[发明专利]火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统有效

专利信息
申请号: 201210000687.X 申请日: 2012-01-01
公开(公告)号: CN102580513A 公开(公告)日: 2012-07-18
发明(设计)人: 蔡如钰;郑成辉;林心光;黄镜钊 申请(专利权)人: 蔡如钰
主分类号: B01D53/80 分类号: B01D53/80;B01D53/50;G05B17/02
代理公司: 福州智理专利代理有限公司 35208 代理人: 王义星
地址: 350013 福建省*** 国省代码: 福建;35
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摘要:
搜索关键词: 火电厂 烟气 脱硫 过程 模拟 优化 系统
【权利要求书】:

1.火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于包括:

火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟模型;

火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化数据库;

火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化软件系统,包括“服务器”和“客户端”两部分。

2.根据权利要求1所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟模型包含烟气脱硫工艺简化模型和脱硫塔设备模拟模型。

3.根据权利要求1所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化数据库包含以火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟模型为基础,以“脱硫效率达到95%以上且SO2排放浓度稳定低于105mg/L”为目标得到的多目标优化数据,以及这些优化数据建立的基本数据库。

4.根据权利要求1或2或3所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化软件系统包含具有SIS数据接收处理、数据库访问及数据更新、优化控制模式查找匹配、控制信息发送、日志管理功能的“服务器”,以及具有控制信息接收、控制信息显示、控制信号预警提示功能的“客户端”。

5.根据权利要求2所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的脱硫塔设备模拟模型包含浆液下落运动模型、液滴碰撞模型、SO2吸收模型、浆液滴中石灰石溶解与亚硫酸钙结晶模型。

6.根据权利要求1或4所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的“服务器”数据库访问及数据更新是以火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化数据库为基础优化控制数据,以实际采集的具有参照价值的实际操作数据为校正参数,实时把校正参数写入数据库中,并在访问数据库时对基础优化控制数据进行修正,当SIS传出数据,以CSV格式存入固定路径,服务器监控并读取CSV文件中的数据,服务器查找数据库中最佳匹配的控制参数,并发送给客户端,一方面客户端接收数据,并进行显示、警告提示;另一方便服务器判别实际控制参数是否有参考价值,若有写入数据库,并回到服务器监控并读取CSV文件中的数据。

7.根据权利要求1或4所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的“服务器”在办公局域网中接入并提供优化控制信息,从而解决了直接操作DCS系统造成芯片的负载过重等安全性问题,同时“客户端”接收“服务器”的数据并在实际工艺控制流程图上的节点中显示出来,供操作人员参考。

8.根据权利要求6所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的“服务器”优化控制模式查找匹配功能包含通过访问火电厂石灰石湿法烟气脱硫过程模拟优化数据库,查找与实际运行参数最相近的匹配控制方式,并提出控制建议,并通过控制信息发送功能把数据发送给局域网内的所有客户端。

9.根据权利要求5所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统,其特征在于所述的液滴碰撞模型中包含的如下假定条件和方程:

液滴进入新一层喷淋层时只发生一次碰撞;

,其中di为液滴的直径;

,其中N为每层液滴数,为每个液滴与上一层下落液滴的碰撞概率。

10.权利要求1-9任一所述的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统用于燃煤电厂石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺的模拟优化方法,包括如下步骤:

 1、建立脱硫过程数学模型

烟气脱硫模型的具体前置条件如下:

1)假设烟气处于理想状态,忽略因水蒸气的蒸发及物质的吸收而导致烟气流速的改变;

2)浆液滴下落过程以球形、直线下落状态考虑,浆液滴之间的相互影响以表面更新的效果考虑,以表面暴露时间反应;不考虑因蒸发而导致浆液滴尺寸的改变及浆液滴变形对拽力系数的影响;

3)烟气中的SO2、CO2进入浆液后分别以水合二氧化硫和水合二氧化碳形式存在,忽略烟气中CO2对浆液滴中CO2解吸的影响;

4)浆液滴、浆液池内局部的电荷平衡与化学平衡在瞬时达到,而吸收、传质、溶解、结晶以及化学反应等需要一个过程;

5)由于烟气中的含氧量不高,而且浆液滴在喷淋塔内吸收区的停留时间有限,因此不考虑自然氧化过程;

6)浆液滴下落过程,不考虑六价硫总量的变化,忽略吸收区的CaSO4溶解和结晶过程;

7)认为气相流场在径向是均匀的,只考虑气相在轴向上SO2浓度的变化;忽略烟气上行过程中,浆液池对SO2的吸收作用;

8)假设浆液池内混合均匀;

9)忽略浆液池内空气在氧化过程中O2浓度的变化;

根据SO2在塔内吸收反应情况中将喷淋吸收塔分为吸收区段、氧化区段;

吸收区段的基本吸收单元是浆液滴;浆液滴在下落过程中,伴随着SO2的吸收、液滴内石灰石溶解、CO2的解吸等一系列的化学反应和传递过程;

(1)浆液滴下落运动模型

把液滴下降当作固体球体在气体中的下落进行处理;下落过程中,液滴运动满足:

其中:曳力系数

(2)液滴碰撞方程

只考虑液滴进入新一层喷淋层时只发生一次碰撞,假设每层均有N个液滴,每个液滴与上一层下落液滴的碰撞概率为,则有如下方程:

(3)SO2吸收模型

浆液滴中SO2的扩散传质过程将浆液滴作为喷淋塔的基本吸收单元来描述吸收过程;SO2在浆液滴表面被吸收,传质通量方程式为:

浆滴中SO2的吸收反应过程,总四价硫(SO2,HSO-3,SO2-3,和CaSO4)在浆滴中的变化方程:

总钙(,,和)在浆滴中的变化方程:

总碳(,,和)在浆滴中的变化方程:

(4)浆液滴中石灰石溶解与亚硫酸钙结晶模型

石灰石溶解速度反应式:

和的沉淀结晶方程:

其中

将上述的脱硫模型利用图1吸收模型整体编程计算可以得到一定工况下脱硫塔内各组分浓度分布和各流股的流量;单个工况的模拟计算是脱硫操作优化的基础;

2、脱硫过程多目标优化

多目标函数一般方程如下:

在多目标优化问题中,一般式的加权和方法进行多目标归一化处理得:

设定优化条件:SO2减排量最大的同时电耗最低,并满足脱硫效率达到一定数值或SO2排放浓度低于某一设定值的要求;采用权重法进行归一处理,以排污费和电费作为权重;

以不同烟气流量、SO2入口浓度、pH值、烟气入口压力组合作为人工设定的工况,利用建立好的脱硫过程模型,通过改变各个循环浆液泵的开启组合达到预定目标;筛选出各个工况下最优的操作条件;

3、建立优化操作数据库

根据实际尽量选取能覆盖实际工况范围的工况条件, 

烟气流量:低于800 kNm3/hr ~高于1500kNm3/hr,变化步长100 kNm3/hr;

烟气入口SO2浓度:低于800 mg/Nm3~高于5000mg/Nm3,变化步长600mg/Nm3

pH值:低于5.2~高于5.8,变化步长0.2;

烟气入口表压:-1000Pa~1000Pa,变化步长200 Pa;

将各工况组合输入优化模拟系统,得到以各个循环浆液泵的开启组合为结果的优化操作数据库;将工况组合条件与优化操作数据库封装成一个数据包;该数据库包含当各个浆液循环泵全部投入运行时,还不能达到优化条件的情况;当pH值低于5.2,应立即增加石灰石浆液的供应量;pH值应尽量控制在5.4-5.6之间,以确保系统优化运行,保证脱硫效率或出口烟气浓度达到相关要求,以及保持石灰石与电能消耗之间的平衡等建议; 

4、将流程优化系统接入火电厂办公局域网

采用从OA局域网上的SIS采集控制系统数据,并通过编写优化控制软件给出相应的系统提示,由相应的管理人员给控制室发出指定,进行人工干预调整控制系统;

流程优化控制的实现过程包括以下三个步骤:

1) 通过SIS数据库接口,把脱硫系统关键参数的数据打包,并按一定的结构生成csv文件,并传送至流程模拟优化控制服务器下的特定文件夹下;

2) 流程模拟优化控制服务器程序负责对特定文件夹下的csv进行监控,若文件改变则读取数据并根据相关的优化控制条件进一步处理,以数据库检索的方式,寻找匹配的记录,并生成相关信息,最后在OA局域网内广播优化控制的相关消息,以便客户端进行接收;

3) 流程模拟优化控制客户端程序在办公网内接收优化控制信息提示,相关管理人员可根据提示给控制室下达控制调整指令;

5、火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统软件

将上一步流程优化控制三个步骤可视化,形成可操作的火电厂烟气脱硫过程模拟优化系统软件,该软件由“服务器”和“客户端”组成;

“服务器”监控经由SIS数据库发送的DCS系统的实时数据文件,实时读取更新的数据并进行分析,然后将数据和优化结果发送到“客户端”;“客户端”接收从“服务器”的实时数据和相关建议,并在“客户端”软件界面上供用户查看;“服务器”和“客户端”通过局域网实现连接和用户管理;

“服务器”包含文件监控、数据读取、模拟优化、数据发送、预警提示、日志管理、用户管理模块;用于SIS数据接收处理、数据库访问及数据更新、优化控制模式查找匹配、控制信息发送、日志管理;当服务器监控的文件数据发生更改,并且在服务器程序分析之后如果建议采用不同的策略时,服务器会报警并根据分析结果及时弹出一个建议框;主界面会显示最近的几条有变动的数据,并会在数据库中记录所有发生变动的数据及相关建议;主界面的少数的数据方便用户快速的回顾最近的历史数据,并且通过双击数据可以查看具体的建议;

 “客户端”包含“服务器”连接、控制信息接收、控制信息显示、控制信号预警提示、数据查询、曲线绘制、日志管理模块;用于数据的接收、数据的查询、数据的显示、曲线的显示和预警提示,实时曲线和数据查询的内容包括烟气流量、SO2入口浓度、pH值、压力、脱硫效率及SO2出口浓度等的实时数据变化趋势,并能实时计算出其各自的最大值、最小值和平均值;用户还可以查看一个小时以内的历史曲线;

6、模拟优化系统学习功能

“服务器”记录实时工况数据,并记录具有一定参考价值工况的实际操作方式,并写入数据库中;在下次同一种工况出现时,优化控制的提示将以数据库中优化数据为基础,采用数据库所收集的历史参考数据进行校正,并提示给操作人员;经过一段时间后,原先模拟计算得到的优化操作数据库将得到进一步优化。

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