维持在稳定水平。但是目前以pH值作为被控量仍存在许多问题，对此彭国富[6]等提出以SO2浓度为被控量的优化控制，并引入动态设定值的方法，达到良好的控制效果。舒坚[7]等提出基于动态矩阵算法（DMC）的优化策略，通过参数寻优建立DMC控制策略，实现节能调节。基于现有研究，并结合实际电厂的运行经验，提出一种以理论供浆量作为前馈，使用供浆品质进行补偿的脱硫优化控制系统。以出口SO2浓度作为被控量，实现供浆量的自动调节，保证出口浓度达标的前提下，维持浆液pH值的稳定，进而减少浆液循环的启停次数。将优化控制逻辑以DCS组态形式应用于实际电厂进行测试，验证控制策略的稳定性与节能效果。1机组运行存在的问题截取一段机组运行时pH值、出口SO2浓度及供浆流量的关系曲线，如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F001图1pH值、出口SO2浓度、供浆流量随运行时间的变化从图1中看出，当供浆流量减少时，出口SO2缓慢升高，pH值先升高再降低。从理论角度分析，当供浆量减少时，pH值应立即降低，但在实际情况中由于脱硫塔容量很大，pH值的变化存在着较大惯性和自发的波动，对于供浆量的改变延迟了800 s。pH值作为被控对象导致控制动作不及时，使控制品质较低。由生产过程可知，石灰石经研磨后形成石灰石浆液送入脱硫塔中发生反应，石灰石品质的好坏同样影响脱硫效率[8]。以供浆品质补偿系数反映石灰石浆液的好坏，品质补偿系数越大代表浆液品质越低。具体情况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.T001表1供浆品质与脱硫效率的关系供浆品质补偿系数pH值范围脱硫效率/%0.85.6~5.899.911.05.6~5.799.821.15.6~5.799.781.25.5~5.799.721.45.5~5.699.67从表1中看出，浆液品质越差，pH值范围越低，进而导致脱硫效率下降。因此在控制系统前馈中仅考虑烟气侧的扰动是不够的，当浆液品质发生改变时，导致控制作用不及时，降低控制质量。2控制策略设计2.1控制策略提出反馈控制根据偏差进行调节，只要偏差存在，控制器就会一直消除偏差，直到达到新的平衡[9]。如果控制系统中，被控对象是非线性、大延迟的对象，且存在多种扰动，此时单纯的反馈控制无法达到预期控制效果。相对于反馈控制，前馈控制根据扰动量进行超前控制，能够有效地弥补反馈控制存在的不足，因此脱硫系统大都采用前馈—反馈复合控制系统。前馈用于消除扰动侧的影响，反馈用于消除偏差。针对机组运行时存在的问题，提出以脱硫出口SO2浓度作为被控量的串级前馈—反馈复合控制系统，以理论供浆量作为前馈，供浆品质系数作为前馈补偿，充分考虑浆液测与烟气侧的扰动，并引入模糊规则保证异常工况的处理与修正。具体供浆控制策略图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F002图2供浆控制策略图将出口SO2的实际值与设定值进行比较，偏差经主PID后与理论供浆量的修正值和模糊规则的修正值求和，形成副PID的输入即当前所需的供浆量。副PID根据当前所需的供浆量与实际供浆量的差，控制供浆泵进行补浆或减浆操作，以此调节脱硫出口SO2的浓度。主PID设置死区，偏差在一定范围内则不进行控制，防止执行器频繁动作，造成控制品质下降。2.2理论供浆量的计算理论供浆量代表脱除当前工况下，烟气中含有SO2所需的理论供浆量，具体计算公式如下：Q=CSO2⋅inF106ρ×MCaCO3MSO2×StBC (1)式中：Q——所需供浆量理论值，m3/h；CSO2⋅in——原烟气SO2浓度，mg/m³；F——原烟气体积流量，m3/h；ρ——石灰石浆液箱密度，kg/m3；MCaCO3——碳酸钙的摩尔质量；MSO2——SO2的摩尔质量；St——钙硫比，一般规定为1.1，实际取值在1.05~1.08之间；B——石灰石纯度，取0.93；C——石灰石浆液含固量。2.3入口烟气流量的拟合2.3.1数据序列的延迟时间机组负荷、总风量、入口烟气流量之间的关系如图3所示。由图3可知，机组负荷、总风量、入口烟气流量的整体变化趋势一致，但入口烟气流量相对于总风量存在滞后，如果能够使用总风量与机组负荷通过一定的计算代替入口烟气流量，将使前馈控制在时序上提前，进而提升控制品质。使用均方差和皮尔逊相关系数作为目标函数寻找入口烟气流量相对于总风量的延迟时间，10 s内的结果如表2所示。从表2可以看出，最优延迟时间为5 s，即入口烟气流量相对于总风量存在5 s延迟。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F003图3机组负荷、总风量、入口烟气流量之间的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.T002表2数据序列的延迟与目标函数值延迟时间/s均方差皮尔逊相关系数18.414 80.964 928.412 40.965 838.410 60.966 548.409 60.966 958.409 50.967 168.409 80.967 178.410 70.967 088.412 00.966 998.413 70.966 6108.415 70.966 22.3.2拟合效果使用多项式插值将去延迟后的数据进行拟合，拟合结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F004图4入口烟气流量拟合结果2.4供浆品质修正的提出石灰石浆液的品质是影响吸收剂脱硫能力的关键因素[10]。相同供浆量下，当浆液品质较差时浆液的脱硫能力下降，不足以应对机组负荷的改变，不仅有排放超标的风险，还会影响控制系统的稳定。供浆品质系数是实时计算值，可以根据石灰石浆液品质在线计算，对实时供浆量理论值进行修正，保证供浆量能够维持吸收塔的系统平衡。供浆品质系数计算公式如下：K=QSO2TSO2+PSO2 (2)式中：K——供浆品质系数；QSO2——SO2实际脱除量，t；TSO2——理论可脱除SO2的量，t；PSO2——吸收塔内蓄存的可脱除SO2的量，t。2.5基于偏差的模糊规则基于浆液pH值的特性，pH值与脱硫效率的关系如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F005图5pH值与脱硫效率的关系从图5中可以看出，当pH值高于5.7时，浆液中的CaSO4·2H2O饱和会抑制CaCO3的溶解反应[11]。导致脱硫效率不升反降，同时还有可能使浆液中毒，导致整罐浆液的失效。pH值过低时，浆液的脱硫能力不足容易造成出口超标。为防止特殊工况下造成的pH值过高或过低，需要设置一定的模糊规则，保证pH值维持在安全范围内。同时为了进一步满足环保要求以及节能降耗的目标，对于出口浓度也进行区间化模糊规则的处理。具体的模糊规则如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.T003表3出口浓度模糊规则模糊规则阀门开度pH值5.8-15pH值5.1+150出口浓度10-1018出口浓度25+10出口浓度30+153控制效果3.1不同工况下的控制效果将优化控制策略以DCS组态的形式应用于山西某电厂600 MW机组脱硫控制系统中，现场脱硫装置的设计参数及设备规范如表4所示。不同工况下，实际投运效果如图6、图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.T004表4现场脱硫装置的设计参数及设备规范项目名称数据SO2脱除率/%≥99.65入口烟气量（标态，湿基，实际O2）/（m3/h）2 440 813FGD出口SO2（标态，干基，6%O2）/（mg/m3）35石灰石耗量/（t/h）20.63石灰石浆液供给泵5/台2浆液循环泵ABCDE/台510.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F006图6负荷平稳工况下脱硫系统控制效果图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.F007图7升负荷工况下脱硫系统控制效果图如图6所示，出口SO2浓度基本保持在同一数值，供浆量小幅波动以维持系统的平衡，整体控制效果良好。如图7所示，负荷累计升高150 MW，出口SO2浓度维持在了平稳水平，未出现超标的情况，供浆量随时调整以保证出口的稳定，整体控制效果良好。3.2节能效果由于控制系统中前馈的作用，当工况发生改变时控制器能够提前进行动作，保证系统的稳定。相比于自动控制，当运行人员手动控制时存在滞后性，导致系统波动。为维持出口达标，通常频繁开启浆液循环泵从而造成不必要的资源浪费。实测一天内自动控制与手动控制的能耗对比如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.012.T005表5一天内自动控制与手动控制的能耗对比名称自动投运手动投运日均SO2脱除量/（kg/h）8 720.168 764.24日均发电功率/MW342.32345.28日均氧化风机电耗/kW257.02261.37日均石灰石浆液用量/（m3/h）57.0060.12日均浆液循环泵电耗/kW2 083.392 249.54从表5中可以看出，日均发电量大致相同的情况下，自动投运的整体能耗低于手动投运。尤其是浆液循环泵电耗，自动控制系统减少浆液循环泵的启停频率，延长设备使用寿命的同时也带来一定的经济效益。4结语脱硫系统中，吸收塔内浆液pH值是大迟延、大惯性对象，且自身存在波动，pH值为被控对象的控制方案难以根据pH值变化及时做出响应。针对此类问题，提出一种基于出口SO2为被控对象的优化控制策略，并提出供浆品质补偿的概念，在模糊规则和供浆品质系数的共同修正下，克服浆液测和烟气测的扰动，提升供浆泵自动控制系统的控制品质。通过实际测试发现优化后的控制系统减少浆液循环泵的启停频率，各项能耗也低于手动控制，达到节能降耗的目的。