SCR脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化技術(shù)分析

李子尚，朱仁涵，杜振

（1．長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南省 長沙市 410012；2．中國華電集團(tuán)有限公司福建分公司，福建省 福州市 350002；3．華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

“十二五”期間我國大規(guī)模開展燃煤機(jī)組脫硝改造工作，由于工期緊、經(jīng)驗缺乏、項目管理粗放以及后期運(yùn)維經(jīng)驗不足，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在一定的問題[1-3]。在脫硝系統(tǒng)潛在的問題尚未有效解決的情況下，燃煤機(jī)組又開展了脫硝超低排放改造的工作，脫硝系統(tǒng)出口NOx排放限值進(jìn)一步提高勢必會給脫硝系統(tǒng)帶來更大的不利影響[3-6]。隨著選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝系統(tǒng)的長期運(yùn)行，脫硝系統(tǒng)噴氨不均、出口NOx濃度場分布不均等問題愈發(fā)嚴(yán)重，噴氨和出口NOx濃度場的均勻性不僅影響到催化劑壽命和煙氣系統(tǒng)阻力，也會對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性帶來很大的影響，已成為SCR脫硝系統(tǒng)亟待解決的問題[7-8]。

目前，針對噴氨和出口NOx濃度場分布不均的問題，主要采用噴氨優(yōu)化調(diào)整予以解決，噴氨優(yōu)化調(diào)整需通過現(xiàn)場試驗對入口噴氨閥門進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)出口NOx排放濃度的調(diào)平[9-11]。該種模式不僅需要耗費(fèi)大量的現(xiàn)場人力，且調(diào)整后只能在一些常規(guī)負(fù)荷條件下保持短時間內(nèi)的均勻分布。當(dāng)前國內(nèi)燃煤機(jī)組負(fù)荷和燃煤存在多變性，僅采用噴氨優(yōu)化調(diào)整存在很大的局限性，且負(fù)荷煤質(zhì)發(fā)生變化后需重新開展噴氨優(yōu)化調(diào)整工作，不利于長期保障脫硝機(jī)組高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在現(xiàn)有脫硝控制系統(tǒng)中，PID控制器具有抗干擾能力較強(qiáng)、易于調(diào)整參數(shù)且操作簡單等優(yōu)點，PID控制模式已成為現(xiàn)有SCR脫硝控制系統(tǒng)的主流方式，但由于SCR脫硝系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，出口NOx濃度又受到煙溫、煙氣流量、含氧量、催化劑活性等多種因素的影響，同時由于現(xiàn)場測試儀表存在一定的滯后性，從而造成整個脫硝系統(tǒng)的PID控制呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性和大時滯性[12-14]。尤其是在鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)或燃燒條件發(fā)生變化時，煙氣參數(shù)出現(xiàn)較大波動，直接影響SCR脫硝系統(tǒng)的實際運(yùn)行方式，導(dǎo)致現(xiàn)有PID控制模式無法做到噴氨的精準(zhǔn)控制。因此，為提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的及時性和經(jīng)濟(jì)性，需針對現(xiàn)有的測量方式、響應(yīng)策略、調(diào)整模式開展SCR脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨控制技術(shù)的研究工作。

1 現(xiàn)有噴氨控制技術(shù)

1.1 固定摩爾比控制方式

固定摩爾比控制方式原理如圖1所示。該控制方式將氨氮摩爾比設(shè)定為固定值，不隨入口NOx濃度變化而變化，按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx。其主要控制過程為：通過煙氣流量與 SCR 反應(yīng)器入口 NOx濃度的在線監(jiān)測結(jié)果計算出入口NOx的總量，從而根據(jù)固定的氨氮摩爾比計算出所需要的噴氨量，并與實際噴氨量進(jìn)行對比修正，生成噴氨閥門開度的控制信號，從而調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨量。

圖1 固定摩爾比控制方式原理圖 Fig. 1 Schematic diagram of fixed mole ratio control

該控制方式不設(shè)置反饋回路，煙氣流量監(jiān)測信號作為控制系統(tǒng)的超前信號，在鍋爐負(fù)荷波動較大時可通過改變固定摩爾比的設(shè)定值來調(diào)整脫硝系統(tǒng)噴氨量，屬于設(shè)定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)。該控制邏輯簡單，易于實現(xiàn)，但整體控制方式靈活性差，尤其是入口NOx濃度發(fā)生改變時，無法及時有效地調(diào)整脫硝系統(tǒng)噴氨量，容易造成噴氨量過多或不足。噴氨量過多時，易造成氨逃逸過大，從而帶來一系列問題；而噴氨量不足時，易造成出口NOx超標(biāo)排放。

1.2 出口NOx定值控制方式

出口NOx定值控制方式是通過實時修正氨氮摩爾比，保證出口NOx濃度為定值的控制方式，其主要控制過程如圖2所示。首先根據(jù)入口NOx濃度實際測量值、出口NOx濃度設(shè)定值計算出脫硝效率，獲得預(yù)置的氨氮摩爾比；其次根據(jù)出口NOx濃度的實際測量值與設(shè)定值進(jìn)行對比，對預(yù)置的氨氮摩爾比進(jìn)行校核修正，從而計算出滿足當(dāng)前工況所需的氨氮摩爾比；最后控制回路根據(jù)修正后的氨氮摩爾比計算出所需噴氨量，并與實際噴氨量的測量值進(jìn)行比較，經(jīng) PID 控制器分析后生成噴氨閥門開度信號，從而調(diào)整噴氨量，保證出口NOx濃度為設(shè)定值。

圖2 出口NOx定值控制方式原理圖 Fig. 2 Schematic diagram of outlet NOx setting control mode

該控制方式將設(shè)定的出口NOx濃度作為控制目標(biāo)值，鍋爐負(fù)荷工況變化時，能自動調(diào)整氨氮摩爾比，按需控制出口NOx濃度，可以提高噴氨量控制精度、減少噴氨量、降低氨逃逸濃度。但 出口NOx定值控制回路是串級結(jié)構(gòu)，控制邏輯相對復(fù)雜，實際操作過程較繁瑣，易出現(xiàn)滯后問題。

1.3 現(xiàn)有控制方式存在的問題

隨著環(huán)保要求的逐步嚴(yán)格，出口NOx定值控制方式作為SCR脫硝系統(tǒng)的主流控制方式得到了廣泛應(yīng)用。但由于SCR 脫硝系統(tǒng)本身具有較大的滯后性，現(xiàn)有測量設(shè)備無法直接準(zhǔn)確測量煙氣流量，需要根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析修正煙氣流量。同時脫硝系統(tǒng)測量和分析儀表本身具有一定的滯后性，造成測量值信號滯后，當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時，無法及時對噴氨量進(jìn)行有效的調(diào)整，從而導(dǎo)致出口NOx濃度偏離設(shè)定值[15-18]。

脫硝超低排放改造后，SCR脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸的控制難度進(jìn)一步增大，同時現(xiàn)有鍋爐負(fù)荷變化更頻繁，僅依靠現(xiàn)有反饋控制難以實現(xiàn)出口NOx濃度的準(zhǔn)確快速控制。因此在現(xiàn)有控制方式的基礎(chǔ)上，需開展精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化控制技術(shù)，綜合考慮運(yùn)行參數(shù)，通過構(gòu)建智能前饋控制信號實現(xiàn)噴氨量的精確控制，實時準(zhǔn)確控制出口NOx濃度。

2 精準(zhǔn)噴氨控制技術(shù)

精準(zhǔn)噴氨控制技術(shù)主要是在PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增加脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化控制裝置，將脫硝系統(tǒng)噴氨總量控制、分區(qū)控制及出口NOx濃度等相關(guān)變量接入脫硝控制系統(tǒng)，采用基于預(yù)測控制的優(yōu)化算法進(jìn)行多回路控制，并通過對脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建脫硝精準(zhǔn)噴氨的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)噴氨總量預(yù)測及出口NOx濃度精準(zhǔn)控制，從而進(jìn)行實時控制、技術(shù)調(diào)整，降低氨逃逸和脫硝運(yùn)行成本[19-22]。

2.1 噴氨總量控制技術(shù)

噴氨總量控制技術(shù)是入口NOx前饋預(yù)測模型的關(guān)鍵，通過大量的實時運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析，預(yù)測入口NOx濃度，并通過實際儀表測量值修正NOx濃度預(yù)測值，從而解決NOx測量儀表測量滯后的問題。

噴氨總量控制示意圖如圖3所示。通過分析SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系，經(jīng)過關(guān)鍵因素分析和識別研究，得到影響NOx生成及脫除的主要物理參數(shù)，從中篩選出影響NOx生成的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，將其作為模型計算的輸入變量。以入口NOx濃度作為輸出變量，經(jīng)過反復(fù)的訓(xùn)練過程，不斷通過實際儀表測量值修正NOx濃度預(yù)測值，最終使入口NOx濃度的模型輸出數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的誤差在可接受的范圍內(nèi)，實現(xiàn)氮氧化物排放濃度智能預(yù)測及SCR噴氨系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

圖3 噴氨總量控制示意圖 Fig. 3 Schematic diagram of total ammonia injection control

入口NOx前饋預(yù)測模型是由反向誤差前饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成，通過擬合影響因素，即輸入變量與輸出變量間的對應(yīng)關(guān)系，并通過入口NOx濃度的硬測量值對輸出的軟測量值進(jìn)行修正擬合，從而獲得準(zhǔn)確、及時的軟測量值。通過入口NOx軟測量技術(shù)預(yù)測入口NOx的濃度，作為噴氨前饋的重要參數(shù)，并加入噴氨總量的閉環(huán)控制中，有效降低入口NOx儀表測量的滯后問題，同時積累測試數(shù)據(jù)，自動分析學(xué)習(xí)，逐步實現(xiàn)在鍋爐負(fù)荷及燃燒變化時的快速判斷及調(diào)整，最終實現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨總量的精細(xì)化控制。

2.2 分區(qū)噴氨技術(shù)

分區(qū)噴氨技術(shù)主要為多分區(qū)/多點測量的設(shè)計，每側(cè)SCR布置多個支路測點，對應(yīng)的噴氨管路也同步分組，每組對應(yīng)一個分區(qū)。通過多點同步采樣測量、氨氮摩爾比分區(qū)在線調(diào)平和多維度噴氨總量控制等技術(shù)，全面提升噴氨控制的精準(zhǔn)性，達(dá)到有效控制噴氨量的效果。分區(qū)噴氨示意圖如圖4所示。通過在噴氨總管和噴氨支管之間增加噴氨分區(qū)調(diào)平閥和噴氨分區(qū)小母管，實現(xiàn)噴氨小分區(qū)布置，從而可以根據(jù)對應(yīng)分區(qū)出口NOx測量值的前饋，對噴氨總量控制閥、分區(qū)調(diào)平閥和支管調(diào)節(jié)閥進(jìn)行串聯(lián)控制和協(xié)同調(diào)整，同時通 過分區(qū)調(diào)平閥前端的分區(qū)噴氨流量計，進(jìn)一步修正校驗分區(qū)調(diào)平閥的調(diào)平效果，從而進(jìn)一步提高噴氨分區(qū)調(diào)節(jié)的可靠性。

圖4 分區(qū)噴氨示意圖 Fig. 4 Schematic diagram of partition ammonia injection

分區(qū)噴氨技術(shù)控制的關(guān)鍵為分區(qū)NOx測量和分區(qū)調(diào)控，在實際操作過程中，通過實時測量各分區(qū)出口NOx濃度，對各分區(qū)噴氨調(diào)平閥進(jìn)行自動調(diào)整，分配各分區(qū)的噴氨量，進(jìn)而實現(xiàn)各分區(qū)噴氨的精準(zhǔn)控制，并結(jié)合噴氨總量的控制實現(xiàn)整個脫硝系統(tǒng)噴氨的精準(zhǔn)調(diào)整。

2.3 NOx濃度場精準(zhǔn)測量技術(shù)

2.3.1 分區(qū)輪測技術(shù)

精準(zhǔn)噴氨控制技術(shù)的關(guān)鍵前饋參數(shù)為各分區(qū)NOx測量值，因此需要開展各分區(qū)NOx濃度場的準(zhǔn)確測量。分區(qū)輪測采樣流程如圖5所示。采用1臺煙氣分析儀分時測量同一時刻不同區(qū)域的NOx濃度，從而得到NOx的濃度場。采用氣路設(shè)計使各分區(qū)每一路煙氣同時采樣后，通過管路的設(shè)置使采樣煙氣順序到達(dá)煙氣分析儀，采樣煙氣到達(dá)煙氣分析儀的時間間隔與煙氣分析儀的煙氣分析時間相一致，并在每一路采樣煙氣進(jìn)入分析儀前設(shè)置有控制電磁閥，同一時刻只打開一路電磁閥，使一路煙氣進(jìn)入采樣煙氣匯流管，其余各路煙氣進(jìn)入排空煙氣匯流管。各分區(qū)采樣煙氣按照固定時間間隔順序到達(dá)煙氣分析儀，相應(yīng)打開對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)各分區(qū)煙氣的輪測，每測完一輪，可獲得一組同一時間的NOx濃度場數(shù)據(jù)。多分區(qū)采樣輪測技術(shù)不僅可以在線實時監(jiān)測同一截面NOx濃度場分布情況，而且實現(xiàn)了所采樣煙氣為同一時刻的煙氣，保證測量結(jié)果有效反映NOx濃度的真實分布情況，從而為各分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

圖5 分區(qū)輪測采樣流程圖 Fig. 5 Flow chart of sampling by zone rotation

2.3.2 直插式原位測量技術(shù)

直插式原位在線NOx/O2雙組分快速測量分析裝置如圖6所示，由采樣槍、采樣控制箱和變送器3部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、響應(yīng)速度快、測量準(zhǔn)確，以及煙道原位安裝、無需復(fù)雜的取樣系統(tǒng)等特點。

圖6 直插式原位測量示意圖 Fig. 6 Flow chart of direct insertion in-situ measurement

直插式在線NOx/O2分析儀檢測探頭為直接插入煙道安裝模式，探頭采取噴射負(fù)壓取樣原理，可以同時測量NOx和O2雙組分，直接工作在高溫、高污染的煙氣中，系統(tǒng)簡單可靠，檢測尾氣直接返回?zé)煹?，避免二次污染。直插式原位測量技術(shù)需要根據(jù)分區(qū)數(shù)量分別對應(yīng)設(shè)置煙氣分析儀，煙氣分析儀與分區(qū)一一對應(yīng)，可以同時測量各分區(qū)的NOx濃度分布，為各分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；也可以分別單獨控制，故障檢修及設(shè)備維護(hù)具備一定的靈活性。

2.4 精準(zhǔn)噴氨控制策略

2.4.1 基于慣性基的控制策略

由于SCR脫硝系統(tǒng)總量直接決定各分區(qū)的噴氨量，各分區(qū)的噴氨量又相互干擾，且SCR脫硝工藝本身的催化還原反應(yīng)就是一個有延遲的反應(yīng)，精準(zhǔn)噴氨需要多個閥門聯(lián)動，因此需要采用基于實際運(yùn)行情況、帶有預(yù)測功能前饋模塊、多輸出且具有自適應(yīng)的優(yōu)化閉環(huán)控制器。

基于慣性基控制示意圖如圖7所示。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)設(shè)計平臺上，設(shè)計并封裝了基于慣性基控制回路的控制策略，該控制策略的優(yōu)勢是基于 偏差大小自動調(diào)整控制參數(shù)，具有較強(qiáng)的魯棒性，且參數(shù)整定方便，依據(jù)對象的動態(tài)特性即可整定出具有很好調(diào)節(jié)品質(zhì)的參數(shù)。同時，控制回路依據(jù)模型可以實時調(diào)整調(diào)節(jié)器的增益大小，適應(yīng)了對象的非線性，同時設(shè)計了噴氨總量控制前饋回路、噴氨總量偏差回路等邏輯，能夠提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果，滿足精準(zhǔn)噴氨調(diào)整的需要。

圖7 基于慣性基控制示意圖 Fig. 7 Control diagram based on inertia base

2.4.2 基于出口NOx前饋的控制策略

隨著鍋爐負(fù)荷的變化，SCR系統(tǒng)入口NOx濃度也會產(chǎn)生波動，通過電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測鍋爐出口NOx濃度，構(gòu)建總噴氨調(diào)節(jié)閥門與支管噴氨調(diào)節(jié)閥門并行優(yōu)化的雙閉環(huán)優(yōu)化控制策略，從而提升SCR脫硝系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行水平?；诔隹贜Ox前饋的控制示意圖如圖8所示。該控制策略包含DMC控制器與PID控制器，其中：DMC控制器是主控制器，用于控制大滯后的SCR脫硝系統(tǒng)；PID控制器是副控制器，用于調(diào)節(jié)閥門開度。通過前饋控制和反饋校正，使出口NOx濃度實際值符合設(shè)定值要求，從而達(dá)到最佳噴氨量。

圖8 基于出口NOx前饋的控制示意圖 Fig. 8 Control diagram based on outlet NOx feedforward

根據(jù)煙氣流量、進(jìn)口NOx濃度和出口NOx濃度設(shè)定值，計算NOx的脫除量，從而獲得噴氨總量的前饋信號。將前饋信號、出口NOx濃度設(shè)定值和出口NOx濃度測量值作為主控制器的設(shè)定值，從而獲得反饋后的噴氨總量。同時將反饋后的噴氨總量作為副控制器的設(shè)定值，其與噴氨總量測量值的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后生成指令，調(diào)節(jié)各分區(qū)噴氨調(diào)節(jié)閥，從而將出口NOx濃度轉(zhuǎn)化為閥門開度信號，快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變化。

3 結(jié)論

精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化控制技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型控制算法，其采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略。實際應(yīng)用過程中需利用機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘與系統(tǒng)辨識方法優(yōu)選系統(tǒng)關(guān)鍵變量及輔助變量，進(jìn)而構(gòu)建脫硝系統(tǒng)的總量控制模型；同時在預(yù)測控制基礎(chǔ)上，通過開展開環(huán)、閉環(huán)擾動試驗驗證模型準(zhǔn)確性，從而確定預(yù)測控制系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)；最后通過增加PID+前饋控制環(huán)節(jié)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)了基于模型的閉環(huán)優(yōu)化整體控制，對純滯后大慣性系統(tǒng)控制具有獨特的優(yōu)勢；將模型預(yù)測控制與常規(guī)PID+前饋控制有機(jī)結(jié)合，既能發(fā)揮模型預(yù)測控制整體優(yōu)化的優(yōu)勢，又能發(fā)揮常規(guī)PID+前饋控制的高可靠性優(yōu)勢，整體提高噴氨系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)性。