一種新型的燃煤機(jī)組SCR自動(dòng)控制策略

郭有福

【摘 要】目前環(huán)保對大氣污染物氮氧化物排放濃度的要求越來越嚴(yán)格，很多燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)或者通過改造具備煙氣脫硝裝置。由于選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)成熟，一次投資相對較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越多的火電廠選擇應(yīng)用。由于脫硝控制回路本身以及CEMS分析儀表的慣性較大，采用固定摩爾比或PID控制策略，很難滿足SCR煙氣脫硝控制要求。經(jīng)常出現(xiàn)脫硝出口氮氧化物濃度大范圍波動(dòng)，在出口濃度很低時(shí)，仍會部分噴射入煙道內(nèi)的氨氣不能完全反應(yīng)而逃逸。氨逃逸量的增加一定程度上造成空預(yù)器堵塞。本文介紹了一種基于偏差的模糊控制策略，一定程度上能使NOx排放濃度長期在比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】SCR；模糊控制；噴氨自動(dòng)

引言

化石燃料（煤、石油和天然氣）燃燒過程中NOx的生成有三種機(jī)理：含氮燃料的氧化（燃料型NOx）；空氣中的氮在高溫下與氧化合（熱力型NOx）；燃料自由基與氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN中間體進(jìn)而氧化生成（快速型NOx）。由于快速型NOx為燃料的特性，控制難度較大，其他兩種一般可以用低氮燃燒器改造等方式得到一定的控制，仍需要采用煙氣脫硝技術(shù)對脫硝出口NOx進(jìn)行控制。煙氣脫硝技術(shù)一般采用SCR和SNCR兩種方式。由于SCR法技術(shù)成熟，而被廣泛的采用。SCR法脫硝就是在煙氣中直接噴入氨氣，在高溫中氨氣與NOx反應(yīng)，形成氮?dú)夂退?。在煙道噴入氨氣后，脫硝出口NOx濃度由于煙氣系統(tǒng)以及CEMS分析儀表的慣性大，脫硝出口NOx不會立即降低，若此時(shí)再噴入大量氨氣，勢必會造成氨氣的逃逸。氨逃逸量不會對效率有直接影響，但是氨氣逃逸量增加會對設(shè)備造成影響：NH3 與煙氣中SO2，O2，H2O形成（NH4）2SO4，能以固體粉末附著在SCR 催化劑上，也能以液體狀態(tài)附著在空氣預(yù)熱器上造成腐蝕。同時(shí)，噴入過量的氨氣也是資源的浪費(fèi)。

一、SCR噴氨的幾種控制策略

張家口熱電公司在投產(chǎn)時(shí)就配置了脫硝系統(tǒng)，分別采用過固定摩爾比的策略和PID控制兩種策略。下面對一下兩種策略針對張家口熱電公司的情況進(jìn)行介紹：

1、固定摩爾比

根據(jù)目前國內(nèi)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對脫硝氨氣流量控制一般采用基本控制方式Constant Mole Ratio Control（固定摩爾比控制方式）。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中。它利用入口氮氧化物濃度折算出理論氮的含量，再與氨氣的分子量計(jì)算出全部噴氨的質(zhì)量，再乘以理論效率得到實(shí)際的噴氨量，使用計(jì)算出的量與質(zhì)量流量計(jì)的進(jìn)行比較控制閥門開度。該種控制方式對NOX屬于開環(huán)調(diào)解，若入口NOX儀表故障導(dǎo)致測量顯示偏低時(shí)，很難控制脫硝出口氮氧化物的濃度在合適的范圍內(nèi)，同時(shí)也沒有設(shè)計(jì)人為干預(yù)的偏置設(shè)定效率或者NOX濃度。

2、PID控制

脫硝噴氨調(diào)節(jié)采用PID計(jì)算，實(shí)際是控制脫硝出口的NOX濃度值。設(shè)計(jì)了兩種控制方式：固定脫硝效率和固定排放濃度。設(shè)定效率時(shí)，根據(jù)入口濃度值計(jì)算出口濃度設(shè)定值，用實(shí)際出口濃度與出口濃度設(shè)定值比較，然后進(jìn)行噴氨。設(shè)定濃度時(shí)，直接比較濃度差進(jìn)行PID運(yùn)算。由于人為可以干預(yù)效率和濃度的設(shè)定，一定程度上較固定摩爾比的控制方式有優(yōu)越性。但在探頭吹掃時(shí)濃度保持后對PID控制失靈，出口濃度波動(dòng)更大。以及由于脫硝出口濃度很高，系統(tǒng)慣性較大，噴入大量的氨氣也未能完全反應(yīng)，而與煙氣中反應(yīng)行成的副產(chǎn)物使空預(yù)器更容易積灰堵塞。

二、噴氨模糊控制策略

氮氧化物的形成機(jī)制與負(fù)荷和風(fēng)量，燃燒調(diào)整有一定的關(guān)系，經(jīng)過稀釋后的氨氣能否與氮氧化物完全反應(yīng)，是否有逃逸，也很難確定。測量的慣性、分式采樣以及探頭吹掃等問題導(dǎo)致采用SCR氨氣脫硝的現(xiàn)有的固定摩爾比和PID控制都不能適應(yīng)目前的工況。鑒于脫硝氮氧化物的濃度變化緩慢，其他同類型機(jī)組脫硝都通過專人手工調(diào)整，也能在一定范圍內(nèi)達(dá)到要求。該種模糊控制策略就是在這種控制難點(diǎn)的前提下提出的。

2.1偏差控制回路

采用偏差控制，某種程度上類似靠人腦來判斷控制噴氨調(diào)整門的開度。脫硝出口NOx設(shè)定值與測量值偏差進(jìn)行比較，來控制閥門的開度。脫硝出口NOX設(shè)定值大于測量值，開大噴氨調(diào)整門的開度，脫硝出口NOX設(shè)定值小于測量值，關(guān)小噴氨調(diào)整門的開度。該功能通過偏差絕對值的與相應(yīng)的時(shí)間函數(shù)決定。在實(shí)際使用中，偏差越大維持的時(shí)間略短，更適合該中工況。偏差控制回路是模糊控制中最主要的部分。采用該方法在一定程度上能控制出口濃度在一定的范圍內(nèi)，但是NOX波動(dòng)也較大，經(jīng)常出現(xiàn)NOx濃度在50mg以下或200mg以上的狀況。

2.2抑制回路

實(shí)現(xiàn)了偏差控制后，觀察出口NOX濃度的曲線，發(fā)現(xiàn)脫硝出口NOX濃度已經(jīng)具有下降趨勢，由于脫硝出口NOX濃度依舊大于設(shè)定值，按原來的控制策略，噴氨調(diào)門依舊開大，導(dǎo)致的過調(diào)使出口濃度出口低于50mg的現(xiàn)象，而由于閥門關(guān)小后，出口氮氧化物濃度已經(jīng)上升趨勢，閥門進(jìn)一步關(guān)閉，導(dǎo)致出口濃度出現(xiàn)高于200mg的現(xiàn)象。根據(jù)以上現(xiàn)象，在邏輯判斷中由于在門動(dòng)作時(shí)將氮氧化物的濃度記錄下來，再下一次開門前比較當(dāng)前NOX濃度，并記錄下新的NOX濃度的值，若在濃度大于設(shè)定值，而控制方向已經(jīng)濃度已經(jīng)出現(xiàn)下降，使得門沒有開允許，使得閥門保持；反之，若在濃度小于設(shè)定值，而控制方向已經(jīng)濃度已經(jīng)出現(xiàn)上升降，使得門沒有關(guān)允許，也使得閥門保持。

2.3超前動(dòng)作回路

此策略類似于常規(guī)PID信號中的微分作用。當(dāng)測量值快速上升時(shí)，若此時(shí)增大閥門開度，也一定程度上抑制了NOX快速上升，相比偏差控制更為快速；當(dāng)測量值快速下降時(shí)，若此時(shí)關(guān)小閥門，也一定程度上抑制了NOX快速下降。具體的實(shí)現(xiàn)算法：當(dāng)脫硝出口NOx測量值出現(xiàn)快速上升并持續(xù)一段時(shí)間，開大調(diào)整門，上升時(shí)間持續(xù)某一時(shí)間，繼續(xù)開大噴氨調(diào)門； 當(dāng)測量值出現(xiàn)快速下降并持續(xù)一段時(shí)間下降時(shí)，關(guān)小調(diào)整門開度。如何判斷已經(jīng)出現(xiàn)的快速上升趨勢或下降趨勢根據(jù)是本個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。脫硝出口NOX濃度與以一定的速率限制前信號偏差比較可以實(shí)現(xiàn)該功能。同時(shí)要有一定濃度范圍內(nèi)該功能能實(shí)現(xiàn)。

2.4吹掃保持回路

在脫硝煙道處CEMS儀表采用抽取法，為防止采樣探頭堵塞使得測量不準(zhǔn)確，CEMS探頭會定期吹掃。由于在探頭吹掃時(shí)，氮氧化物在軟件或硬件中保持為原值，不能正確指示煙氣的NOX的含量。而此時(shí)再根據(jù)保持的濃度來調(diào)整噴氨調(diào)門，必定使得調(diào)整更加混亂，達(dá)不到控制的要求。故在探頭吹掃時(shí)，保持閥門的開度一定是十分必要的，對維持脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定起到一定作用。

2.5其他輔助控制策略

2.5.1標(biāo)定保持回路

CEMS系統(tǒng)需要定期標(biāo)定、維護(hù)，才能滿足NOX測量濃度準(zhǔn)確，保證上傳給環(huán)保局以及DCS顯示數(shù)據(jù)正常。若標(biāo)定時(shí)，NOX若不是在ZERO或在SPAN位置，可能保證閥門根據(jù)此濃度進(jìn)行調(diào)整，必定影響后來的實(shí)際控制進(jìn)度，只能保證噴氨調(diào)整門不動(dòng)。在具體邏輯實(shí)現(xiàn)，采用在標(biāo)定信號存在時(shí)，使得脫硝自動(dòng)切除，待標(biāo)定信號消失后，方能使該自動(dòng)控制系統(tǒng)投入自動(dòng)。

2.5.2負(fù)荷前饋系數(shù)

經(jīng)多次研究，在負(fù)荷較高時(shí)，雖然煙氣量較大，但由于反應(yīng)器溫度與脫硝催化劑最佳反應(yīng)溫度接近，導(dǎo)致效率提高，同時(shí)高負(fù)荷為厭氧燃燒，也一定程度的降低了NOX的排放濃度。引入鍋爐負(fù)荷或機(jī)組負(fù)荷作為前饋信號，進(jìn)一步增強(qiáng)變負(fù)荷系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時(shí)性，同時(shí)可彌補(bǔ)反應(yīng)器和煙氣分析儀的時(shí)滯。

2.5.3切除自動(dòng)邏輯

偏差大切除自動(dòng)邏輯為每個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)必備的功能，以保證脫硝出口NOX長期出現(xiàn)過高和過低的時(shí)能及時(shí)切除自動(dòng)，以便于檢查出是否儀器儀表出現(xiàn)問題。

2.5.4脫硝入口氮氧化物濃度前饋系數(shù)

當(dāng)脫硝入口NOX濃度變大時(shí)，若此時(shí)進(jìn)行修每次閥門的開度，也能一定程度上起到超前動(dòng)作功能。結(jié)合以上思路，基于日立H5000M系統(tǒng)，編制邏輯圖如下：

經(jīng)以上控制策略，在某種程度上改善了噴氨自動(dòng)的狀況。

三、結(jié)論

脫硝儀表的定期維護(hù)，使之顯示準(zhǔn)確，是該種控制策略可以使用的前提。結(jié)合低氮燃燒器和鍋爐配風(fēng)，也是降低鍋爐出口NOX的重要措施。該種脫硝控制策略雖能達(dá)到控制脫硝出口濃度的目的，但也需要硬件相應(yīng)的改造才能達(dá)到更好的效果。

如利用擾流件將氨氣和煙氣混合均勻，增加脫硝催化劑，一定程度上都能降低氨氣的逃逸，防止空預(yù)器的堵塞。該種基于人工的控制模式的控制策略適合目前的狀況，對于同類型機(jī)組有借鑒意義。當(dāng)然目前的控制方法不一定是最好的。其他科研人員的研究結(jié)果表明，影響SCR 煙氣脫硝效率的因素有：反應(yīng)溫度，煙氣流量， NH3/NOx 摩爾比[1]，氧氣濃度，氨氣逃逸量等。

若現(xiàn)有先進(jìn)的算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)學(xué)建模等應(yīng)用在SCR上，可能脫硝NOX將會更容易控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，具有更好的控制效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐旭，應(yīng)劍，王新龍.燃煤電廠選擇性催化還原煙氣脫硝系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)[J] .動(dòng)力工程學(xué)報(bào)， 2010 ，30（6）：439-443

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