基于先進(jìn)控制的燃煤機(jī)組超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制技術(shù)

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

基于先進(jìn)控制的燃煤機(jī)組超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制技術(shù)

孫成富，胡煒，胡翔，顧奇凱，沈恒芳

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

提出了一種適合實(shí)際應(yīng)用的燃煤機(jī)組超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制方法，在燃煤機(jī)組超低排放指標(biāo)優(yōu)化工作中引入先進(jìn)控制技術(shù)，根據(jù)燃煤機(jī)組超低排放特征，通過(guò)多目標(biāo)非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脫硫率和出口SO2濃度的全程閉環(huán)控制，提高環(huán)保排放指標(biāo)的控制品質(zhì)；采用變參數(shù)非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脫硝率和出口NOX濃度的多目標(biāo)控制，提高全過(guò)程的控制品質(zhì)，減少?lài)姲绷康牟▌?dòng)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線(xiàn)性建模等分析技術(shù)，對(duì)排放指標(biāo)有效性監(jiān)視評(píng)估，保證CEMS數(shù)據(jù)有效性。

超低排放；先進(jìn)控制；脫硝優(yōu)化；脫硫優(yōu)化

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)首套煙氣超低排放裝置投入運(yùn)行，其主要污染物排放量可與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組相媲美，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)展煤電產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟了新的途徑[1]。超低排放的工藝路線(xiàn)如圖1所示。

超低排放裝置投入運(yùn)行后，雖然其排放指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是隨著煤質(zhì)、負(fù)荷工況的變化，對(duì)排放指標(biāo)的全過(guò)程穩(wěn)定控制是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。超低排放如何長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，仍是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。

1 存在問(wèn)題

機(jī)組超低排放裝置運(yùn)行后存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)上。

超低排放的脫硫系統(tǒng)仍然是采用濕式石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)。雖然FGD（煙氣脫硫系統(tǒng)）經(jīng)超低排放改造投入運(yùn)行后，其排放指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是其運(yùn)行控制仍然采用以pH值為目標(biāo)的單目標(biāo)PID控制策略，功能較為簡(jiǎn)單，而且脫硫的過(guò)程并沒(méi)有閉環(huán)自動(dòng)控制出口SO2濃度，不能及時(shí)有效地控制出口污染物濃度，在超低排放的高要求下，在負(fù)荷工況、煤質(zhì)變化的情況下，保證脫硫裝置出口SO2濃度控制的準(zhǔn)確度是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

圖1 超低排放工藝路線(xiàn)

超低排放的脫硝系統(tǒng)采用SCR（選擇性催化還原法）脫除氮氧化物。脫硝裝置降低了機(jī)組煙氣的NOX排放濃度，但如果噴氨量控制不佳，對(duì)下游設(shè)備的健康、安全也造成了一定的影響[2]。過(guò)量的噴氨并不能進(jìn)一步降低NOX排放濃度，相反會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的氨逃逸出反應(yīng)區(qū)，造成下游設(shè)備的腐蝕、堵塞，使得維護(hù)費(fèi)用和工作量顯著增加。最為明顯的現(xiàn)象就是造成空預(yù)器積灰堵塞，空預(yù)器進(jìn)出口差壓增大，送引風(fēng)機(jī)電流增大，可能造成風(fēng)機(jī)失速等，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。尤其是在超低排放要求下，噴氨的流量大幅提高，這就需要更好的控制策略來(lái)減少?lài)姲绷康牟▌?dòng)，減少過(guò)量噴氨，降低對(duì)下游設(shè)備的影響。

2 智能優(yōu)化控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目主要研究對(duì)象，是燃煤機(jī)組超低排放改造后的脫硫裝置和脫硝裝置的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，包含脫硫和脫硝2個(gè)模塊。

脫硫裝置智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過(guò)智能模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，考慮到進(jìn)口SO2濃度的變化，以及鍋爐運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)多變量最優(yōu)控制方法實(shí)時(shí)優(yōu)化石灰石供漿流量、吸收塔漿液pH值、循環(huán)泵電流等關(guān)聯(lián)參數(shù)，提高FGD裝置的控制品質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)脫硫率、pH值和出口SO2濃度的多目標(biāo)閉環(huán)控制。

脫硝裝置智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過(guò)智能模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，考慮進(jìn)口NOX濃度的變化，以及鍋爐運(yùn)行參數(shù)、總風(fēng)量等，優(yōu)化噴氨量，提高SCR裝置的控制品質(zhì)，避免噴氨過(guò)量、過(guò)快，減少氨逃逸量。

控制策略將脫硫裝置和脫硝裝置作為2個(gè)獨(dú)立的控制對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用軟儀表技術(shù)對(duì)分析儀表進(jìn)行有效性分析。

2.1 脫硫模塊

脫硫控制原有的控制策略為：采用運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)置pH值的方式來(lái)間接控制出口SO2濃度。其控制策略是通過(guò)測(cè)量原煙氣體積流量和原煙氣SO2的濃度，計(jì)算出原煙氣中SO2的質(zhì)量流量，利用質(zhì)量流量來(lái)計(jì)算石灰石漿液流量的理論值，另外通過(guò)運(yùn)行人員設(shè)定吸收塔漿液pH設(shè)定值，該設(shè)定值與吸收塔漿液pH測(cè)量值比較后，通過(guò)PID控制器得出石灰石供漿流量修正值，用于修正石灰石漿液流量的理論值[4]。修正后的石灰石漿液流量作為PID控制器的輸入值，控制石灰石漿液供漿調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，原控制策略見(jiàn)圖2。

圖2 原脫硫控制策略原理

超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)iFGD模塊見(jiàn)圖3。通過(guò)GPC控制策略解決pH值控制過(guò)程大滯后、慢過(guò)程的問(wèn)題，然后通過(guò)多變量模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了脫硫率、pH值和出口SO2濃度同時(shí)閉環(huán)控制問(wèn)題，提高脫硫自動(dòng)控制品質(zhì)，避免脫硫反應(yīng)進(jìn)入盲區(qū)，為FGD裝置的長(zhǎng)久經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠的保障。

圖3 iFGD智能優(yōu)化控制邏輯

對(duì)脫硫FGD過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)建模，建立多變量動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)模型。通過(guò)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，保證脫硫控制品質(zhì)。閉環(huán)控制出口SO2濃度、pH值和脫硫率，模型架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 脫硫裝置優(yōu)化控制器關(guān)聯(lián)模型

2.2 脫硝模塊

原有SCR脫硝控制系統(tǒng)控制策略（見(jiàn)圖5）是以物料平衡計(jì)算為前提和依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硝效率或脫硝裝置出口NOX的控制，其反應(yīng)的噴氨量是由NOX消耗量來(lái)確定的。

圖5 原脫硝控制策略原理

實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)CEMS（在線(xiàn)煙氣監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)）將NO和NO2統(tǒng)一換算成NOX進(jìn)行計(jì)算。

需氨量=（A-E）×B×17/46/106×F，

式中：A=C（NOX）為折算后SCR入口NOX質(zhì)量濃度；B=F（x）×Q為根據(jù)煤量及煤種成分換算得到的煙氣流量；E=A×（1-D）為脫硝效率定值下根據(jù)當(dāng)前脫硝裝置入口NOX計(jì)算而得的SCR裝置出口NOX，D=SP為脫硝效率設(shè)定值；F為根據(jù)SCR裝置出口NOX目標(biāo)值與實(shí)際測(cè)量值計(jì)算得到的修正系數(shù)，取0.8～1.2[5]。

控制器根據(jù)理論需氨量計(jì)算值與實(shí)際需氨量PV的偏差，控制供氨調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使之相對(duì)應(yīng)，滿(mǎn)足脫硝控制的要求[6]。

超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)iSCR模塊，采用對(duì)CEMS的測(cè)量信號(hào)通過(guò)關(guān)聯(lián)模型和分析評(píng)估來(lái)確定數(shù)據(jù)有效性后，在合理的應(yīng)用多變量動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制策略，有效地解決了閉環(huán)控制的可靠性問(wèn)題，提高脫硝控制品質(zhì)。

通過(guò)對(duì)脫硝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)建模，建立多變量動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)模型。利用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行優(yōu)化控制，提供脫硝率、氨逃逸率、出口NOX濃度多目標(biāo)優(yōu)化控制，保證脫硫控制品質(zhì)，并減少?lài)姲绷坎▌?dòng)，其模型架構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 脫硝裝置優(yōu)化控制器模型架構(gòu)

2.3 軟儀表技術(shù)

系統(tǒng)還采用iCEMS軟儀表技術(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于關(guān)鍵成分分析PCA等分析技術(shù)，保證環(huán)保CEMS分析儀表實(shí)時(shí)有效性，包括監(jiān)視儀表標(biāo)定、反吹等異常情況，以預(yù)估數(shù)據(jù)完成全時(shí)段的污染物測(cè)量，通過(guò)實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行FGD/SCR全程優(yōu)化控制，保障脫硝、脫硫設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 實(shí)施效果

3.1 控制效果

超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)脫硫部分投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)出口SO2濃度的閉環(huán)控制，運(yùn)行人員只需設(shè)置出口SO2濃度的設(shè)定值和pH值的調(diào)節(jié)范圍。有效減少勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高出口SO2濃度控制品質(zhì)。iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后出口SO2濃度對(duì)比效果見(jiàn)圖7。

圖7 iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后出口SO2濃度對(duì)比

由圖7可見(jiàn)，投入脫硫優(yōu)化控制器以后，出口SO2濃度始終保持在出口SO2濃度設(shè)定值附近，而且投入脫硫優(yōu)化控制器以后可以減少排放超標(biāo)的發(fā)生。原控制策略（圖7左側(cè)區(qū)域），因?yàn)獒槍?duì)吸收塔大滯后慢動(dòng)態(tài)過(guò)程，人工調(diào)節(jié)pH值很難做到實(shí)時(shí)預(yù)估，瞬時(shí)值有超標(biāo)的情況發(fā)生，而優(yōu)化后的控制策略大大減少了排放超標(biāo)的發(fā)生次數(shù)。

同時(shí)漿液pH值的控制品質(zhì)有了大幅提升，實(shí)際pH值與設(shè)定pH值偏差明顯減小，見(jiàn)圖8。

隨著控制品質(zhì)提高，運(yùn)行人員可以進(jìn)一步提高SO2濃度設(shè)定值，減少石灰石漿液的使用，進(jìn)而減少脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本，改善石膏品質(zhì)。

超低排放指標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)脫硝部分投運(yùn)后，出口NOX濃度波動(dòng)明顯減少，控制品質(zhì)大幅提高，同時(shí)噴氨量的波動(dòng)也明顯減少，同時(shí)通過(guò)燃燒調(diào)整，對(duì)減負(fù)荷變工況情況下的出口NOX濃度超標(biāo)情況也有明顯改善，見(jiàn)圖9。

由圖9可見(jiàn)，脫硝優(yōu)化控制器投入后，出口NOX濃度波動(dòng)明顯減少，而且在減負(fù)荷工況下，出口NOX濃度的瞬時(shí)超標(biāo)量和次數(shù)均有減少。

圖10為脫硝優(yōu)化控制器投入前后，SCR系統(tǒng)的噴氨量波動(dòng)減少效果對(duì)比。

圖8 iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后pH值控制品質(zhì)對(duì)比

圖9 出口NOX濃度調(diào)整前后對(duì)比

出口NOX濃度設(shè)定值跟蹤情況見(jiàn)圖11。左邊為原出口NOX濃度跟蹤情況，右邊為優(yōu)化后設(shè)定值跟蹤情況，可以看到控制品質(zhì)提高明顯，從而可以進(jìn)一步提高設(shè)定值，降低噴氨量，并有效防止超標(biāo)現(xiàn)象的發(fā)生。

優(yōu)化后出口NOX濃度的控制品質(zhì)提高明顯，出口NOX濃度的標(biāo)準(zhǔn)方差減少了15%以上，噴氨量波動(dòng)也減少了40%，大幅度變工況情況下的波動(dòng)也有所減少，優(yōu)化前后出口NOX濃度的控制品質(zhì)對(duì)比見(jiàn)圖12。

3.2 效益分析

應(yīng)用多目標(biāo)非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)能有效減少環(huán)保排放超標(biāo)次數(shù)和超標(biāo)時(shí)間，增加環(huán)保電價(jià)的收入[7]，為企業(yè)運(yùn)營(yíng)和環(huán)保事業(yè)帶來(lái)好處。

實(shí)現(xiàn)脫硫出口SO2濃度的全程閉環(huán)控制，不僅提高了環(huán)保排放指標(biāo)的控制品質(zhì)，而且減輕了脫硫運(yùn)行人員的操作工作量[8]。

機(jī)組出口SO2濃度的標(biāo)準(zhǔn)方差減少15%～35%，出口NOX濃度的標(biāo)準(zhǔn)方差減少10%～35%，脫硝裝置的噴氨量波動(dòng)減少30%～50%。在此基礎(chǔ)上可通過(guò)適當(dāng)提高設(shè)定值以進(jìn)一步減少?lài)姲钡氖褂昧?，有效減少氨逃逸，改善空預(yù)器堵灰和腐蝕情況，為空預(yù)器等下游設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供保障。

圖10 噴氨量調(diào)整前后對(duì)比

圖11 出口NOX濃度設(shè)定值跟蹤情況

圖12 出口NOX濃度控制品質(zhì)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，其控制策略及技術(shù)也在不斷發(fā)展。許多先進(jìn)的控制技術(shù)正在逐步應(yīng)用于工程實(shí)施中。智能優(yōu)化控制系統(tǒng)采用了包括GPC廣義預(yù)測(cè)控制、模型預(yù)測(cè)控制、協(xié)調(diào)多目標(biāo)優(yōu)化算法等來(lái)執(zhí)行高級(jí)過(guò)程控制，可以安裝在和實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)通信的工作站里執(zhí)行計(jì)算控制，并將計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果送給DCS系統(tǒng)，最終達(dá)到優(yōu)化機(jī)組控制目的。

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（本文編輯：徐晗）

Optimized Control Technology of Ultra-low Emission Index of Coal-fired Unit Based on Advanced Control

SUN Chengfu，HU Wei，HU Xiang，GU Qikai，SHEN Hengfang
（Zhejiang Energy Jiahua Power Generation Co.，Ltd.，Jiaxing Zhejiang 314201，China）

This paper presents a practicable optimized control method of ultra-low emission index of coal-fired unit，in which an advanced control technique is introduced.According to the ultra-low emission characteristics of coal-fired units，the multi-objective nonlinear model predictive control technology is adopted to implement full-term closed loop control of desulphurization percent and SO2concentration，and improve the control quality of environmental-friendly emission；Multi-objective control of desulphurization percent and outlet NOXconcentration is achieved by variable parameter nonlinear model predictive control technology，which improves the control quality in the whole process and reduces the fluctuation of ammonia spray.Based on analysis techniques such as neural network and nonlinear modeling，validity monitoring and evaluation of emission index is established to ensure the validity of CEMS data.

ultra-low emission；advanced control；denitrification optimization；desulfurization optimization

10.19585/j.zjdl.201707009

1007-1881（2017）07-0037-06

TK323

B

2017-03-31

孫成富（1990），男，助理工程師，從事發(fā)電廠自動(dòng)控制工作。