基于預(yù)測控制的火電廠脫硝噴氨自動優(yōu)化及應(yīng)用

肖圣譯，肖 寒，任 旻，郝玉春

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.國電重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶 400805； 3.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司，山東煙臺264006)

隨著國家對節(jié)能減排工作的不斷深入推進(jìn)，2015年12月國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護(hù)部及國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)〔2015〕164號)，方案要求：“到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50(mg/cm3)[1]”。選擇性催化還原法煙氣脫硝技術(shù)(selective catalytic reduction,SCR)是目前最成熟的爐后脫硝技術(shù)，利用還原劑(NH3或者尿素)在催化劑作用下, 選擇性地與NOx反應(yīng)生成 N2和H2O[2]。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，脫硝效率受到噴氨量、煙氣流速、煙氣溫度、催化劑活性的影響。為滿足嚴(yán)苛的超低排放指標(biāo)要求，目前許多火電機(jī)組只好采用過量噴氨的方式，一方面造成經(jīng)濟(jì)性變差，另一方面極易造成空預(yù)器堵塞，嚴(yán)重影響機(jī)組帶負(fù)荷能力和運(yùn)行安全性。本文提出基于預(yù)測控制的SCR優(yōu)化控制方法，克服傳統(tǒng)PID控制的缺點，經(jīng)應(yīng)用驗證，該方法能有效控制凈煙氣NOx波動，降低噴氨量，減少氨逃逸，有效緩解空預(yù)器堵塞，提高機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

1 脫硝工藝流程及存在問題

選擇性催化還原法(SCR)是指在一定溫度和催化劑的作用下，“有選擇性”地與煙氣中的NO反應(yīng)并生成無毒無污染的N2和H2O。還原劑主要為液氨、尿素等?；痣姀SSCR煙氣脫硝系統(tǒng)(見圖1)包括還原劑制備系統(tǒng)和煙氣反應(yīng)系統(tǒng)兩部分，還原劑制備系統(tǒng)是將還原劑制備成反應(yīng)所需要的氨氣，煙氣反應(yīng)系統(tǒng)是NOx和氨氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的場所，通過調(diào)節(jié)噴入的氨氣量控制反應(yīng)器出口的NOx含量[3]。

圖1 燃煤電廠脫硝系統(tǒng)圖

恒泰公司300 MW火電機(jī)組的脫銷系統(tǒng)運(yùn)行至今表現(xiàn)出一些問題，這些問題導(dǎo)致自動投入率低。該電廠脫硝噴氨自動采用兩個常規(guī)單回路控制系統(tǒng)，對A、B兩側(cè)脫硝出口NOx分別進(jìn)行控制，增加內(nèi)回路流量PID校正(見圖2)，以克服閥門線性度不好的問題[4]。但實際運(yùn)行效果并不好，經(jīng)分析存在較多問題。常規(guī)PID控制器很難取得良好的控制效果。

1)煙氣偏流嚴(yán)重，煙氣流場不均勻，且脫硝A/B側(cè)出口NOx均采用單點測量，由于脫硝出口空間巨大、流場不均，單點位置不能很好地代表實際出口，導(dǎo)致脫硝出口測量不準(zhǔn)，代表性不強(qiáng)。

2)吹掃校準(zhǔn)干擾大，測點失真嚴(yán)重。為了防止NOx測量設(shè)備堵灰，系統(tǒng)設(shè)置有吹掃模式，一天內(nèi)會頻繁吹掃，只要一吹掃，NOx測量就完全失真。

3)考核目標(biāo)和控制目標(biāo)脫節(jié)。目前環(huán)保考核的是凈煙氣(即煙囪處)NOx，而該方案控制的卻是脫硝塔出口NOx，由于脫硝出口NOx測量經(jīng)常不準(zhǔn)，因此通過脫硝出口NOx去調(diào)整凈煙氣NOx變得尤為困難。

4)反應(yīng)和測量過程遲延大。如果直接以凈煙氣NOx為控制目標(biāo)，則從噴入氨氣開始，煙氣經(jīng)過脫硝、脫硫、除塵，到達(dá)煙囪入口整個過程延遲巨大，整個穩(wěn)定時間超過10 min，環(huán)?？己颂嶯Ox測量值與噴氨閥門開度的純延遲可達(dá)3 min，已完全超出各類常規(guī)PID控制器的有效控制范疇。

5)煤質(zhì)變化幅度大，入口NOx波動大。

圖2 脫硝常規(guī)PID控制方案

實際運(yùn)行中，為嚴(yán)格保證煙囪出口NOx不超50 mg/Nm3，運(yùn)行人員只能手動干預(yù)加大噴氨量，使脫硝出口NOx含量保持在極低位置，一方面造成氨氣消耗量增大，經(jīng)濟(jì)性變差；另一方面多余的氨氣進(jìn)入到空預(yù)器，與空預(yù)器中的SO3、水蒸氣生成硫酸氫銨凝結(jié)物，加速空預(yù)器堵塞，引起空預(yù)器差壓增大，嚴(yán)重影響機(jī)組帶負(fù)荷能力和運(yùn)行安全性。因此，電廠急需對脫銷控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，保證噴氨全程自動投入，一方面使煙囪出口NOx必須達(dá)標(biāo)排放；另一方面，嚴(yán)格控制噴氨量，減少脫硝出口氨逃逸，防止空預(yù)器堵塞。

2 優(yōu)化方案比較

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

投入率高于95%的時間內(nèi)，要求機(jī)組凈煙氣NOx波動控制偏差在穩(wěn)態(tài)時小于±5 mg/Nm3，在動態(tài)時小于±10 mg/Nm3。

2.2 優(yōu)化方案比較

1)脫硝出口采用矩陣式多點取樣系統(tǒng)，以使得測量結(jié)果更加具有代表性。

2)增加脫硝SCR裝置分區(qū)精細(xì)化噴氨控制技術(shù)[5]。通過在SCR入口水平煙道中，加裝大范圍煙氣混合器，大幅度降低SCR入口NOx的不均勻度。煙氣到達(dá)豎直煙道后，單側(cè)煙道分成3個區(qū)，每個區(qū)截面接近正方形，因截面減小，分區(qū)內(nèi)煙氣在分區(qū)混合器的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)混合，分區(qū)內(nèi)的NOx、NH3及粉塵等可基本混合均勻，這樣每個分區(qū)內(nèi)僅需1個測點即可代表該分區(qū)的濃度。在SCR出口的每個分區(qū)中心布置1個NOx測點，實時測量該分區(qū)NOx濃度。對噴氨格柵進(jìn)行改造，并將噴氨支管分成3組，每組對應(yīng)煙道中1個分區(qū)，并設(shè)置1個自動調(diào)節(jié)閥。根據(jù)每個分區(qū)出口NOx濃度值，實時調(diào)整各分區(qū)噴氨量，實時保證各分區(qū)氨氮摩爾比高度均勻，進(jìn)而最大程度地降低氨逃逸水平，有效降低空預(yù)器堵塞風(fēng)險。

此改造需改變脫硝工藝流程，增加較多設(shè)備，投入費(fèi)用高、施工工期長。

3)采用模型預(yù)測控制 (model predictive control，MPC)的方式。MPC是一種進(jìn)階過程控制方法，在全世界石化工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，已取得極大經(jīng)濟(jì)效益。MPC通過實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，其中精確的數(shù)學(xué)模型是預(yù)測控制成功的關(guān)鍵。MPC優(yōu)化改造投資小，施工工期短，能較好地解決噴氨自動存在的問題，保障機(jī)組環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

恒泰公司300 MW火電機(jī)組，在2014年已經(jīng)完成脫硝改造，考慮成本控制，決定暫不做脫硝工藝精細(xì)化噴氨技術(shù)改造，此次結(jié)合超低排放改造，將單點取樣系統(tǒng)改造為矩陣式多點取樣系統(tǒng)，增加MPC噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3 模型預(yù)測控制 (MPC)

3.1 MPC介紹

預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用的難度很高，其中模型辨識部分是最難、最費(fèi)時的一項工作。本項目采用的預(yù)測控制軟件技術(shù)先進(jìn)，不僅可以進(jìn)行多變量閉環(huán)辨識方法，而且縮短辨識時間，比常規(guī)方法節(jié)省辨識時間70%以上，達(dá)到全自動在線/離線辨識[6]。因此，在工業(yè)過程中得到成功應(yīng)用。

模型辨識本質(zhì)上以控制為導(dǎo)向, 當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)模型后，就可以參與預(yù)測控制。如圖3所示，預(yù)測控制優(yōu)于 PID 控制的不僅僅是利用了輸出值與設(shè)定值的偏差值，而且還根據(jù)模型來預(yù)估未來的輸出，并不斷地滾動優(yōu)化未來“預(yù)測輸出”與未來“目標(biāo)值”的偏差，從而確定當(dāng)前最優(yōu)的控制量?？梢?，預(yù)測控制相比于PID 控制有了很大的改進(jìn)和發(fā)展。尤其是預(yù)測控制的超前預(yù)測作用，能很好地克服系統(tǒng)延遲，加快響應(yīng)，而又不加大系統(tǒng)超調(diào)。

圖3 預(yù)測控制的輸出

3.2 主要優(yōu)化內(nèi)容

將脫硫出口凈煙氣NOx測量值納入控制目標(biāo)， 通過辨識建立脫硫凈煙氣NOx與SCR側(cè)參數(shù)間的完整模型。通過模型預(yù)測NOx排放值的波動趨勢，控制策略上有效克服脫硫凈煙氣NOx儀表取樣測量反應(yīng)遲緩的問題。同時控制系統(tǒng)在CEMS測量設(shè)備自吹掃，保證測量信號在發(fā)生短期異常干擾的情況下保持正常工作。

預(yù)測控制算法復(fù)雜，在DCS實現(xiàn)比較困難，所以將算法布置在外掛的服務(wù)器中。優(yōu)化控制服務(wù)器采集DCS的相關(guān)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器中進(jìn)行實時計算，優(yōu)化控制服務(wù)器用高性能工控機(jī)實現(xiàn)，計算結(jié)果再實時送到DCS，指導(dǎo)DCS實現(xiàn)實時優(yōu)化。通信方式通過MODBUS通信實現(xiàn)，優(yōu)化系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通過國電智深COM通信卡件傳輸數(shù)據(jù)。

由于脫硝噴氨調(diào)節(jié)閥存在一定非線性，不同開度下流量特性不同，因此構(gòu)造內(nèi)回路流量 PID 控制，保證流量穩(wěn)定。由于 A、B 側(cè)出口 NOx測量相對準(zhǔn)確，因此把 A、B 側(cè)出口NOx和凈煙氣 NOx都納入控制，構(gòu)成NOx串級控制，同時用預(yù)測控制器 MPC 替代 PID 控制，克服系統(tǒng)大延遲(見圖4)。

圖4 脫硝噴氨自動優(yōu)化控制方案

控制目標(biāo)直接為脫硫出口 NOx，解決了控制目標(biāo)與考核目標(biāo)脫節(jié)的問題。由于脫硫出口NOx在兩側(cè) SCR 出口混合后又經(jīng)過了較長的流程，混合更為均勻，避免了流場不均導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確問題。通過辨識模型，用模型輸出值代替吹掃時刻失真值，解決了設(shè)備吹掃時測量失真問題。用預(yù)測控制代替 PID 控制，解決了噴氨閥門到凈煙氣NOx純延遲大的問題。

同時，優(yōu)化系統(tǒng)通過多種技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1)優(yōu)化系統(tǒng)在DCS中組建看門狗邏輯，在通信中斷時，及時切回常規(guī)控制回路，并在操作畫面上進(jìn)行顏色變化、光字牌報警給出提醒。

2)系統(tǒng)不斷檢測由DCS側(cè)獲取的實時數(shù)據(jù)的正確性(包括上、下限，變化率等)，一旦發(fā)現(xiàn)任一信號故障，立即將所有輸出的控制指令保持，并切回到原DCS中的控制系統(tǒng)。

3)DCS接收到優(yōu)化系統(tǒng)控制指令后，根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行上、下限約束，以保證優(yōu)化系統(tǒng)的故障不會使控制指令大幅突變。

4)系統(tǒng)獨立于DCS，原有DCS的控制邏輯和保護(hù)機(jī)制完全保留，并與DCS互相跟蹤，當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)生故障時能無擾地切回到原DCS。

5)系統(tǒng)優(yōu)化站屏蔽USB端口，防止病毒入侵。配置光驅(qū)，拷貝資料使用。

4 應(yīng)用效果

脫硝噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)后，在保證控制系統(tǒng)投入自動的前提下，減小凈煙氣NOx(脫硫出口位置)波動。穩(wěn)態(tài)工況波動范圍不超±5 mg/Nm3，動態(tài)工況波動幅度不超±10mg/Nm3。同時，在環(huán)保NOx濃度測點和SCR反應(yīng)器出口NOx濃度測點存在偏差的情況下，能夠根據(jù)環(huán)保NOx濃度及時修正控制SCR噴氨流量，在任何時候都能保證考核點NOx小時均值不發(fā)生超標(biāo)，減少環(huán)?？己?。優(yōu)化系統(tǒng)在恒泰電廠2#機(jī)組應(yīng)用情況如下。

1)優(yōu)化系統(tǒng)在小幅度變負(fù)荷階段，依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且最大波動幅度不超過±6 mg/Nm3， 絕大多數(shù)時間仍然在±5 mg/Nm3之內(nèi)。如圖5所示，當(dāng)負(fù)荷從160 MW降低至156 MW的全程中，凈煙氣NOx運(yùn)行平穩(wěn)，波動最大4.7 mg/Nm3。

圖5 小幅度變負(fù)荷階段控制效果

2)在鍋爐大幅度變負(fù)荷階段，優(yōu)化系統(tǒng)依然能夠保證穩(wěn)定投入。如圖6所示，當(dāng)負(fù)荷從255 MW連續(xù)降低到201 MW的全過程中，優(yōu)化系統(tǒng)雖然較穩(wěn)態(tài)波動大，但同樣能夠保證凈煙氣NOx波動幅度不超過±10 mg/Nm3，實際波動幅度小于5 mg/Nm3。

圖6 大幅度變負(fù)荷階段控制效果

3)長期波動幅度統(tǒng)計。由于鍋爐系統(tǒng)經(jīng)常受到各種可測的和不可測的內(nèi)外擾動，所以關(guān)注凈煙氣NOx波動的瞬時值意義并不大，關(guān)鍵是當(dāng)系統(tǒng)感知或者預(yù)測到擾動即將發(fā)生時，能夠提前動作，快速消除擾動并恢復(fù)穩(wěn)定。因此本優(yōu)化控制系統(tǒng)增加了3個關(guān)注長期優(yōu)化性能的量化指標(biāo)(見圖7)：①投入優(yōu)化所有時間內(nèi)波動幅度小于3 mg/Nm3的占比為67%；②波動幅度小于5 mg/Nm3的 占比為86%；③波動幅度小于10 mg/Nm3的占比為97%。2#機(jī)組投入優(yōu)化1天時間內(nèi)，波動幅度小于3 mg/Nm3的占64%以上，波動幅度小于5 mg/Nm3的占 82% 以上，波動幅度小于10 mg/Nm3的占 95%以上?？梢?，從長期優(yōu)化效果來看，優(yōu)化系統(tǒng)能長時間保持在波動幅度3 mg/Nm3以內(nèi)。

圖7 長時間運(yùn)行控制效果

5 結(jié)論與建議

本文通過分析火電廠SCR脫硝系統(tǒng)噴氨自動存在的問題，運(yùn)用模型預(yù)測控制 (MPC) 技術(shù)對噴氨自動控制進(jìn)行優(yōu)化，在電廠的應(yīng)用測試效果良好。通過預(yù)測控制技術(shù)能實現(xiàn)凈煙氣NOx的直接控制，在環(huán)保排放不超標(biāo)的前提下大幅度降低凈煙氣NOx的波動，預(yù)估節(jié)約噴氨量15%～20%。噴氨自動長期投運(yùn)后，氨逃逸量降低，極大地緩解了空預(yù)器堵塞壓力。此方案投資小，見效明顯，具有較好的應(yīng)用推廣價值。