火电厂电除尘器出口烟尘浓度闭环控制在DCS中的实现

孙 岩，高粉艳

（宁夏枣泉发电有限责任公司，宁夏 宁东 750411）

0 引言

宁夏枣泉发电有限责任公司（以下简称枣泉公司）现有两台660MW 超超临界机组，每台机组配置两台双室五电场的电除尘器，每台电场出口烟道出安装一台烟尘浓度仪，电除尘器本体由浙江菲达环保股份有限公司设计制造。电除尘高频电源供电装置由浙江佳环电子有限公司生产，配套采用JHGP 型控制系统，其具有输出直流电压纹波小[1]、电能转换效率高、三相平衡供电等特点。机组运行中，烟尘排放浓度达到新环保标准的排放要求，烟尘排放浓度降低到＜5mg/Nm3近零排放，由于原控制系统存在的不能动态地对高频电源进行自动跟踪调节，出现烟尘排放浓度长时间维持在2mg/Nm3以下运行，有时会出现调整不及时烟尘排放浓度超标的问题。随着火电机组的经营形式愈发严峻且环保考核更严重的情况下，如何在保证烟尘排放达标的前提下，尽可能降低电除尘的功耗是摆在大家面前的新课题，因此非常有必要在现有设备基础上对控制系统进行优化。

1 原电除尘控制系统

1.1 原控制方式

1.1.1 高频电源控制系统

电除尘高频电源主要运行方式有：

1）火花率整定控制方式[2]。适用于粉尘浓度高、容易产生电晕闭塞、除尘效率低的场合，它能加强粉尘荷电，提高除尘效率，但这种控制方式消耗的电能较大。

2）脉冲和间歇供电控制方式。此方式运行时，按脉冲宽度、脉冲周期以及高能频率、低能频率设定的参数运行，受额定二次电压、额定二次电流限制运行，闪络时，受闪频的控制。

3）手动固定频率[3]。此方式运行时，按手动频率设定值运行，受额定二次电压，额定二次电流限制运行，闪络时，受闪频的控制。

1.1.2 上位机监控系统

通过以太网通讯实现对每台电除尘器高频电源的运行参数、报警状态、故障信息和通讯状态的监控，保证整个电除尘控制系统正常运行。运行人员在上位机中设定二次电压、二次电流等参数实现对高频电源的监控。

1.1.3 DCS一体化监控

随着自动化水平越来越高，电除尘高频电源利用MODBUS 通讯协议实现上位机与主机DCS 的通讯，电除尘高频电源监控已纳入主机DCS 系统，运行人员在DCS 中设定二次电压、二次电流等参数实现对高频电源的监控。

1.2 原控制方式存在的问题

1.2.1 电耗率较高且出现烟尘排放浓度超标问题

在机组投运后，电除尘高频电源的输出调节一直采用手动设定二次电压与二次电流的方法，运行人员为降低操作频次，往往把高频电源运行参数设定的很高，所以出现烟尘排放浓度长时间维持在2mg/Nm3 以下的现象，增大了电除尘器电耗率。机组运行中出现变负荷时运行人员不能及时控制高频电源运行参数，频繁出现烟尘排放浓度短时不能达到排放标准。

1.2.2 运行人员劳动强度大

手动运行方式不能适应负荷及煤质变化，靠运行人员定时调节给定极限电流，每天长时间、重复操作，劳动强度很大，很难保证调节质量。鉴于原控制系统存在的不能动态地对二次电流值进行自动反馈调节，因此有必要在现有设备基础上自行设计一套高频电源二次电流闭环控制系统。

2 在DCS中实现烟尘闭环控制

为了解决电除尘器高频电源的节能和环保问题，采用了电除尘出口烟尘浓度来实现闭环控制，最大限度地提高除尘效率和节约能耗。电除尘器高频电源闭环控制能根据不同运行工况和电除尘器出口烟尘浓度调整高频电源的控制参数。由于电除尘器高频电源上位机已与主机DCS 建立通讯，可直接采集DCS 中负荷信号、烟尘浓度信号等，所以利用DCS 强大的功能和友好的可视界面可方便实现闭环控制逻辑的组态。基本思路为保留现有DCS 中电除尘高频电源的参数设置和控制逻辑不变，增加A 侧和B 侧电除尘出口烟尘浓度的自动控制逻辑。A 侧和B 侧分别组态电除尘出口烟尘浓度自动控制逻辑，被控对象为A 侧和B 侧电除尘出口烟尘浓度。

2.1 两种闭环控制组态逻辑

2.1.1 插值法闭环控制逻辑组态

烟尘浓度闭环系统的输入参数为：烟尘浓度值、烟尘浓度调节范围、二次电流调节范围；输出参数为：高频电源二次电流。调节公式如下：

式中：

T——实时烟尘浓度值。

Tmin——烟尘浓度目标下限。

Tmax——烟尘浓度目标上限。

I2min——二次电流目标下限。

I2max——二次电流目标上限。

I2——输出的二次电流。

当烟尘浓度超过烟尘浓度上限时，二次电流设定值调整为上限；当烟尘浓度低于烟尘浓度下限时，二次电流设定值调整为下限。比如实际烟尘浓度为3mg/Nm3，当前闭环模式下设定的烟尘浓度上限为4，下限为2.5，设定的二次电流上限为1000，下限为700，则当前二次电流应该运行在：700+（1000-700）×（3-2.5）/（4-2.5）=800mA。

闭环控制回路的二次电流指令与原二次电流手动输入指令经速率限制后进行切换。当某一电场高频电源投入自动控制后，接受PID 的指令输出，并可进行手动二次电流偏置设定；当电场高频电源不投自动控制时，通过原有操作面板进行二次电流手动设定。

2.1.2 PID闭环控制逻辑组态

负荷的高低直接影响烟尘浓度，在不同的负荷下烟尘浓度的波动范围是不同的。为增强变负荷工况自动调节高频电源二次电流的适应性，加入机组负荷指令变化对二次电流自动调节计算的前馈，实时根据当前的负荷指令来修正闭环回路的二次电流指令输出参数，由此达到更精确地进行烟尘浓度闭环控制。

图1 A电除尘A电场高频电源二次电流控制逻辑图Fig.1 Secondary current control logic diagram of high frequency power supply in an electric field of a electrostatic precipitator

在自动控制回路中，考虑到当出现五电场阴阳极振达时二次扬尘的问题，在PID 输入前做了烟尘浓度突升逻辑判断。当出现突升至最大值时，被调量保持突升前的烟尘浓度值，避免各电场高频电源出现短时的二次电流突升突降。

自动控制回路的二次电流指令与原二次电流手动输入指令经速率限制后进行切换。当某一电场高频电源投入自动控制后，接受PID 的指令输出，并可进行手动二次电流偏置设定；当电场高频电源不投自动控制时，通过原有操作面板进行二次电流手动设定。以A 电除尘A 电场高频电源二次电流控制逻辑为例，具体组态如图1 所示。

考虑到电场输灰情况和后续电场对二次扬尘的捕捉作用情况，A 侧和B 侧一电场二次电流自动控制上下限值为200mA ～500mA，A 侧和B 侧二电场至五电场二次电流自动控制上下限值为300mA ～1500mA，二电场至五电场二次电流成逐渐增大的方式设定。机组负荷指令至控制回路前馈量根据机组50%，60%,70%,80%,90%,100%负荷工况下, 高频电源运行参数与烟尘排放浓度之间的关系进行曲线设定。

表1 #1机组电除尘闭环控制投运前后电场参数对比Table 1 Comparison of electric field parameters of 1 unit before and after putting into operation

表2 电除尘闭环控制投运前后电场耗电对比Table 2 Comparison of electric field power consumption before and after operation of closed-loop control of electrostatic precipitator

2.2 闭环控制逻辑组态对比

根据两种组态逻辑的原理，均能达到烟尘浓度闭环控制的目的。但前者插值法闭环控制逻辑只相当于后者PID闭环控制逻辑中比例P 的作用，虽能快速响应但不能做到精准调节，当出现烟尘浓度波动或跳变时，例如五电场阴阳极振达会二次扬尘的问题，烟尘浓度测量值会跳变值最大值，采用前者控制会出现高频电源运行参数大幅快速升降的问题。后者PID 闭环控制逻辑可加入信号坏质量保持好值、负荷变化前馈、手自动无扰切换等优化措施，使闭环控制的效果更明显。因此，枣泉公司的两台机组均采用后者PID 闭环控制逻辑组态。

3 改造后效果分析

#1、#2 机组电除尘烟尘浓度闭环控制调试后投入运行正常。投运后运行人员基本不需手动干预，极大地减少运行人员的工作量。烟尘浓度控制稳定，投入后未发生烟尘浓度短时超标的问题。

在相同机组负荷下，煤质、电除尘入口烟温偏差不大的情况下，对比电除尘闭环控制前后参数见表1。

从表2 中的数据可知，#1 机组电除尘电耗率下降0.0131%，#2 机组电除尘电耗率下降0.0701%，全厂合计电除尘电耗下降0.0422%。若全年发电67 亿kWh，电除尘则少耗电282.74 万kWh。

4 总结

该电除尘器高频电源电流闭环控制系统投入后实际运行效果良好，电除尘运行工况更趋稳定，电除尘出口烟尘浓度稳定控制在25mg/m3左右，电除尘器的运行电耗下降，节能效果明显，运行人员基本不需手动干预，极大地减少运行人员的工作量。