1 000 MW超超臨界機組SCR脫硝噴氨控制策略的優(yōu)化與改進

劉 鋒，金 晶

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

NOX污染是大氣污染的主要來源之一，NOX的排放量中近70%來自于化石燃料的使用，燃煤電廠則是NOX主要排放源之一。近年來，環(huán)境污染問題日益突出，隨著國家全面實施燃煤電廠“超低排放”工作的推進，各發(fā)電公司紛紛進行“超低排放”改造，確保NOX排放達標。關于如何提高SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)的效率，通常只關注脫硝系統(tǒng)的設備構造、反應原理、運行操作方式等方面，而忽略了脫硝噴氨調節(jié)自動控制策略的優(yōu)化。脫硝噴氨如果自動調節(jié)不好，噴氨量過低，將導致系統(tǒng)出口NOX超標；而噴氨量過高，又將導致氨逃逸較高，過量的氨與煙氣中的硫化物反應生成硫酸氫銨，不僅影響脫硝催化劑的活性，還會堵塞空預器，危及下游設備的安全經(jīng)濟運行。

以某發(fā)電廠一期2×1 000 MW（3號、4號）超超臨界機組脫硝系統(tǒng)為例，分析了脫硝噴氨控制系統(tǒng)調節(jié)效果不佳的原因，并且對不同煤種與入口NOX濃度關系、磨煤機的啟停方式對入口NOX生成的影響等進行了探討。采用基于前饋與變參數(shù)控制的脫硝控制優(yōu)化策略，實現(xiàn)了SCR脫硝過程噴氨控制策略的優(yōu)化與改進，增強了噴氨調節(jié)自動控制的穩(wěn)定性。實踐表明，經(jīng)優(yōu)化后，系統(tǒng)出口NOX濃度可以控制在50 mg/m3以內(nèi)，且波動較小，SCR脫硝系統(tǒng)控制效果良好[1－5]。

1 設備概況

某發(fā)電廠一期2×1 000 MW超超臨界機組鍋爐由東方鍋爐（集團）股份有限公司生產(chǎn)，型號為DG3033/26.15－II1型。鍋爐前后墻各有3層燃燒器，每層燃燒器配備8臺低氮燃燒器。前墻下中上層燃燒器分別為B，C，D；后墻下中上層燃燒器分別為F，E，A；B層與F層燃燒器配備等離子點火系統(tǒng)。脫硝裝置采用高含塵布置方式，催化劑采用蜂窩式，共3層，SCR反應器布置在省煤器和空氣預熱器之間。機組DCS（分散控制系統(tǒng)）為北京ABB貝利控制有限公司的Symphony系統(tǒng)。

2 存在問題

2.1 采用脫硝效率為設定值的簡單PID控制方式

原控制系統(tǒng)為以脫硝效率為設定值的簡單PID控制方式。該控制方式下以脫硝效率作為設定值，計算脫硝效率設定值與實際值的偏差，通過簡單的PID調節(jié)，輸出噴氨調節(jié)閥的開度，最終控制脫硝出口NOX濃度達標。實際脫硝效率計算公式為：

實際入口NOX濃度（折算后值）：

實際出口NOX濃度（折算后值）：

實際脫硝效率：

通過以上公式可以看出：實際脫硝效率由脫硝出、入口NOX和O2濃度計算得來，即在實際調節(jié)參數(shù)中，脫硝效率受到多個參數(shù)變化的影響，任一參數(shù)變化將導致脫硝效率變化，一旦某一參數(shù)不準，將導致調節(jié)參數(shù)脫硝效率失真。而且脫硝調節(jié)還會受到機組變負荷、煤質變化、鍋爐燃燒、風煤比控制等其他參數(shù)影響，使得調節(jié)系統(tǒng)的控制目標不準確，導致自動投入后效果差，負荷一旦變化，噴氨調節(jié)系統(tǒng)內(nèi)外干擾均較大，自動控制無法投入正常，出口NOX濃度值時常超標。

2.2 CEMS自動反吹和標定干擾自動調節(jié)

脫硝出、入口的NOX和O2測量儀表長期在高塵環(huán)境下運行，為了防止取樣管路堵塞，系統(tǒng)每隔一定時間自動反吹、標定一次。在系統(tǒng)自動反吹和標定期間，將脫硝出、入口的NOX和O2測量值鎖定為反吹和標定前測量值，持續(xù)時間長達5 min。由于測量儀表反吹和標定的頻率高、時間長，調節(jié)對象無法實時反應脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NOX和O2的變化量，在機組變負荷過程中，脫硝自動調節(jié)容易出現(xiàn)超調，致使調節(jié)系統(tǒng)大范圍波動，甚至出現(xiàn)振蕩發(fā)散的情況。測量儀表反吹和標定完成后，經(jīng)常會出現(xiàn)出口NOX瞬時超標或者噴氨過量的現(xiàn)象。

為了解決脫硝出、入口CEMS（煙氣在線分析系統(tǒng)）儀表標定時鎖定當前值給自動調節(jié)帶來的影響，將脫硝出、入口NOX以及煙囪出口NOX自動反吹和標定時間設定在不同時間段，在一側出口NOX出現(xiàn)信號維持時，可以參考另一側或煙囪出口NOX變化情況。采用該措施后，雖然在穩(wěn)態(tài)情況下脫硝自動調節(jié)良好，但是一旦煤種變化或者負荷快速變化時，由于兩側的煙氣分布本身具有不均勻性，依然會造成自動調節(jié)的品質差。

2.3 噴氨調節(jié)閥特性差

噴氨調節(jié)閥作為噴氨自動調節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其線性的好壞直接影響著調節(jié)品質。通過調取手動與自動情況下噴氨調節(jié)門指令和反饋曲線，結合噴氨調節(jié)閥前流量和噴氨調節(jié)門閥位反饋曲線進行對比分析，發(fā)現(xiàn)噴氨調節(jié)門反應遲緩、死區(qū)大，噴氨流量與噴氨調節(jié)閥曲線特性跟蹤不好，且噴氨調節(jié)閥行程過大，閥門調節(jié)線性差，閥門開至70%時噴氨調節(jié)閥前流量已經(jīng)達到最大值。在穩(wěn)定負荷運行時，噴氨調節(jié)閥調節(jié)范圍在5%～20%，調節(jié)范圍過小。由于噴氨調節(jié)閥的線性差，在變負荷調節(jié)過程中，自動調節(jié)過快出現(xiàn)噴氨調節(jié)閥振蕩發(fā)散，自動調節(jié)慢時又容易造成出口NOX超標，尤其是入口NOX濃度波動較大時，脫硝自動調節(jié)更加難以達到要求。

3 不同煤種燃燒及磨煤機啟停對NOX生成影響

不同煤種所含的硫、氯等元素的成分是不同的，因此其燃燒產(chǎn)生的各種煙氣排放物濃度也不同，煤質是影響污染物生成的關鍵因素。受燃料成本等因素影響，我國燃煤電廠普遍存在燃煤煤質不穩(wěn)定的問題，不同煤種之間的混燒、摻燒等已是常態(tài)。前后墻對沖式燃燒結構，在磨煤機的啟停方式不同時，爐膛內(nèi)的火焰中心位置不同，對NOX的生成影響也是不同的。

3.1 不同煤種燃燒與脫硝入口NOX濃度關系

煤種的變化對NOX的排放濃度有較大的影響，容易著火、發(fā)熱量高、含氮量低的煤，燃燒特性較好，NOX排放濃度明顯低于其他煤種。該廠常用燃用煤有神混、印尼、石炭2、平七、伊泰及煙煤等，燃煤采用摻燒方式，在節(jié)約燃煤成本的同時又會增加機組的排放壓力，例如采用平七、印尼煤混燒，穩(wěn)態(tài)時脫硝入口NOX濃度達到401 mg/m3，最高甚至達到559 mg/m3；而采用神混1、石炭2混燒（神華煤），脫硝入口NOX濃度最高僅為330 mg/m3，穩(wěn)態(tài)時都在200 mg/m3以下。低負荷時，隨著爐膛氧量的升高，NOX排放濃度增加，增幅最多可達82%。不同煤種摻燒組合燃燒NOX參數(shù)如表1所示。

表1 不同煤種摻燒時脫硝入口NOX值

通過表1可以看出：不同煤種，穩(wěn)定狀況下入口NOX含量不同，噴氨調節(jié)閥開度也不一致，如果僅僅在控制方式上用簡單的PID控制，將很難保障脫硝控制效果。當某一煤種燃燒處于低氮燃燒時，脫硝控制參數(shù)優(yōu)化后，能夠基本達到調節(jié)要求，一旦改變?yōu)楦叩紵悍N，原控制參數(shù)又不能達到脫硝調節(jié)效果。

3.2 啟停磨煤機對脫硝入口NOX生成的影響

3號、4號機組采用的是前后墻對沖式燃燒器，每層燃燒器配備8臺低氮燃燒器。不同磨煤機的組合燃燒方式對NOX生成有較大影響，在機組負荷較低時，集控人員傾向于確保下層B/F磨煤機的運行，保證爐膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定，而且下層磨煤機配備等離子點火設備，在低負荷時更能確保爐膛燃燒的可靠性。不同磨煤機組合燃燒試驗參數(shù)如表2所示。

表2 不同磨煤機組啟停脫硝入口NOX值mg/m3

一般在600 MW左右開始啟停磨煤機操作，通過比較A—F磨煤機分別啟停后生成入口NOX的濃度變化趨勢，上層A/D磨煤機剛啟動或下層B/F磨煤機剛停止，將造成爐膛內(nèi)火焰中心整體上移，分級燃燒能力變?nèi)?，入口NOX濃度瞬時增加較多，入口NOX濃度均值較高。上層A/D磨煤機剛停止運行或者下層B/F磨煤機剛啟動，將造成爐膛內(nèi)火焰中心整體下移，分級燃燒能力變強，燃燒情況良好，入口NOX濃度瞬時下降較多，入口NOX濃度均值降低，甚至在200 mg/m3以下；而中層磨煤機C/E不管是剛啟動還是停止，鍋爐的燃燒情況均比較穩(wěn)定，入口NOX濃度雖然瞬時會升高，但變化幅度不大，且很快就能下降并保持穩(wěn)定，中層磨煤機啟停前后入口NOX濃度偏差不大。因此磨煤機的啟停方式不同對脫硝噴氨自動控制有較大影響，加上煤種摻燒、制粉系統(tǒng)檢修隔離、設備定期切換以及燃燒調整試驗后提高經(jīng)濟性的煤層組合燃燒方式等因素，采用常規(guī)控制策略不能滿足噴氨自動控制的要求。

4 脫硝控制策略的優(yōu)化與改進

傳統(tǒng)的控制方法主要是基于經(jīng)典的確定性理論，而脫硝噴氨調節(jié)過程表現(xiàn)出非線性、大遲延、耦合性和不確定性，且脫硝噴氨控制系統(tǒng)是一個受多種因素制約影響的復雜系統(tǒng)，各變量之間嚴重耦合，僅僅依靠一般PI控制器調節(jié)難以獲得良好的調節(jié)效果。即使機組負荷、燃燒工況穩(wěn)定，受閥門調節(jié)特性、脫硝NOX濃度測量準確性、CEMS系統(tǒng)反吹和標定干擾等影響，脫硝自動控制也很難調節(jié)穩(wěn)定。

通過研究基于不同煤種燃燒下脫硝控制優(yōu)化策略、不同負荷參數(shù)下PID參數(shù)適應性以及不同磨煤機組啟停與入口NOX對應關系等，采取了針對不同煤種燃燒及啟停磨時穩(wěn)態(tài)調節(jié)后參數(shù)自適應方法，邏輯框圖如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的噴氨自動控制邏輯

4.1 變參數(shù)適應不同煤種、負荷時及磨組運行方式的噴氨需求

如圖1所示，根據(jù)不同工況和煤種條件下實際噴氨量的需要，設定PID控制輸出的上限和下限，為了防止積分飽和對控制器的影響，采用新型具有抗積分飽和功能的控制器，動態(tài)修正噴氨調閥調節(jié)的特性，減少噴氨自動控制超調現(xiàn)象。另外，煤種不同、負荷不同均會造成入口NOX濃度的不同，通過表1發(fā)現(xiàn)，典型的4種煤種燃燒情況下，低負荷段，由于氧量較大，脫硝反應器入口煙溫較低，脫硝催化劑活性降低，脫硝入口NOX濃度較高；而600 MW負荷以上，脫硝入口NOX濃度基本穩(wěn)定在較低水平，將入口NOX的變化作為脫硝自動控制器的前饋，可采用變參數(shù)調節(jié)方式來適應不同煤種、不同負荷時的噴氨需求。通過在控制邏輯中設計入口NOX高、低濃度2種調節(jié)方式，低于經(jīng)驗值260 mg/m3和高于300 mg/m3采用不同調節(jié)方式，調節(jié)死區(qū)為40 mg/m3，通過控制邏輯自動進行選擇，使得噴氨自動調節(jié)采用可變參數(shù)調節(jié)方式，使噴氨調節(jié)達到最優(yōu)狀態(tài)。

4.2 磨煤機組啟停噴氨調節(jié)自動控制

如圖1所示，采用自動判斷磨煤機組啟停方式的方法實現(xiàn)噴氨調節(jié)的適應控制，從表2中可以看出，不同的磨煤機組啟停對脫硝入口NOX值的影響不同。比較A—F磨煤機分別啟、停后入口NOX濃度變化的趨勢，對入口NOX濃度影響最大的是上層磨煤機A和D的啟動階段以及下層磨B煤機和F的停止階段，入口NOX濃度有時候瞬時急劇增加，通過控制邏輯自動判斷磨煤機的啟停方式，加入脫硝控制器的前饋，實現(xiàn)噴氨調節(jié)的適應優(yōu)化控制。

4.3 CEMS系統(tǒng)自動反吹和標定過程中噴氨調節(jié)的適應控制

CEMS系統(tǒng)自動反吹和標定自動鎖定當前測量值是導致脫硝噴氨系統(tǒng)自動投入不理想的重要因素。在CEMS系統(tǒng)自動反吹和標定信號保持當前出口NOX值時，通過控制邏輯判斷當前的負荷及入口NOX濃度變化情況，采用不同的前饋策略實現(xiàn)噴氨調節(jié)的適應控制，可以有效解決因CEMS系統(tǒng)自動反吹和標定前后NOX濃度突變造成調節(jié)系統(tǒng)不可控的情況。

4.4 優(yōu)化后的控制策略應用

通過將前饋與變參數(shù)控制方法引入脫硝噴氨的自動調節(jié)中，在機組運行的不同階段、磨煤機組啟停的不同方式、煤種的變化等不同工況下采用不同的適應控制參數(shù)，在實際運行過程中取得了較好的控制效果。

從實際運行數(shù)據(jù)可以看出：無論是在穩(wěn)態(tài)負荷、變負荷還是在磨煤機的啟停過程中，出口NOX值均比較穩(wěn)定，可以控制在50 mg/m3以內(nèi)。在連續(xù)的磨煤機啟停過程中偶有波動，仍能保證出口NOX瞬時值不超標，穩(wěn)態(tài)偏差能控制在±10 mg/m3以內(nèi)。

5 結語

脫硝噴氨控制是一個受多種因素影響的復雜控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制策略不能完全滿足脫硝噴氨調節(jié)要求，更無法達到環(huán)保指標的要求。通過引入前饋與變參數(shù)控制的方法，完善控制對象，優(yōu)化噴氨調節(jié)閥的流量特性，采用變參數(shù)調節(jié)方式適應不同煤種、不同負荷及不同磨煤機組啟停時的噴氨需求，采用自動判斷磨煤機組啟停方式的方法實現(xiàn)噴氨調節(jié)的適應控制，以及變負荷時采用不同的控制前饋等多種過程控制邏輯優(yōu)化方式，SCR系統(tǒng)出口NOX濃度全時段保持穩(wěn)定可控，脫硝控制系統(tǒng)的調節(jié)品質及穩(wěn)定性得到了很大的提高，防止了由于參數(shù)變化導致的SCR系統(tǒng)出口NOX濃度超標，取得了良好的效果。

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