基于MPC的火電廠脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化方法

林遠(yuǎn)征 覃 洋

（國(guó)電福州發(fā)電有限公司，福建福州350309）

0 引言

我國(guó)對(duì)燃煤火電污染物排放的環(huán)保要求日益嚴(yán)格。2018年4月，中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》要求：“在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，燃煤電廠標(biāo)態(tài)干煙氣中顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，簡(jiǎn)稱超低排放?！盵1]目前我國(guó)燃煤機(jī)組的脫硝系統(tǒng)主要采用SCR脫硝技術(shù)。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在O2和催化劑存在的條件下，用還原劑（如NH3等）將煙氣中的NOx還原為無(wú)害的N2和H2O的工藝[2]。

燃煤電廠為保證凈煙氣NOx濃度超低排放達(dá)標(biāo)，需對(duì)鍋爐煙氣排放進(jìn)行超高精度控制，但由于SCR脫硝法反應(yīng)復(fù)雜，脫硝效率受到催化劑活性、NOx濃度測(cè)量穩(wěn)定性、煙氣流量及流速、爐膛風(fēng)量、脫硝入口溫度、還原劑品質(zhì)及使用量的影響，大多數(shù)采用傳統(tǒng)PID控制方法的脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。眾多燃煤電廠被迫選擇使用過(guò)量噴氨的方式，以確保污染物排放達(dá)標(biāo)。過(guò)量噴氨的脫硝方式，將導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降，同時(shí)易造成脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備（如空預(yù)器、電除塵器）堵塞等故障，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

針對(duì)傳統(tǒng)PID控制方法在火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)中自動(dòng)控制效果差的問(wèn)題，本文提出了基于MPC的火電廠脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化方法。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，MPC可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組噴氨量的精準(zhǔn)控制，有效控制脫硫出口凈煙氣NOx的排放，降低脫硝出口氨逃逸量，緩解脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備的堵塞壓力，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及安全穩(wěn)定性。

1 脫硝系統(tǒng)概述

某電廠2號(hào)機(jī)組為600 MW燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為超臨界壓力、循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架直流爐。

脫硝系統(tǒng)采用SCR法，設(shè)計(jì)脫硝效率可達(dá)80%，催化劑層設(shè)計(jì)為兩層運(yùn)行、一層備用，催化劑采用蜂窩型式。SCR法所用還原劑來(lái)自尿素水解反應(yīng)器加熱生成的氨氣。SCR反應(yīng)器分左右兩臺(tái)設(shè)置于省煤器出口與空預(yù)器入口之間，反應(yīng)器斷面尺寸為15 150 mm×11 100 mm，高約18 800 mm。

脫硝CEMS 系統(tǒng)采用西克麥哈克儀器有限公司的SMC-9021系統(tǒng)，脫硝入口采用SICK S710煙氣分析儀，脫硝出口采用SICK GMS810煙氣分析儀。

DCS控制系統(tǒng)采用西屋控制有限公司的Symphony集散控制系統(tǒng)，包括DAS、FSSS、SCS、ECS、MCS（含F(xiàn)SCS、FSSS等）子系統(tǒng)。

2 問(wèn)題分析

該電廠2號(hào)機(jī)組自2010年脫硝系統(tǒng)改造以來(lái)，使用傳統(tǒng)單回路PID控制方法，將脫硝出口NOx作為控制目標(biāo)進(jìn)行控制，但實(shí)際控制效果較差，導(dǎo)致運(yùn)行人員被迫頻繁手動(dòng)干預(yù)進(jìn)行過(guò)量噴氨，以確保凈煙氣NOx排放達(dá)標(biāo)。長(zhǎng)期的過(guò)量噴氨，增加了尿素原料的消耗，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本升高；過(guò)量的氨氣會(huì)在脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備（空預(yù)器、電除塵）生成硫酸氫氨凝結(jié)物，使設(shè)備存在堵塞、腐蝕的安全隱患。因此，脫硝控制系統(tǒng)迫切需要進(jìn)行優(yōu)化改造，以保證自動(dòng)噴氨的可靠投入，實(shí)現(xiàn)噴氨量的精準(zhǔn)控制，降低脫硝出口的氨逃逸量，保護(hù)脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備的健康運(yùn)行，確保凈煙氣NOx排放達(dá)標(biāo)。

經(jīng)分析總結(jié)，傳統(tǒng)PID控制法在該電廠2號(hào)機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)噴氨量的穩(wěn)定投入的原因如下：

（1）脫硝系統(tǒng)出口NOx測(cè)量值與脫硫系統(tǒng)出口凈煙氣NOx測(cè)量值（環(huán)保測(cè)量值）不一致，存在“倒掛”現(xiàn)象。脫硝出口煙道截面巨大，實(shí)際運(yùn)行中煙氣偏流嚴(yán)重，導(dǎo)致脫硝出口煙道NOx分布均勻性差；而脫硝系統(tǒng)兩側(cè)出口NOx采樣測(cè)量方式較為落后，均使用單點(diǎn)采樣探槍進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果代表性較差。

（2）脫硝系統(tǒng)采用6組渦流混合型AIG均等布置于上升煙道中，粗獷的布氨風(fēng)格造成脫硝出口煙道氨逃逸嚴(yán)重，局部區(qū)域氨逃逸峰值高達(dá)4.23 mg/m3。

（3）脫硝CEMS系統(tǒng)的吹掃對(duì)脫硝出口NOx的測(cè)量存在極大干擾。為防止脫硝出口煙氣采樣裝置堵灰，脫硝CEMS系統(tǒng)每隔4 h利用儀用空氣對(duì)煙氣采樣裝置吹掃一次，而脫硝系統(tǒng)NOx測(cè)量值則在吹掃期間失真。

從圖6可以看出，在橡木桶陳釀前期，獼猴桃果酒中的酚類物質(zhì)含量迅速減少，原因主要是酒液中的溶解氧與酚類物質(zhì)發(fā)生了氧化聚合反應(yīng)，形成了復(fù)雜的化合物；隨著陳釀的進(jìn)行，酒液中的溶解氧趨于穩(wěn)定，酚類物質(zhì)含量變化也逐漸趨于平緩[34]。隨著陳釀的進(jìn)行，帶有苦澀味道的酚類物質(zhì)逐漸氧化聚合，形成一系列的低聚合化合物，使得獼猴桃果酒的口感變得逐漸醇厚。

（4）環(huán)?？己四繕?biāo)與傳統(tǒng)PID脫硝法的控制目標(biāo)存在脫節(jié)。傳統(tǒng)PID脫硝控制法控制的是脫硝島出口NOx，而脫硫塔出口凈煙氣NOx才是環(huán)保考核目標(biāo)，NOx測(cè)量值由于存在“倒掛”現(xiàn)象，難以通過(guò)脫硝出口NOx的自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫出口凈煙氣NOx的穩(wěn)定控制。

（5）如果以脫硫出口凈煙氣NOx作為傳統(tǒng)PID脫硝法的控制目標(biāo)，煙氣需要經(jīng)過(guò)脫硝島、空預(yù)器、電除塵器、引風(fēng)機(jī)、脫硫塔，整個(gè)煙氣排放過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，被控對(duì)象存在嚴(yán)重的大時(shí)延，難以實(shí)現(xiàn)有效可靠的精準(zhǔn)控制。

（6）催化劑的鈍化與中毒，導(dǎo)致NOx脫除量降低。在理想狀況下，催化劑將在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)降低NOx的排放，但是在實(shí)際的SCR裝置運(yùn)行過(guò)程中，總會(huì)由于煙氣中的堿金屬/砷/催化劑的燒結(jié)、催化劑孔的堵塞、催化劑的腐蝕以及水蒸氣的凝結(jié)和硫酸鹽、硫銨鹽的沉積等原因，使催化劑活性降低或中毒[3]。

3 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化方法

該電廠通過(guò)脫硝流場(chǎng)優(yōu)化改造、氨氮一體化網(wǎng)格取樣測(cè)量裝置改造，增加外掛模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)脫硝自動(dòng)控制優(yōu)化。

（1）通過(guò)在脫硝入口煙道中布置多組導(dǎo)流板，在水平煙道內(nèi)加裝三角形大范圍混合裝置，實(shí)現(xiàn)煙氣大范圍混合，提高脫硝煙道NOx濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)在不同負(fù)荷下的均勻性。

（2）將渦流混合型AIG更換為格柵型AIG，從而實(shí)現(xiàn)布氨均勻性。

（3）將脫硝出口采樣裝置改造為氨氮一體化網(wǎng)格取樣測(cè)量系統(tǒng)，改善脫硝CEMS系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果代表性。

MPC輸出如圖1所示。

圖1 MPC輸出

4 MPC主要優(yōu)化內(nèi)容

（1）將脫硫出口凈煙氣NOx濃度值、脫硝出口NOx濃度值一并納入控制目標(biāo)，設(shè)定脫硫出口NOx控制優(yōu)先級(jí)高于脫硝出口NOx，形成串級(jí)控制。

（2）建立脫硫出口NOx與脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)間的完整模型，通過(guò)MPC預(yù)測(cè)脫硫出口凈煙氣NOx濃度的波動(dòng)趨勢(shì)，解決了被控對(duì)象（脫硫出口NOx）測(cè)量時(shí)延大的問(wèn)題。

（3）多變量預(yù)測(cè)控制算法由于在西屋控制有限公司的Symphony集散控制系統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)，所以選擇算力強(qiáng)大的工控機(jī)外掛MPC系統(tǒng)，通過(guò)DCS-COM通信卡件，利用MODBUS通信采集脫硝系統(tǒng)及凈煙氣NOx等相關(guān)數(shù)據(jù)，辨識(shí)后在外掛MPC系統(tǒng)中建立優(yōu)化模型，通過(guò)模型實(shí)時(shí)計(jì)算獲得當(dāng)前工況的最優(yōu)指令并送至DCS，指導(dǎo)DCS實(shí)現(xiàn)脫硝噴氨自動(dòng)控制。

（4）尿素水解的氨氣混合物由于雜質(zhì)較多，脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期投運(yùn)后，噴氨調(diào)節(jié)閥易受雜質(zhì)影響而發(fā)生調(diào)節(jié)特性的改變，為保證噴氨流量穩(wěn)定并克服噴氨調(diào)閥到凈煙氣NOx純延遲大的問(wèn)題，增加內(nèi)回路流量PID控制。

（5）脫硫出口相較于脫硝出口，煙氣中的NOx混合更加均勻，故而凈煙氣NOx測(cè)量代表性高于脫硝出口測(cè)量值NOx。當(dāng)脫硝CEMS吹掃時(shí)，通過(guò)辨識(shí)脫硫出口NOx的變化趨勢(shì)，獲得實(shí)時(shí)NOx模型輸出值，從而代替吹掃期間的脫硝出口NOx失真值，有效解決CEMS吹掃失真問(wèn)題。

（6）為保證脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置多種MPC保護(hù)措施：1）MPC外掛服務(wù)器獨(dú)立于DCS，保留DCS原有控制邏輯；2）當(dāng)MPC與DCS通信中斷時(shí)，在DCS畫(huà)面上進(jìn)行光字牌報(bào)警，并將控制切回DCS方式控制；3）MPC外掛服務(wù)器實(shí)時(shí)檢測(cè)DCS發(fā)送過(guò)來(lái)的參數(shù)品質(zhì)，若檢測(cè)到任一數(shù)據(jù)點(diǎn)位為壞品質(zhì)，則立即將控制方式切換至DCS常規(guī)控制，同時(shí)在DCS上進(jìn)行光字牌報(bào)警。

5 應(yīng)用效果

脫硝自動(dòng)控制經(jīng)過(guò)MPC系統(tǒng)的優(yōu)化后，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較為穩(wěn)定時(shí)，凈煙氣NOx濃度波動(dòng)范圍不超過(guò)±5 mg/Nm3；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大范圍波動(dòng)時(shí)（或AGC模式下），凈煙氣NOx濃度波動(dòng)范圍不超過(guò)±8 mg/Nm3。同時(shí)，在脫硝出口NOx濃度測(cè)量出現(xiàn)突變故障或失真時(shí)，MPC系統(tǒng)能夠根據(jù)凈煙氣NOx濃度的變化趨勢(shì)及時(shí)修正噴氨流量的控制指令，保證煙氣排放達(dá)標(biāo)，避免被環(huán)?？己?。具體應(yīng)用情況如下：

（1）在機(jī)組負(fù)荷較平穩(wěn)時(shí)，MPC優(yōu)化下的脫硝噴氨量能夠自動(dòng)穩(wěn)定投入，且凈煙氣NOx最大波動(dòng)幅度不超過(guò)±5 mg/Nm3。負(fù)荷較平穩(wěn)階段控制效果如圖2所示，當(dāng)負(fù)荷從368 MW下降至356 MW的過(guò)程中，凈煙氣NOx變化平穩(wěn)，波動(dòng)最大值為4.57 mg/Nm3。

（2）在鍋爐負(fù)荷大幅度波動(dòng)階段，MPC優(yōu)化下的脫硝自動(dòng)控制依然能夠穩(wěn)定投入。大幅度變負(fù)荷階段控制效果如圖3所示，負(fù)荷從362 MW升到412 MW后又下降至372 MW，最終上升至409 MW的全過(guò)程中，凈煙氣NOx波動(dòng)幅度不超過(guò)±5 mg/Nm3，波動(dòng)最大值為3.11 mg/Nm3。

6 結(jié)語(yǔ)

圖2 負(fù)荷較平穩(wěn)階段控制效果

本文通過(guò)分析某電廠2號(hào)機(jī)組噴氨自動(dòng)控制所存在的問(wèn)題，運(yùn)用MPC對(duì)SCR參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)建模并預(yù)測(cè)控制，所建模型時(shí)延小且能準(zhǔn)確反映實(shí)際值的變化情況，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。經(jīng)MPC優(yōu)化后的脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用效果良好，利用MPC能有效降低凈煙氣NOx的波動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氨量的及時(shí)精準(zhǔn)控制，極大地緩解了脫硝系統(tǒng)下游設(shè)備的堵塞壓力，有效減少了機(jī)組運(yùn)行成本，提高了脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制水平。

圖3 大幅度變負(fù)荷階段控制效果