一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法及控制系统与流程
本发明涉及环保领域，特别是一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法及控制系统，所述控制方法和控制系统用于脱硫废水运行工作。
背景技术：
在火力发电行业，石膏-石灰石湿法脱硫工艺被广泛使用，所述脱硫过程中会产生大量的脱硫废水。由于脱硫废水含盐量高，组成复杂，且有一定的腐蚀性，其历来是火电行业废水处理的难点，也是影响燃煤机组废水零排放的关键。烟气旁路蒸发脱硫废水装置是近年来开发的一种新式脱硫废水处理处置技术，如图1所示装置包括烟道母管1、脱硝装置2、空预器3、烟气冷却器4、电除尘器5、脱硫塔6、烟气加热器7、烟囱8、三联箱9、预沉器10、浓缩器11、脱硫废水流量计12、脱硫废水温度计13、脱硫废水进料管14、脱硫废水进料泵15、雾化器16、热风分配器17、干燥塔18、固体排放口19、旁路烟气进口烟道20、烟气进口流量调节挡板21、烟气进口流量计22、烟气进口温度计23、烟气进口湿度计24、旁路烟气出口烟道25、烟气出口流量计26、烟气出口温度计27、烟气出口湿度计28、烟气出口流量开关阀29，所述装置工作过程是将脱硫废水送至旁路烟气干燥塔，再通过高速旋转雾化器将废水雾化，利用烟气余热在干燥塔内将废水瞬间蒸发，使废水中的污染物转化为结晶物或盐类等固体物质，随烟气中的飞灰一起被电除尘器或其他除尘装置收集，以实现湿法烟气脱硫废水的零排放。现有烟气旁路蒸发脱硫废水装置缺乏有效配套的合理控制方法和控制系统，在烟气和脱硫废水之间无法实现良好匹配，具体是很难迅速匹配调整烟气流量和脱硫废水给料量，只简单控制脱硫废水流量调节器和烟气进口调节器，对脱硫废水和烟气进行预设的配比，虽然有对进口和出口烟气以及脱硫废水监测，但是旁路进口烟气和脱硫废水供应的调配效果欠佳，不能有效调整烟气流量和脱硫废水给料量，易造成脱硫废水过喷或烟气能量浪费，使脱硫废水零排放失败或整个装置运行能耗过高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有烟气旁路蒸发脱硫废水装置难以良好匹配调整烟气流量和脱硫废水给料量，导致脱硫废水过喷或烟气能量浪费，产生脱硫废水零排放失败和装置能耗过高等缺陷，提供一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法及控制系统，所述控制方法及控制系统能让烟气旁路蒸发脱硫废水装置在运行中实现脱硫废水给料量与烟气流量的良好匹配，并根据不同情况分类别调整旁路进口烟气流量或脱硫废水给料量，确保烟气和脱硫废水充分反应以达到脱硫废水零排放和避免烟气浪费降低装置运行能耗。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法，其特征是依序进行的以下步骤：
第一步，设置三处温度监测和三处流量监测以及两处含水量监测，所述三处温度监测分别为旁路进口烟气温度t1、旁路出口烟气温度t2和脱硫废水温度tw，三处流量检测分别为旁路进口烟气质量流量q1、旁路出口烟气质量流量q2和脱硫废水质量流量qw，两处含水量监测分别为旁路进口烟气含水量h1和旁路出口烟气含水量h2；
第二步，设置五个旁路出口烟气温度控制值，所述五个烟温控制值按温度从高到低分别为温度控制上限值th1、温度预警上限值th2、温度目标值th3、温度预警下限值th4、温度控制下限值th5；
第三步，确定初始脱硫废水投入量qwo，设定烟气进口流量调节挡板开度，通过前馈控制并根据流量q1、温度t1、含水量h1，脱硫废水温度tw，旁路出口烟气温度目标值th3，计算初始脱硫废水投入量qwo；
第四步，控制脱硫废水装置进入调节运行状态，并通过反馈控制监控温度信号和调整流量在合适范围内：
当旁路出口烟气温度t2处于（th4，th2）区间时根据流量q2、温度t2、含水量h2、温度tw、温度目标值th3计算确定脱硫废水调节量qδw；
当旁路出口烟气温度t2处于（th5，th4）及（th2，th1）区间时根据流量q1、温度t1、含水量h1，流量q2、温度t2、含水量h2、温度目标值th3，计算确定旁路进口烟气调节量qδg；
当旁路出口烟气温度t2高于th1或低于th5时，依次关停脱硫废水进料泵、雾化器及烟气进口流量调节挡板和烟气出口流量开关阀，对烟气旁路蒸发脱硫废水装置检修维护。
本发明提供了一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法，所述控制方法基于能量守恒并采用前馈-反馈控制结构对脱硫废水的蒸发过程进行自动控制和智能调节，具体是实时检测旁路进口和出口的烟气流量、温度和含水量，脱硫废水流量、温度等参数，并结合事先设定的五个旁路出口烟气温度控制值，分类别的调整旁路进口烟气流量或脱硫废水流量，同时在旁路出口烟气温度t2过高或过低的异常工况下设有保护措施，有序关停相关设备停止装置运行，以充分保障装置安全。此外，运行人员可根据需要，对五个旁路出口烟气温度控制值进行修改，控制方式灵活可调。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述第三步中的初始脱硫废水投入量qwo依据函数f1(x)计算确定：
式中，qwo为脱硫废水初始投入量，kg/h；η为热损失率，按5%～20%取值；
所述第四步中的脱硫废水调节量qδw依据函数f2(x)计算确定：
式中，qδw为脱硫废水调节量，kg/h；
旁路进口烟气调节量qδg依据函数f3(x)计算确定：
式中，qδg为烟气调节量，kg/h；
上述各焓值均可通过查表获得；β为废水松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止旁路进口烟气流量调整过快；ε为烟气松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止废水量调整过快。本发明所述的控制方法能够让烟气旁路蒸发脱硫废水装置在运行中实现脱硫废水给料量与烟气流量的良好匹配，并根据不同情况分类别调整旁路进口烟气流量或脱硫废水给料量，以确保烟气和脱硫废水充分反应以达到脱硫废水零排放和避免烟气浪费降低装置运行能耗。
一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制系统，包括控制器和脱硫废水流量调节器以及烟气进口调节器，其特征是所述控制系统还包括进口烟道测量器和脱硫废水测量器以及出口烟道测量器，所述进口烟道测量器和出口烟道测量器可分别监测相应烟气的温度、含水量和质量流量信息，脱硫废水测量器可监测脱硫废水的温度和质量流量信息，所述第一控制器输出连接脱硫废水流量调节器，脱硫废水测量器输出连接第一控制器和第二控制器，出口烟道测量器输出连接第一控制器、第二控制器和第三控制器，第二控制器输出连接脱硫废水流量调节器，第三控制器输出连接烟气进口调节器。本发明所述的控制系统加入了对进口烟气和出口烟气以及脱硫废水的相关参数监控，结合能量平衡原理用三个控制器分类别的调整旁路进口烟气流量或脱硫废水给料量，用前馈—反馈控制结构对整个装置处理脱硫废水过程进行自动控制和智能调节，达到脱硫废水和烟气合适配比并充分反应，以实现脱硫废水零排放和避免烟气浪费降低装置运行能耗。此外，进口烟道测量器和出口烟道测量器各自包括相应温度计、湿度计以及流量计，以监测获取烟气的温度、含水量以及质量流量信息，脱硫废水测量器也包括相应温度计和流量计，以监测获取脱硫废水的温度和质量流量信息，前述都可以通过现有技术实现，不再赘述。
控制系统在具体工作时，提前预设出口烟气温度从高到低分别为温度控制上限值th1、温度预警上限值th2、温度目标值th3、温度预警下限值th4、温度控制下限值th5，使用时先通过烟气进口调节器工作使得烟气进口流量调节挡板开度固定，采用前馈控制并依据进口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量以及脱硫废水测量器监测到的脱硫废水温度以及烟气温度th3，输入第一控制器计算出脱硫废水初始投入量，输出控制脱硫废水流量调节器工作提供相应量的脱硫废水；在脱硫废水初始投入量确定后，控制系统进入调节运行状态，采用反馈控制来监控和调整各温度和流量信号在合适范围内，当出口烟道测量器监测到烟气温度处于（th4，th2）区间时，根据出口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，脱硫废水测量器监测到脱硫废水温度，输入第二控制器结合烟气温度th3计算出脱硫废水调节量，输出控制脱离废水流量调节器工作；当出口烟道测量器监测到烟气温度处于（th5，th4）及（th2，th1）区间时，根据出口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，进口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，输入第三控制器结合烟气温度th3计算出烟气调节量，输出控制烟气进口调节器工作，调节进口烟气流量。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明所述控制系统还采用如下技术措施：所述第二控制器通过第一增减控制器输出连接脱硫废水流量调节器，所述第三控制器通过第二增减控制器输出连接烟气进口调节器。第二控制器和第三控制器各自通过独立的增减控制器输出连接硫废水流量调节器和烟气进口调节器，以便对脱硫废水流量和进口烟气流量进行更精准的调节控制，所述调节控制更加稳定、可靠，不易受干扰。
所述控制系统还包括关断信号发生器、雾化器控制机构和脱硫废水进料泵控制机构，所述第二控制器输出连接关断信号发生器，关断信号发生器输出连接脱硫废水进料泵控制机构和雾化器控制机构以及烟气进口调节器。当发生异常工况，即出口烟道测量器监测到的烟气温度小于th5或大于th1时，第二控制器触发关断信号发生器，关断信号发生器向脱硫废水进料泵控制机构和雾化器控制机构以及烟气进口调节器发送关断信号，依次关闭脱硫废水进料泵、雾化器和停止进口烟气供应，此外还需关闭烟气出口流量开关阀，方便对烟气旁路蒸发脱硫废水装置进行检修维护，保障设备安全。
本发明所述的控制系统加入了对进口烟气和出口烟气以及脱硫废水的相关参数监控，结合能量平衡原理用三个控制器分类别的调整旁路进口烟气流量或脱硫废水给料量，用前馈—反馈控制结构对整个装置处理脱硫废水过程进行自动控制和智能调节，达到脱硫废水和烟气合适配比并充分反应，以实现脱硫废水零排放和避免烟气浪费降低装置运行能耗，并且在装置运行发生异常时关停设备以便检修维护。
附图说明
图1：烟气旁路脱硫废水装置示意图。
图2：本发明所述控制方法对应的工艺流程图。
图3：本发明所述控制系统结构示意图。
图中：1.烟道母管、2.脱硝装置、3.空预器、4.烟气冷却器、5.电除尘器、6.脱硫塔、7.烟气加热器、8.烟囱、9.三联箱、10.预沉器、11.浓缩器、12.脱硫废水流量计、13.脱硫废水温度计、14.脱硫废水进料管、15.脱硫废水进料泵、16.雾化器、17.热风分配器、18.干燥塔、19.固体排放口、20.旁路烟气进口烟道、21.烟气进口流量调节挡板、22.烟气进口流量计、23.烟气进口温度计、24.烟气进口湿度计、25.旁路烟气出口烟道、26.烟气出口流量计、27.烟气出口温度计、28.烟气出口湿度计、29.烟气出口流量开关阀、30.雾化器控制机构、31.第一控制器、32.第二控制器、33.第三控制器、34.烟气进口调节器、35.进口烟道测量器、36.脱硫废水流量调节器、37.脱硫废水测量器、38.出口烟道测量器、39.关断信号发生器、40.第一增减控制器、41.第二增减控制器、42.脱硫废水进料泵控制机构。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
现有烟气旁路蒸发脱硫废水装置如图1中所示各装置连接组成，包括烟道母管1、脱硝装置2、空预器3、烟气冷却器4、电除尘器5、脱硫塔6、烟气加热器7、烟囱8、三联箱9、预沉器10、浓缩器11、脱硫废水流量计12、脱硫废水温度计13、脱硫废水进料管14、脱硫废水进料泵15、雾化器16、热风分配器17、干燥塔18、固体排放口19、旁路烟气进口烟道20、烟气进口流量调节挡板21、烟气进口流量计22、烟气进口温度计23、烟气进口湿度计24、旁路烟气出口烟道25、烟气出口流量计26、烟气出口温度计27、烟气出口湿度计28、烟气出口流量开关阀29。
本发明所述一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法，包括依序进行的以下步骤：
第一步，设置三处温度监测和三处流量监测以及两处含水量监测，所述三处温度监测分别为旁路进口烟气温度t1、旁路出口烟气温度t2和脱硫废水温度tw，三处流量检测分别为旁路进口烟气质量流量q1、旁路出口烟气质量流量q2和脱硫废水质量流量qw，两处含水量监测分别为旁路进口烟气含水量h1和旁路出口烟气含水量h2，本实施例中t1和q1以及h1分别通过旁路烟气进口烟道20上的烟气进口温度计23、烟气进口流量计22和烟气进口湿度计24监测，t2和q2以及h2分别通过旁路烟气出口烟道25上的烟气出口温度计27、烟气出口流量计26和烟气出口湿度计28监测，脱硫废水流量计12和脱硫废水温度计13位于脱硫废水进料管14上；
第二步，设置五个旁路出口烟气温度控制值，所述五个烟温控制值按温度从高到低分别为温度控制上限值th1、温度预警上限值th2、温度目标值th3、温度预警下限值th4、温度控制下限值th5，本实施例中温度控制上限值th1设为165℃，温度预警上限值th2设为150℃、温度目标值th3设为140℃、温度预警下限值th4设为130℃、温度控制下限值th5设为115℃；
第三步，确定初始脱硫废水投入量qwo，设定烟气进口流量调节挡板开度，通过前馈控制并根据流量q1、温度t1、含水量h1，脱硫废水温度tw，旁路出口烟气温度目标值th3，计算初始脱硫废水投入量qwo，所述初始脱硫废水投入量qwo依据函数f1(x)计算确定：
式中，qwo为脱硫废水初始投入量，kg/h；η为热损失率，按5%～20%取值；
第四步，控制脱硫废水装置进入调节运行状态，并通过反馈控制监控温度信号和调整流量在合适范围内，本实施例中脱硫废水初始投入2800kg/h，等待25分钟后，烟气旁路蒸发脱硫废水装置进入稳定工作状态，控制装置进入调节运行状态，随旁路出口烟气温度变化：
当旁路出口烟气温度t2处于（th4，th2）区间时根据流量q2、温度t2、含水量h2、温度tw、温度目标值th3计算确定脱硫废水调节量qδw，所述脱硫废水调节量qδw依据函数f2(x)计算确定：
式中，qδw为脱硫废水调节量，kg/h；
当旁路出口烟气温度t2处于（th5，th4）及（th2，th1）区间时根据流量q1、温度t1、含水量h1，流量q2、温度t2、含水量h2、温度目标值th3，计算确定旁路进口烟气调节量qδg，所述旁路进口烟气调节量qδg依据函数f3(x)计算确定：
式中，qδg为烟气调节量，kg/h；
前述调整脱硫废水给料量或旁路进口烟气流量，实测能使旁路烟气出口烟气温度变化持续稳定在121℃到155℃之间；上述各焓值均可通过查表获得；β为废水松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止旁路进口烟气流量调整过快；ε为烟气松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止废水量调整过快。
当旁路出口烟气温度t2高于th1或低于th5时，依次关停脱硫废水进料泵、雾化器及烟气进口流量调节挡板和烟气出口流量开关阀，此时判断烟气旁路蒸发脱硫废水装置发生异常，需要对烟气旁路蒸发脱硫废水装置检修维护。
本发明提供了一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制方法，所述控制方法基于能量守恒并采用前馈-反馈控制结构对脱硫废水的蒸发过程进行自动控制和智能调节，具体是实时检测旁路进口和出口的烟气流量、温度和含水量，脱硫废水流量、温度等参数，并结合事先设定的五个旁路出口烟气温度控制值，分两个类别分别调整旁路进口烟气流量或脱硫废水流量，同时在旁路出口烟气温度t2过高或过低的异常工况下设有保护措施，有序关停相关设备停止装置运行，以充分保障装置安全。此外，运行人员可根据需要，对五个旁路出口烟气温度控制值进行修改，控制方式灵活可调。
如图3所示，一种基于能量平衡的脱硫废水装置控制系统，包括控制器和脱硫废水流量调节器36以及烟气进口调节器34，所述控制系统还包括进口烟道测量器35和脱硫废水测量器37以及出口烟道测量器38，所述进口烟道测量器35和出口烟道测量器38可分别监测相应烟气的温度、含水量和质量流量信息，脱硫废水测量器37可监测脱硫废水的温度和质量流量信息，所述第一控制器31输出连接脱硫废水流量调节器36，脱硫废水测量器37输出连接第一控制器31和第二控制器32，出口烟道测量器38输出连接第一控制器31、第二控制器32和第三控制器33，第二控制器32输出连接脱硫废水流量调节器36，第三控制器33输出连接烟气进口调节器34；所述第二控制器32通过第一增减控制器40输出连接脱硫废水流量调节器36，所述第三控制器33通过第二增减控制器41输出连接烟气进口调节器34；所述控制系统还包括关断信号发生器39、雾化器控制机构30和脱硫废水进料泵控制机构42，所述第二控制器32输出连接关断信号发生器39，关断信号发生器39输出连接脱硫废水进料泵控制机构42和雾化器控制机构30以及烟气进口调节器34。
工作时，提前预设出口烟气温度从高到低分别为温度控制上限值th1、温度预警上限值th2、温度目标值th3、温度预警下限值th4、温度控制下限值th5，使用时先通过烟气进口调节器工作使得烟气进口流量调节挡板开度固定，采用前馈控制并依据进口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量以及脱硫废水测量器监测到的脱硫废水温度以及烟气温度th3，输入第一控制器计算出脱硫废水初始投入量，输出控制脱硫废水流量调节器工作提供相应量的脱硫废水；在脱硫废水初始投入量确定后，控制系统进入调节运行状态，采用反馈控制来监控和调整各温度和流量信号在合适范围内；当出口烟道测量器监测到烟气温度处于（th4，th2）区间时，根据出口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，脱硫废水测量器监测到脱硫废水温度，输入第二控制器结合烟气温度th3计算出脱硫废水调节量，输出控制脱离废水流量调节器工作；当出口烟道测量器监测到烟气温度处于（th5，th4）及（th2，th1）区间时，根据出口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，进口烟道测量器监测到的烟气质量流量、温度和含水量，输入第三控制器结合烟气温度th3计算出烟气调节量，输出控制烟气进口调节器工作，调节进口烟气流量；当发生异常工况，即出口烟道测量器监测到的烟气温度小于th5或大于th1时，第二控制器触发关断信号发生器，关断信号发生器向脱硫废水进料泵控制机构和雾化器控制机构以及烟气进口调节器发送关断信号，依次关闭脱硫废水进料泵、雾化器和停止进口烟气供应，此外还需关闭烟气出口流量开关阀，方便对烟气旁路蒸发脱硫废水装置进行检修维护，保障设备安全。
依据本发明所述的控制系统，烟气旁路蒸发脱硫废水装置使用流程如下：
首先，设置三处温度监测和三处流量监测以及两处含水量监测以及五个旁路出口烟气温度控制值，所述三处温度监测分别为旁路进口烟气温度t1、旁路出口烟气温度t2和脱硫废水温度tw，三处流量监测分别为旁路进口烟气质量流量q1、旁路出口烟气质量流量q2和脱硫废水质量流量qw，两处含水量监测分别为旁路进口烟气含水量h1和旁路出口烟气含水量h2，本实施例中t1和q1以及h1分别通过旁路烟气进口烟道20上的烟气进口温度计23、烟气进口流量计22和烟气进口湿度计24监测，所述烟气进口温度计和烟气进口流量计以及烟气进口湿度计组成进口烟道测量器；t2和q2以及h2分别通过旁路烟气出口烟道25上的烟气出口温度计27、烟气出口流量计26和烟气出口湿度计28监测，烟气出口温度计和烟气出口流量计以及烟气出口湿度计组成出口烟道测量器；脱硫废水流量计12和脱硫废水温度计13位于脱硫废水进料管14上，所述脱硫废水流量计和脱硫废水温度计组成脱硫废水测量器；所述五个烟温控制值按温度从高到低分别为温度控制上限值th1、温度预警上限值th2、温度目标值th3、温度预警下限值th4、温度控制下限值th5，本实施例中温度控制上限值th1设为165℃，温度预警上限值th2设为150℃、温度目标值th3设为140℃、温度预警下限值th4设为130℃、温度控制下限值th5设为115℃，然后如图2所示依次进行；
确定初始脱硫废水投入量qwo，通过烟气进口调器设定烟气进口流量调节挡板开度，通过前馈控制并根据流量q1、温度t1、含水量h1，脱硫废水温度tw，旁路出口烟气温度目标值th3，使用第一控制器计算初始脱硫废水投入量qwo，所述初始脱硫废水投入量qwo依据预设编程的函数f1(x)计算确定：
式中，qwo为脱硫废水初始投入量，kg/h；η为热损失率，按5%～20%取值；
控制烟气旁路蒸发脱硫废水装置进入调节运行状态，并通过反馈控制监控温度信号和调整流量在合适范围内，本实施例中脱硫废水初始投入2800kg/h，等待25分钟后，烟气旁路蒸发脱硫废水装置进入稳定工作状态，控制装置进入调节运行状态，随旁路出口烟气温度变化，当旁路出口烟气温度t2处于（th4，th2）区间时根据流量q2、温度t2、含水量h2、温度tw、温度目标值th3，使用第二控制器计算确定脱硫废水调节量qδw，所述脱硫废水调节量qδw依据预设编程的函数f2(x)计算确定：
式中，qδw为脱硫废水调节量，kg/h；
当旁路出口烟气温度t2处于（th5，th4）及（th2，th1）区间时根据流量q1、温度t1、含水量h1，流量q2、温度t2、含水量h2、温度目标值th3，使用第三控制器计算确定旁路进口烟气调节量qδg，所述旁路进口烟气调节量qδg依据预设编程的函数f3(x)计算确定：
式中，qδg为烟气调节量，kg/h；
前述调整脱硫废水给料量或旁路进口烟气流量，实测能使旁路烟气出口烟气温度变化持续稳定在121℃到155℃之间；上述各焓值均可通过查表获得；β为废水松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止废水量调整过快；ε为烟气松弛因子，无量纲，取值小于0.5，防止烟气量调整过快；
当旁路出口烟气温度t2高于th1或低于th5时，第二控制器触发关断信号发生器，关断信号发生器向脱硫废水进料泵控制机构和雾化器控制机构以及烟气进口调节器发送关断信号，依次关闭脱硫废水进料泵、雾化器和停止进口烟气供应，此外还需关闭烟气出口流量开关阀，方便对烟气旁路蒸发脱硫废水装置进行检修维护，保障设备安全。
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