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排放對于我國的環境保護有著重要的意義。
煙氣脫硫的技術工藝種類很多、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。在工業脫硫控制系統中，PID控制算法因其結構簡單、不需要控制系統模型且具有一定的魯棒性而被廣泛采用。但是PID控制算法不能根據對象特性變化自動修改控制參數。對時變性、非線性的脫硫控制系統控制效果很難達到最佳狀態，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網絡、遺傳算法等智能控制算法應用到脫硫控制系統，但這些算法尚無法在工業現場應用。
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分為3個子控制系統。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中。
2 石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝分析
2．1 脫硫系統組成及工藝流程
石灰石／石膏濕法脫硫工藝系統(單臺機組)主要由煙氣系統、吸收氧化系統、石灰石漿液制備系統、脫水及輸送系統、排放系統、工藝和工業水系統、雜用和儀用空氣系統和廢水處理系統組成。吸收氧化系統是整個脫硫系統中最重要的系統。而吸收塔是脫硫系統的主體設備，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：鍋爐煙氣經過除塵器除塵后，由引風機送入脫硫系統，煙氣由進口煙道進入由增壓風機增壓后，經煙氣換熱器(GGH)降溫，進入吸收塔。在吸收塔內，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，圖1是石灰石／石膏濕法煙氣脫硫工藝流程圖。
2．2 脫硫效率影響參數分析
影響脫硫效率的參數有很多，其主要參數有以下3個：
(1)吸收塔內漿液的PH值該值是WFGD(濕法煙氣脫硫)裝置運行最重要的控制參數之一，是影響脫硫率、氧化率、吸收劑利用率及系統結垢的主要因素之一。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 來自鍋爐側的煙氣經增壓風機(BUF)增壓，補償煙氣在整個脫硫系統中的壓力損失，是脫硫系統中舉足輕重的設備。進入脫硫系統的煙氣流量通過增壓風機的動葉進行調節。其動葉的調整、控制不僅關系到整個脫硫系統的穩定運行，同時也關系到整個系統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，FGD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調節具有較大滯后特性，控制效果并不理想。考慮到影響吸收塔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，這里在脫硫系統中使用串級PID控制。串級控制系統是將兩個調節器串聯起來工作，其中一個調節器的輸出作為另一個調節器設定值的系統。串級控制系統分為主控回路和副控回路，對應回路的調節器分別稱為主控調節器和副控調節器；對應回路的調節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PH值控制系統原理圖。
當擾動發生時，破壞了穩定狀態，調節器進行工作。在串級控制系統中，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。副控調節器具有粗調作用，主控調節器具有細調作用，從而使其控制品質得到進一步提高。
主控調節器和副控調節器仍然采取PID控制算法，其控制參數通過經驗進行整定，該設計中，具體的參數值為：主控回路比例系數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Kp為5．0，積分時間Ti為50 s，微分時間Td為1 s。系統設定PH值為5．5，仿真結果如圖3所示。
3．2 增壓風機入口壓力控制
煙氣經旁路進入脫硫島，在管道內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，偏差經過控制算法計算。得出調節量作用在增壓風機的調節導葉上，使得增壓風機人口壓力穩定在設定值附近。
增壓風機入口壓力控制算法通常是PID調節，由于壓力控制系統是滯后和時變的，常規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節中，通過調節鍋爐負荷的前饋調節器動態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，前饋控制系統明顯可降低系統超調量。圖4為控制系統原理框圖。
增壓風機入口壓力調節器參數為：比例系數Kp為20．0，積分時間Ti為5 s，微分時間Td為0．1 s；前饋調節器設置成線性調節器，壓力的設定值為1 000 N，仿真結果如圖5所示，壓力為負值代表風機反轉。
3．3 煙氣溫度控制
脫硫控制系統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，并在現場經過多次調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，在脫硫控制系統中必須采用一種控制算法，使溫度的變化在一定的范圍內，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學模型的控制對象，可獲得比較理想的動靜態性能。這里研究采用模糊控制獲得平緩變化的煙氣溫度。
煙氣溫度調節系統由測溫裝置和溫度調節裝置構成，對于脫硫系統其溫度調節方式是通過調節加濕器的加水量來調節系統溫度，如圖6所示。
調節溫度需要綜合考慮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及賦值表
根據現場操作者的實踐經驗和控制策略。隸屬函數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。
根據上述控制策略，制定出模糊控制規則表，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℃，仿真結果如圖7所示。
4 結論
本文針對火電廠煙氣脫硫控制系統存在的時變性、復雜性和不確定性，常規PID控制算法難以滿足要求的情況下，考慮到在工業現場的實用性，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中。仿真結果驗證該控制策略的有效性。