1 000 MW超超臨界機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)控制優(yōu)化

李勇，王彤

1 000 MW超超臨界機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)控制優(yōu)化

李勇，王彤

（徐州華潤電力有限公司，江蘇徐州，221142）

為了提高控制品質(zhì)、滿足環(huán)保達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)，對1 000 MW超超臨界機(jī)組的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了控制優(yōu)化。采用三級串級復(fù)合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以煙囪入口氮氧化物（NOx）濃度作為被調(diào)節(jié)量，通過模糊控制減小了預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的偏差，通過預(yù)測控制提高了自動(dòng)投入率，有效減少了噴氨量，降低了空氣預(yù)熱器堵塞的可能性。優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕了運(yùn)行人員壓力，節(jié)約了運(yùn)行成本，也取得了較好經(jīng)濟(jì)效益。

超超臨界機(jī)組；脫硝；選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）；三級串級；控制優(yōu)化；超低排放；技術(shù)改造

引言

按照我國頒布的綠色發(fā)展要求和大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，將通過加快燃煤電廠升級改造，在全國范圍內(nèi)全面推廣超低排放和世界一流水平的能耗標(biāo)準(zhǔn)。燃煤機(jī)組將在2020年前全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約原煤約1億噸，減少二氧化碳排放約1.8億噸，降低電力行業(yè)主要污染物排放總量60%左右。

超低排放一般指排放煙氣中的顆粒物、二氧化硫和氮氧化物（NOx）濃度分別不超過10 mg/Nm3、35 mg/Nm3和50 mg/Nm3。國內(nèi)降低NOx排放主要從兩方面進(jìn)行：① 采用低氮燃燒器減少爐膛中NOx的生成量；② 采用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）脫硝，減少生成的NOx的排放量。SCR脫硝系統(tǒng)控制優(yōu)化正是為提高控制品質(zhì)，更好地滿足環(huán)保達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)和超低排放改造的要求而提出的。

1　脫硝控制系統(tǒng)工作原理

我公司1 000 MW超超臨界機(jī)組脫硝裝置采用的原理是選擇性催化還原反應(yīng)（SCR），脫硝裝置位于鍋爐省煤器后部和空氣預(yù)熱器（簡稱空預(yù)器，下同）前部，氨噴射格柵安裝在SCR 反應(yīng)器上游。煙氣由省煤器后進(jìn)入一個(gè)垂直布置的SCR 反應(yīng)器里，再向下經(jīng)過均流板和催化層，隨后進(jìn)入空預(yù)器、靜電除塵器、引風(fēng)機(jī)和煙氣脫硫（FGD）裝置，最后通過煙囪排入大氣。煙氣中的NOx在催化劑的作用還原成氮?dú)夂退?，減少了有害物質(zhì)的排放。

脫硝裝置在運(yùn)行過程中，由于NH3與NOx的不完全反應(yīng)，會有少量的NH3逃逸出反應(yīng)器，與煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)生成NH3HSO4。在150℃～230℃時(shí)，NH3HSO4對空預(yù)器冷段形成強(qiáng)烈腐蝕，同時(shí)其黏稠性容易造成空預(yù)器積灰，造成空預(yù)器嚴(yán)重堵塞[1]。

因此，脫硝裝置運(yùn)行的主要任務(wù)是：在滿足安全運(yùn)行的前提下，對噴氨量進(jìn)行控制，使得NOx排放不超標(biāo)，減小空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)氨氣用量的減少也可節(jié)省運(yùn)行成本。

2　脫硝控制系統(tǒng)控制優(yōu)化

我公司脫硝裝置原有控制系統(tǒng)存在的主要問題是：控制系統(tǒng)自動(dòng)投入率低；自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的預(yù)設(shè)值與實(shí)際值偏差大，經(jīng)常超標(biāo)排放；手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)操作頻繁，工作量大。

2.1一般控制策略

在脫硝裝置項(xiàng)目基礎(chǔ)建設(shè)時(shí)期，選擇的控制方式大多是將脫硝裝置出口NOx濃度或脫硝裝置脫硝效率作為被調(diào)節(jié)量，然而環(huán)保部門檢測的是煙囪入口處的NOx濃度是否達(dá)標(biāo)。鑒于這一考慮，在控制優(yōu)化中設(shè)立兩個(gè)被調(diào)節(jié)量：脫硝裝置出口NOx濃度和煙囪入口NOx濃度，兩者可以實(shí)現(xiàn)無擾切換。日常運(yùn)行中以調(diào)節(jié)后者為主，特殊情況下可切換為前者。

以脫硝裝置出口NOx濃度或脫硝效率作為被調(diào)節(jié)量的控制策略通常采用串級PID控制[2,3]，兩者僅在預(yù)設(shè)值處理上略有不同，如圖1所示。將脫硝裝置入口煙氣NOx濃度和煙氣流量的乘積作為基本的NOx含量，再乘以NH3和NOx的摩爾比和脫硝效率，便可得到氨氣需求量。利用出口NOx濃度控制對NH3和NOx的摩爾比加以修正（即對氨氣需求量的修正）與控制，最終得到氨氣流量的目標(biāo)設(shè)定值。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得出的氨氣需求量控制供氨調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)脫硝自動(dòng)控制。

圖1　串級PID控制

2.2復(fù)合控制策略

對于1 000 MW超超臨界機(jī)組，煙氣流經(jīng)脫硝裝置出口煙氣與煙囪入口煙氣之間的純延遲時(shí)間為3分鐘左右，屬于大純滯后系統(tǒng)。傳統(tǒng)PID控制方式無法滿足自動(dòng)控制要求，必須考慮其它控制策略[4,5]。

本文采用三級串級復(fù)合控制系統(tǒng)，如圖2所示。考慮多項(xiàng)提高控制品質(zhì)的措施，如采用預(yù)測控制解決大純滯后對象的控制難題、用模糊控制調(diào)整PID參數(shù)，改善脫硝裝置出口NOx濃度等。三級串級復(fù)合控制系統(tǒng)模塊包括：

圖2　三級串級復(fù)合控制

（1）三級串級

內(nèi)回路：以氨氣流量作為被調(diào)節(jié)量；中間回路：以脫硝裝置出口NOx濃度作為被調(diào)節(jié)量；外回路：以煙囪入口NOx濃度作為被調(diào)節(jié)量。中間回路和內(nèi)回路將時(shí)間常數(shù)小的對象和擾動(dòng)納入其中，以期快速消除擾動(dòng)，減小脫硝裝置出口的NOx濃度預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的偏差。

（2）模糊控制

模糊控制主要是為了調(diào)整中間回路的PID參數(shù)，改善中間回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)，減小脫硝裝置出口NOx濃度預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的偏差。考慮現(xiàn)場調(diào)試工作量與實(shí)用性，僅對比例系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整原則如下：當(dāng)偏差比較大時(shí)，為了使偏差迅速減小，比例系數(shù)取較大值；反之亦然[6]。

（3）預(yù)測控制

預(yù)測控制模型如下[7]：

其中，K——對象增益

T1、T2——時(shí)間常數(shù)

τ——純延遲時(shí)間。

式（1）的二階加純延遲模型能夠滿足脫硝優(yōu)化中對象描述的需要，盲目追求過高階數(shù)并無太大實(shí)用價(jià)值。由于脫硝裝置出口NOx濃度和煙囪入口NOx濃度之間存在偏差，并且該偏差不是固定不變的，因此隨著運(yùn)行時(shí)間的推移或機(jī)組的大修，其值都有可能動(dòng)態(tài)變化，必須對預(yù)測模型的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。其中增益的變化較大，必須校正，而其它參數(shù)無需校正。吹掃和校驗(yàn)時(shí)由于不進(jìn)行增益校正，因此增益信號保持不變，否則無法投入自動(dòng)控制。

（4）前饋控制

前饋控制主要是為了得到一個(gè)比較精確的脫硝裝置入口NOx總量。另外，磨煤機(jī)的啟停對于脫硝裝置入口NOx濃度影響較為劇烈，例如我公司1 000 MW機(jī)組最頂層磨煤機(jī)的影響最大。這主要是由燃燒狀況的改變和煤質(zhì)的變化引起的，啟停磨時(shí)必須加大前饋噴氨量，防止排放超標(biāo)。

3　控制優(yōu)化的突破點(diǎn)

（1）基本模塊的搭建。DCS中沒有集成預(yù)測控制和模糊控制等算法模塊，實(shí)際邏輯組態(tài)優(yōu)化時(shí)利用基本模塊，如選擇模塊、模擬量輸出延時(shí)模塊、超前滯后模塊等，即可滿足需求。

（2）儀表吹掃和校驗(yàn)的處理。錯(cuò)開脫硝裝置入口、出口和煙囪入口三處儀表的吹掃和校驗(yàn)時(shí)間。儀表在吹掃或校驗(yàn)時(shí)，儀表輸出數(shù)值保持不變；吹掃或校驗(yàn)完成后，延遲恢復(fù)正常檢測值的輸出。脫硝裝置入口儀表吹掃或校驗(yàn)對前饋產(chǎn)生部分影響，但是反饋控制調(diào)節(jié)仍然正常；脫硝裝置出口儀表吹掃或校驗(yàn)則反之。雖然調(diào)節(jié)品質(zhì)可能下降，但仍比不進(jìn)行調(diào)節(jié)的效果要好。

（3）脫硝裝置出口NOx濃度和煙囪入口NOx濃度偏差的處理。通過利用實(shí)際的煙囪入口NOx濃度校核模型預(yù)測的煙囪入口NOx濃度。

（4）總煙氣流量的計(jì)算。通過考慮負(fù)荷指令、總煤量和總風(fēng)量的變化，進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算。

（5）不同負(fù)荷工況的適應(yīng)性。由于負(fù)荷不同時(shí)的1 000 MW機(jī)組對象特性參數(shù)變化較大，因此對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了分段處理。主要是根據(jù)負(fù)荷調(diào)整中間回路的PID參數(shù)、模糊控制參數(shù)和外回路自適應(yīng)預(yù)測控制器的參數(shù)。

（6）煙道NOx的準(zhǔn)確測量。由于煙氣通道截面較大，某一截面上不同位置的測量值存在差異，而檢測時(shí)僅在一點(diǎn)取樣，因此對取樣位置進(jìn)行了優(yōu)化，選取有代表性的位置進(jìn)行取樣測量[8]。

4　控制優(yōu)化效果

我公司脫硝系統(tǒng)控制優(yōu)化達(dá)到了提高控制品質(zhì)、滿足環(huán)保達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)和超低排放改造的要求。如圖3和圖4所示為脫硝裝置入口NOx濃度、煙囪入口NOx預(yù)設(shè)值和煙囪入口NOx濃度。得出以下結(jié)論：

圖3　煙囪入口氮氧化物濃度調(diào)節(jié)曲線的調(diào)節(jié)曲線

圖4　儀表吹灰工況下的調(diào)節(jié)曲線

（1）脫硝裝置入口NOx濃度變化不大的情況下，煙囪入口NOx濃度偏差小于5 mg/Nm3；

（2）脫硝裝置入口NOx濃度變化較大的情況下，煙囪入口NOx濃度偏差小于15 mg/Nm3；

（3）解決了儀表吹掃或校驗(yàn)時(shí)需運(yùn)行人員頻繁投切的問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。雖然某些工況下的控制效果有所下降，但是基本可以滿足控制要求，且減輕了運(yùn)行人員的壓力。

5　結(jié)論

采用煙囪入口NOx濃度作為被調(diào)節(jié)量，滿足了正常運(yùn)行需求，達(dá)到了環(huán)保部門考核要求。采用復(fù)合控制后，很好地控制了預(yù)設(shè)值與實(shí)際值的偏差，運(yùn)行人員可以在排放不超標(biāo)的前提下盡量提高煙囪入口NOx濃度的預(yù)設(shè)值，減少噴氨量。在提高了經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也降低了空預(yù)器堵塞的可能性。

[1]梁川, 沈越. 1 000 MW機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行[J]. 中國電力, 2012, 45(1): 41-44.

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[4]劉寅東. 基于兩級Smith預(yù)估的純滯后系統(tǒng)串級模糊控制仿真[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2012(3): 46-48.

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[7]金以慧. 過程控制[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999: 143.

[8]陳彪, 李輝, 金東春, 等. 1 000 MW燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2012(5): 30-32.

李勇(1982-)，男，中級職稱，研究方向：電廠環(huán)保減排及自動(dòng)控制。

王彤(1974-)，男，中級職稱，研究方向：協(xié)調(diào)及自動(dòng)控制。

Control Optimization of SCR Denitrification System in 1 000 MW Ultra-supercritical Unit

LI Yong, WANG Tong
(China Resources Power (Xuzhou) Co., Ltd., Xuzhou, Jiangsu, 221142, China)

In order to improve the control quality, meet the environmental emission standards, and achieve the target of ultra-low emission, the control system of Selective Catalytic Reduction (SCR) denitrafication system in 1 000 MW ultra-supercritical unit is optimized. Automatic control adopting a compound control system with three-level cascade is realized, in which the concentration of nitrogen oxides (NOx) at chimney inlet is a regulated quantity, decreasing contrasts between default value and actual value through fuzzy control. Also, automatic input radio is increased through predictive control, decreasing the amount of injecting ammonia and possibility of clogging of air preheater. Besides reduction of the pressure of operating staff, cut down on running cost is realized as well, achieving considerable economic benefits.

Ultra-supercritical Unit; Denitrification; Selective Catalytic Reduction (SCR); Three-level Cascade; Control Optimization; Ultra-low Emission; Technological Transformation

TK323

B

2095-8412 (2016) 05-855-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.006