SNCR脫硝系統(tǒng)的廣義預(yù)測(cè)控制

何偉，魯明，李國(guó)強(qiáng)，劉志遠(yuǎn)，張波

(中石油獨(dú)山子石化公司 熱電廠，新疆 克拉瑪依 833699)

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SNCR脫硝系統(tǒng)的廣義預(yù)測(cè)控制

何偉，魯明，李國(guó)強(qiáng)，劉志遠(yuǎn)，張波

(中石油獨(dú)山子石化公司 熱電廠，新疆 克拉瑪依 833699)

摘要：由于脫硝回路具有大滯后、強(qiáng)非線(xiàn)性等特點(diǎn)，熱電鍋爐基于PID控制器的脫硝回路自動(dòng)控制系統(tǒng)存在控制品質(zhì)差、自控投運(yùn)率低等問(wèn)題。 分析了SNCR工藝流程特點(diǎn)及現(xiàn)有控制策略的不足，提出了一種基于廣義預(yù)測(cè)控制算法的SNCR脫硝系統(tǒng)控制策略。針對(duì)回路特點(diǎn)改進(jìn)控制策略，利用最小二乘法獲得氨水閥門(mén)開(kāi)度與氮氧化物質(zhì)量濃度的一階慣性純滯后模型，使用廣義預(yù)測(cè)控制算法控制氮氧化物質(zhì)量濃度，在原有DCS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了SNCR脫硝回路先進(jìn)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)結(jié)果表明： 基于廣義預(yù)測(cè)控制的脫硝系統(tǒng)氮氧化物排放量波動(dòng)幅度降低，回路自控投運(yùn)率提高。

關(guān)鍵詞：SNCR脫硝系統(tǒng)廣義預(yù)測(cè)控制氮氧化物控制策略

氮氧化物(NOx)是化石燃料燃燒過(guò)程中排放的重要大氣污染物之一，其危害主要體現(xiàn)在四個(gè)方面： 進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)，引起氣管炎、肺炎、肺氣腫等疾病；是形成酸雨的重要因素，酸雨會(huì)破壞森林植被、污染水體；當(dāng)與碳?xì)浠衔镌陉?yáng)光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命；與平流層中的臭氧發(fā)生連鎖反應(yīng)消耗臭氧，造成臭氧層空洞[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)大氣中的NOx主要來(lái)自燃煤火力電廠、機(jī)動(dòng)車(chē)和工業(yè)爐窯等[2]，其中燃煤電廠是最主要來(lái)源，每年排放的NOx占排放總量的35%～40%[3]，幾乎占了半壁江山。因此，研究如何降低燃煤發(fā)電企業(yè)NOx的排放具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1SNCR工藝原理及控制邏輯

選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)(SNCR)是一種向旋風(fēng)分離器入口煙道或爐膛出口煙道中噴NH3或尿素等含有氨基的還原劑的技術(shù)，在927～1 093 ℃內(nèi)，還原劑在高溫下迅速分解為NH3，NH3選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O，基本上不與煙氣中的O2作用[4]。 相比選擇性催化還原法技術(shù)(SCR)，SNCR雖然脫硝效率中等，但造價(jià)低廉，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失、對(duì)空氣預(yù)熱器沒(méi)有腐蝕作用、且占地面積小[5]，比較適合用于中小型電廠現(xiàn)有鍋爐的改造。

獨(dú)山子動(dòng)力站1號(hào)爐的脫硝回路使用的SNCR工藝，是向煙氣中噴入濃氨水和除鹽水的混合溶液，將NOx還原成N2和H2O[6]，如圖1所示。從圖1中可以看出該回路共有2個(gè)控制閥門(mén)，分別控制氨水和除鹽水的流量，并在煙道尾部檢測(cè)ρNOx并進(jìn)行反饋。

圖1　獨(dú)山子1號(hào)脫硝系統(tǒng)工藝示意

獨(dú)山子電廠1號(hào)爐，初始NOx相關(guān)性是過(guò)熱空氣量、過(guò)剩空氣和鍋爐負(fù)荷的函數(shù)。如果ρNOx預(yù)測(cè)得太低，氨水水流量會(huì)設(shè)置得太小，NOx的去除效果也會(huì)差。相反，如果ρNOx預(yù)測(cè)太高，氨流量會(huì)比

需求量大，氨逃逸的可能性將大幅增加。因此，有必要標(biāo)定一個(gè)能準(zhǔn)確反映進(jìn)入SNCR區(qū)域的ρNOx，并且能夠適當(dāng)?shù)胤从吵鲥仩t運(yùn)行中的變化。為了維持整個(gè)鍋爐運(yùn)行條件范圍內(nèi)NOx的去除效果，應(yīng)遵循圖2所示的控制邏輯。

圖2　氨水流量控制邏輯示意

2當(dāng)前SNCR脫硝控制

脫硝系統(tǒng)當(dāng)前的控制策略，如圖3所示。NOx的主控制回路沒(méi)有使用常規(guī)的PID控制，而是用1套模糊控制的經(jīng)驗(yàn)算法來(lái)完成，比例調(diào)節(jié)器通過(guò)氨水流量控制中的比值對(duì)氨水進(jìn)行定量控制。主控制回路輸出的氨水流量設(shè)定值是副回路氨水閥門(mén)PID的設(shè)定值，總噴水量(目前設(shè)定為1.200 m3/h)減去氨水流量反饋值作為稀釋水流量的設(shè)定值。

圖3　DCS中脫硝系統(tǒng)原ρNOx控制策略示意

SNCR脫硝工藝是一個(gè)長(zhǎng)流程、大滯后的控制對(duì)象，氨水和NOx在煙道中的反應(yīng)流程較長(zhǎng)，常規(guī)的PID控制回路很難達(dá)到較好的控制效果[7]，圖3中的比例控制器就更無(wú)法達(dá)到很好的控制效果了。

此外，由于其比值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，缺乏對(duì)實(shí)際情況的跟蹤，不能完全反映實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的變化。針對(duì)目前電廠煤種不斷發(fā)生變化的情況，原

有控制策略很難根據(jù)鍋爐具體運(yùn)行狀況、煤質(zhì)的改變等快速優(yōu)化參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表的定期吹掃、標(biāo)定以及工作環(huán)境會(huì)給測(cè)量帶來(lái)干擾或使數(shù)據(jù)失真，而上述方法又過(guò)分依賴(lài)測(cè)點(diǎn)，因而造成控制水平下降。

圖4為2014年8月26日，全天投入脫硝控制的一段曲線(xiàn)(圖a)為ρNOx測(cè)量值，圖b)為氨水流量)。

圖4　DCS中ρNOx測(cè)量值與氨水流量曲線(xiàn)對(duì)比

從圖4可以看到ρNOx在60～120mg/m3波動(dòng)，控制輸出曲線(xiàn)(氨水流量)與控制對(duì)象曲線(xiàn)(ρNOx測(cè)量值)基本成比例關(guān)系，無(wú)法起到控制作用。因此，操作人員很久不用NOx自動(dòng)回路，而是一直采用手動(dòng)操作。

3SNCR脫硝廣義預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1SNCR脫硝預(yù)測(cè)控制

通過(guò)最小二乘辨識(shí)方法對(duì)該回路進(jìn)行模型辨識(shí)，得到脫硝回路中ρNOx和氨水流量閥門(mén)之間的對(duì)象模型為

式中：Y(s)——回路輸入?yún)?shù)(ρNOx測(cè)量值)；

U(s)——回路輸出參數(shù)(氨水閥門(mén)開(kāi)度)；t——時(shí)間，s；e——自然常數(shù)。

脫硝系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略如圖5所示。采用廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)作為NOx回路的控制器，控制量直接作用于氨水流量調(diào)節(jié)閥。因?yàn)榘彼刂崎y控制線(xiàn)性非常好，不存在空圈死區(qū)等現(xiàn)象，不使用原來(lái)的串級(jí)控制。稀釋水流量控制方式保持原先邏輯不變： 用總噴水量減去氨水流量測(cè)量值作為稀釋水流量的設(shè)定值，并通過(guò)PID控制器對(duì)稀釋水流量閥門(mén)進(jìn)行控制。

脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制回路于2015年3月18日～28日投用期間，回路自動(dòng)投用率高于95%。

圖5　改進(jìn)的脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制示意

圖6a)為手動(dòng)控制時(shí)的24 h ρNOx測(cè)量值曲線(xiàn)，ρNOx一般控制在50～100mg/m3，但是波動(dòng)較大。圖6b)為先進(jìn)控制投運(yùn)后的24 h ρNOx測(cè)量值曲線(xiàn)，設(shè)定值為72 mg/m3，控制精度在±10%以?xún)?nèi)，大部分時(shí)間在±5%左右。圖6c)為24 h手動(dòng)控制氨水流量曲線(xiàn)，操作人員只在ρNOx較高或較低時(shí)才調(diào)節(jié)氨水控制閥門(mén)，而且單次的調(diào)整幅度都比較大。圖6d)為先進(jìn)控制投運(yùn)后24 h氨水流量曲線(xiàn)，通過(guò)微調(diào)控制輸出以保持ρNOx的穩(wěn)定，控制量較為平穩(wěn)。

a) 手動(dòng)控制24 h ρNOx測(cè)量值曲線(xiàn)

b) 預(yù)測(cè)控制投運(yùn)后24 h ρNOx測(cè)量值曲線(xiàn)

c) 手動(dòng)控制24 h氨水流量曲線(xiàn)

d) 預(yù)測(cè)控制投運(yùn)后24 h氨水流量曲線(xiàn)

3.2先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)

先進(jìn)控制系統(tǒng)平臺(tái)包括先進(jìn)控制組件、數(shù)據(jù)通信組件和實(shí)時(shí)趨勢(shì)組件。先進(jìn)控制組件是控制的核心，負(fù)責(zé)進(jìn)行先進(jìn)控制運(yùn)算，給出控制輸出；數(shù)據(jù)通信組件負(fù)責(zé)與DCS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；實(shí)時(shí)趨勢(shì)組件幫助更好地進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，得到最合適的控制參數(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電廠脫硝回路工藝進(jìn)行分析，針對(duì)當(dāng)前控制方案及其存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改良控制策略，引進(jìn)廣義預(yù)測(cè)控制對(duì)SNCR脫硝回路進(jìn)行先進(jìn)控制改造，搭建SNCR脫硝先進(jìn)控制平臺(tái)，并實(shí)際投運(yùn)于現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的控制效果。

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Generalized Predictive Control on SNCR Denitration System

He Wei, Lu Ming, Li Guoqiang, Liu Zhiyuan, Zhang Bo

(Thermal Power Plant, Xinjiang Dushanzi Petrochemical Company, Karamay, 833699, China)

Abstract:Due to the characteristics of large lag and strong nonlinearity of denitration loop, PID-based automatic control system of power plants owns poor control quality and low loop automatic operation rate for denitration loop. The characteristics of SNCR process and shortage of existing control strategy are analyzed with proposal of a new SNCR denitration system control strategy based on one generalized predictive control algorithm. Design and implement of advanced control system for SNCR denitration loop are realized on the basis of original DCS with improving control strategy focusing on loop characteristics, and first order inertia pure lag model with least squares method to obtain valve opening degree and nitrogen oxide mass concentration, and application of generalized predictive control algorithm to control nitrogen oxides mass concentration. The on-site operation results show fluctuation of nitrogen oxide emissions amount of denitration system is reduced and automatic control loop operation rate is increased for denitration system based on generalized predictive control.

Key words:selective non-catalytic reduction; denitration system; generalized predictive control; nitric oxide; control strategy

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)01-0038-04

作者簡(jiǎn)介：何偉(1983—)，男，2005年畢業(yè)于北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石油獨(dú)山子石化公司熱電廠，從事儀表專(zhuān)業(yè)研究工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-14，修改稿收到日期： 2015-11-12。