百萬機組脫硝自動控制策略分析與優(yōu)化

吳 吉 王偉哲 畢明波

(1.神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362700；2.內(nèi)蒙古神華國華呼倫貝爾發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021025)

某火力發(fā)電機組容量為1050 MW。鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、一次再熱、單爐、平衡通風(fēng)、對燃方式、固體排渣、露天布置、全鋼架的∏型變壓直流爐。汽輪機為東汽生產(chǎn)的N1000-26.25/600/600。一次再熱、單軸、四缸、四排汽、凝汽式汽輪機由首尾串聯(lián)，有一個單流高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸。DCS控制設(shè)備采用杭州和利時分散控制系統(tǒng)。配置軟件為MACS6.52系統(tǒng)，硬件采用SM系列。

噴氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)催化劑由3層組成。每一催化層又由A、B兩側(cè)組成，每層分別布置16個聲波吹灰器。該噴氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)由三臺稀釋風(fēng)機(2用1備)提供稀釋風(fēng)量，A、B側(cè)供氨流量由羅斯蒙特流量計實現(xiàn)測量，流量大小由ABB氣動調(diào)節(jié)門實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

本文以某電廠百萬機組的脫硝自動控制策略為例，分析了在線調(diào)節(jié)中控制邏輯存在的問題及優(yōu)化后的調(diào)節(jié)效果。

1 脫硝自動控制現(xiàn)狀

某火力發(fā)電機組脫硝自動回路設(shè)計原理為PID串級調(diào)節(jié)，主回路主要控制出口NOX濃度；副回路主要調(diào)節(jié)供氨流量。通過對多個電廠相關(guān)技術(shù)人員的咨詢后，發(fā)現(xiàn)各廠機組的運行工況都有所不同，操作人員的調(diào)節(jié)手法也不同，調(diào)研同類型機組也是如此，因此給噴氨自動控制邏輯優(yōu)化帶來很大挑戰(zhàn)。

從其回路設(shè)計原理[1]分析來看，只要控制好出口NOX濃度和噴氨流量，理論上就能很好地實現(xiàn)脫硝效率的控制，但實際并非如此。就本工程脫硝自動調(diào)節(jié)回路而言，往往在變負(fù)荷、啟停磨煤機、風(fēng)量、燃料量突變等工況時，噴氨響應(yīng)速度很慢而導(dǎo)致NOX濃度超標(biāo)。通過對脫硝自動調(diào)節(jié)的長期分析研究，其調(diào)節(jié)難度不低于三沖量控制。無論是負(fù)荷、風(fēng)量、燃料量的變化都是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，任何一個變量不兼顧都會影響回路的調(diào)節(jié)效果。以上變量僅為對調(diào)節(jié)影響較大的參數(shù)，因此噴氨自動控制不僅是出口NOX、濃度和噴氨流量的調(diào)節(jié)，它也是一種具有強耦合的多輸入多輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在調(diào)節(jié)過程中，不僅要保持氮氧化物/調(diào)節(jié)門在穩(wěn)定狀態(tài)下的開度平衡，還要保持負(fù)荷/調(diào)節(jié)門、氧氣/調(diào)節(jié)門、燃料/調(diào)節(jié)門、空氣/調(diào)節(jié)門的開度平衡。工況發(fā)生變化時，應(yīng)保持動態(tài)平衡。如果打破這種平衡關(guān)系，則回路的調(diào)節(jié)質(zhì)量將非常差，因此其調(diào)節(jié)質(zhì)量不僅取決于調(diào)節(jié)對象，還取決于其他工況參數(shù)[2]。

2 脫硝自動回路優(yōu)化前存在問題

2.1 脫硝主調(diào)節(jié)控制回路

脫硝主調(diào)節(jié)控制回路控制出口NOX濃度，起到細(xì)調(diào)作用?？刂七壿媰?yōu)化前，其PID調(diào)節(jié)器高低限設(shè)計范圍為[-0.3～0.3]。脫硝在線分析儀表就地吹掃時，輸出數(shù)據(jù)會自保持，當(dāng)NOX濃度與設(shè)定值存在偏差時，調(diào)節(jié)器將始終調(diào)整輸出，導(dǎo)致閥門控制超調(diào)而影響NOX濃度調(diào)節(jié)。運行期間雖然經(jīng)過一次優(yōu)化，但是在負(fù)荷變化、煤波動、啟停磨煤機等工況時將影響噴氨自動調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致NOX濃度無法控制。

2.2 脫硝副調(diào)節(jié)控制回路

脫硝副調(diào)節(jié)控制回路是控制噴氨流量[3]，起到快速粗調(diào)作用。優(yōu)化前控制邏輯未進行任何前饋修正。當(dāng)工況稍微發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)跟蹤非常緩慢，環(huán)境保護參數(shù)經(jīng)常超標(biāo)。經(jīng)過邏輯優(yōu)化后，采用給煤機啟動前饋信號，增加調(diào)門偏置修正量3%。在線試驗效果不理想，無法實現(xiàn)噴氨自動控制功能。

綜上所述，原設(shè)計脫硝自動控制回路存在的主要問題是在變負(fù)荷、啟停磨、暖磨、風(fēng)量突變等工況下響應(yīng)速度很慢，導(dǎo)致氨供應(yīng)調(diào)節(jié)不及時，氮氧化物濃度經(jīng)常超標(biāo)。

3 脫硝自動控制策略優(yōu)化內(nèi)容

針對某火力發(fā)電機組脫硝自動控制策略存在的問題，調(diào)研了多個發(fā)電廠脫硝自動控制回路的調(diào)節(jié)情況，發(fā)現(xiàn)各電廠機組運行工況不同。對于600 MW機組而言，高負(fù)荷時風(fēng)量變化不大，氧量的影響不明顯，風(fēng)量擾動對脫硝自動調(diào)整影響不大。負(fù)荷變化對氧量的影響也是一樣的，閥門自動給出的指令幾乎不變。其中在調(diào)研兩臺百萬臺機組脫硝自動回路調(diào)整情況時，發(fā)現(xiàn)風(fēng)量變化對脫硝回路自動調(diào)整影響很小，但燃料量的波動對調(diào)節(jié)擾動影響較大。通過對我廠不同工況下相關(guān)參數(shù)的歷史趨勢的長期觀察、分析，得出上述機組運行工況與本工程機組運行工況存在較大差異。因此，其他單位脫硝自動回路的調(diào)研結(jié)果不完全適用我廠脫硝控制策略，但可作為脫硝控制策略優(yōu)化的理論依據(jù)和參考。結(jié)合實際狀況和其他單位調(diào)研結(jié)果[4-5]，最終確定脫硝自動控制策略優(yōu)化方案如圖1。

3.1 增加氧量補償修正

圖1 氧量補償修正邏輯框圖

因為磨煤機啟動過程是先加風(fēng)后加煤，磨煤機停止過程是先減煤后減風(fēng)，升負(fù)荷過程是先加風(fēng)再加煤，降負(fù)荷過程是先減煤再減風(fēng)。結(jié)合機組實際工況的歷史趨勢[6]，確定上述任一工況都會導(dǎo)致前期短時間內(nèi)氧量的增加。由于折算后的氮氧化物的濃度與氧含量成正比，當(dāng)?shù)趸镛D(zhuǎn)化后濃度突然升高時，必然會干擾氨供應(yīng)的調(diào)節(jié)。為了提前避免干擾而增加氧量補償修正回路，如圖1所示。根據(jù)不同工況歷史數(shù)據(jù)(表1、表2)及負(fù)荷變化補償修正計算，A側(cè)噴氨自動控制回路的氧量修正系數(shù)為3，B側(cè)噴氨自動控制回路的氧量修正系數(shù)為4。

表1 不同工況下功率、氧量、NOX、調(diào)門給定歷史數(shù)據(jù)

表2 不同工況下功率、氧量、NOX、調(diào)門給定歷史數(shù)據(jù)

3.2 增加煤量補償修正

在變負(fù)荷過程中，由于燃料加速回路作用導(dǎo)致煤量波動較大[7]。通過長周期觀察煤量和脫硝自動調(diào)節(jié)回路的相關(guān)參數(shù)趨勢，發(fā)現(xiàn)煤量的大幅度波動對噴氨自動控制有很大影響，因此該邏輯優(yōu)化還增加了煤量的補償修正，如圖2所示。煤量補償修正系數(shù)主要根據(jù)多次采集的平均值計算，系數(shù)經(jīng)計算確定為0.1。

圖2 煤量補償修正邏輯框圖

3.3 增加負(fù)荷補償修正

通過調(diào)取不同負(fù)荷階段脫硝出口氮氧化物濃度、含氧量和脫硝調(diào)節(jié)閥指令的歷史趨勢，當(dāng)脫硝出口氮氧化物濃度變化范圍小時，負(fù)荷越高，供氨閥接收指令越大，即正作用；含氧量越小，供氨閥接收指令越大，即反作用。

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的長期分析和圖3邏輯運算，通過不同負(fù)荷段數(shù)據(jù)采集和計算確定A側(cè)負(fù)荷補償修正系數(shù)為0.04，B側(cè)負(fù)荷補償修正系數(shù)為0.045。

圖3 負(fù)荷補償修正邏輯框圖

3.4 增加啟停磨風(fēng)量信號補償修正

磨煤機啟動前先加風(fēng)，反之后減風(fēng)。因此，在啟動和停止磨煤機時，風(fēng)量與煤量的比值都是先升高。通過對歷史趨勢的調(diào)取，發(fā)現(xiàn)啟動和停磨初期對脫硝自動調(diào)節(jié)擾動都是正作用。因此，為了解決啟停磨操作初始階段干擾大的問題，可根據(jù)啟停磨風(fēng)量信號補償進行修正，根據(jù)圖4邏輯運算以及脫硝自動回路手動狀態(tài)下供氨調(diào)門手動給定指令確定A側(cè)啟磨風(fēng)量信號補償修正偏置值為4，B側(cè)啟磨風(fēng)量信號補償修正偏置值為3.5。

圖4 啟停磨風(fēng)量信號補償修正邏輯框圖

3.5 增加啟磨信號補償修正

根據(jù)運行人員反映的情況和歷史數(shù)據(jù)調(diào)取分析，磨煤機啟動對脫硝自動控制回路調(diào)節(jié)的干擾也是比較大的。由于不同運行人員的操作手法也不同，很難確定修正值。目前，根據(jù)圖5邏輯運算和各操作人員的操作值計算出平均值，通過對多組供氨調(diào)門手動給定指令計算確定A側(cè)噴氨自動回路啟磨偏置校正值為9，B側(cè)噴氨自動回路啟磨偏置校正值為8。

圖5 啟磨信號補償修正邏輯框圖

3.6 增加停磨信號補償修正

確定停磨偏置修正值的確定方法與上述方法相同(圖6)。A側(cè)噴氨自動回路啟磨偏置校正值為8，B側(cè)噴氨自動回路啟磨偏置校正值為7。

圖6 停磨信號補償修正邏輯框圖

3.7 增加脫硝調(diào)節(jié)回路自動切除條件

為了避免工作條件異?；蜃詣踊芈氛{(diào)節(jié)不當(dāng)，采用回路自動切除而切至手動，如圖7所示，提醒操作人員及時手動干預(yù)，確保環(huán)保參數(shù)得到有效控制。

圖7 脫硝自動回路切除邏輯框圖

3.8 優(yōu)化后優(yōu)點

通過優(yōu)化脫硝自動控制策略回路的結(jié)構(gòu)[8]，在其副級調(diào)節(jié)器中加入多個前饋變量，調(diào)節(jié)過程中擾動變量的耦合性較強，這可以相互制約和調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)性能能適應(yīng)機組不同工況，提高自動回路調(diào)節(jié)質(zhì)量，同時大大降低了操作人員的工作量，保證了環(huán)保數(shù)據(jù)氮氧化物指標(biāo)調(diào)節(jié)品質(zhì)以及環(huán)保數(shù)據(jù)傳輸合格率。

4 優(yōu)化后控制邏輯在線試驗

在基建調(diào)試的基礎(chǔ)上，對上述脫硝自動控制策略的控制邏輯進行了多次優(yōu)化。在優(yōu)化的控制邏輯投入使用后，取得了良好的調(diào)節(jié)效果[9]。根據(jù)機組運行中的實際調(diào)節(jié)情況，在線修正前饋系數(shù)，通過不同工況下的長周期試驗，選擇并確定最佳修正系數(shù)。經(jīng)過邏輯優(yōu)化，脫硝自動控制回路無論是啟停磨，還是煤量或負(fù)荷的變化的工況下，都可以在短時間內(nèi)控制出口氮氧化物濃度在允許范圍內(nèi)。在整個過程中，不需要操作者的手動頻繁操作干預(yù)，自動調(diào)節(jié)效果良好，完全滿足DL/T774-2015中第8.8.3.3條要求[10]，即脫硝系統(tǒng)出口NOX值控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)(AGC調(diào)節(jié)范圍)要求，即穩(wěn)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)：±10 mg/Nm3；當(dāng)NOX定值變化為20 mg/Nm3，過渡過程衰減率0.75～0.95，穩(wěn)定時間小于15分鐘；定值擾動(擾動量±15 mg/Nm3)時，過渡時間小于300 s，動態(tài)偏差小于±15 mg/Nm3。脫硝自動回路調(diào)節(jié)已達(dá)到較高水平，保證了機組運行工況下NOX的正常排放[11]。圖8～10是優(yōu)化后不同工況的歷史趨勢圖。從圖8、圖9、圖10中可以看出，自動調(diào)節(jié)正常，效果良好。

圖8 負(fù)荷、氧量補償修正趨勢圖

圖9 啟磨信號偏置修正趨勢圖

圖10 停磨信號偏置修正趨勢圖

5 結(jié)論

本工程脫硝自動控制策略優(yōu)化后，很好地解決了原邏輯在線調(diào)節(jié)過程中存在的問題，提高了機組脫硝自動控制系統(tǒng)的可靠性。提高了調(diào)節(jié)質(zhì)量，實現(xiàn)了脫硝自動調(diào)節(jié)真正意義上的自動，極大程度減少了操作人員的工作量。實現(xiàn)了在變負(fù)荷、啟停磨、暖磨、燃料或風(fēng)量突變等工況下噴氨自動的投入，為環(huán)保參數(shù)的實時、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)、監(jiān)測和傳輸提供了可靠的技術(shù)保障。本脫硝自動控制策略優(yōu)化后有以下成效：

(1)氧量修正和負(fù)荷修正是回路補償修正中的一組耦合變量。它們被稱為耦合變量，因為氧量隨負(fù)荷的增加而減少。方向相反，它們在調(diào)節(jié)過程中相互影響和制約[12]，可以適應(yīng)氧量變化負(fù)荷變化、氧量不變負(fù)荷變化、氧量變化負(fù)荷不變化、氧量負(fù)荷均變化等工況下的調(diào)節(jié)。具有較強的適應(yīng)性和較好的調(diào)節(jié)性能。煤量補償修正和啟停磨風(fēng)量信號修正的效果相同[13]。

(2)磨煤機啟動和停止信號的偏置修正，有效地克服了鍋爐側(cè)磨組系統(tǒng)相對于噴氨控制系統(tǒng)慣性大的特點。從圖9、圖10可以看出脫硝自動控制回路調(diào)節(jié)的同步性[14]。

(3)通過對脫硝自動回路控制效果的長期分析研究，發(fā)現(xiàn)影響回路的調(diào)節(jié)參數(shù)較多，其對工況要求也是比較嚴(yán)格，要求更高。從歷史趨勢圖8、圖9、圖10可以看出，優(yōu)化后的脫硝自動控制策略完全可以解決機組投運以來的NOX濃度調(diào)節(jié)存在的問題。因此，對于存在上述問題的同類型機組，可參照本項目脫硝自動控制策略，同時結(jié)合本廠機組的實際工況，對脫硝自動控制策略進行優(yōu)化調(diào)試。