660MW火電機(jī)組SCR自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化

劉耀奇，劉 巖，蔣 維，趙洪健

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750409）

0 引言

棗泉電廠#1機(jī)組為660MW超超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為北京B&W公司設(shè)計(jì)制造的平衡通風(fēng)、超超臨界參數(shù)、一次再熱、螺旋爐膛的SWUP型直流鍋爐。脫硝系統(tǒng)由SCR系統(tǒng)和液氨存儲(chǔ)蒸發(fā)系統(tǒng)兩大部分組成，SCR系統(tǒng)包含氨氣（NH3）稀釋系統(tǒng)、氨氣噴射系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器及吹灰系統(tǒng)；液氨存儲(chǔ)蒸發(fā)系統(tǒng)包含液氨裝卸及存儲(chǔ)系統(tǒng)、液氨蒸發(fā)系統(tǒng)、輔助蒸汽及熱水系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、電氣及DCS 控制系統(tǒng)等。SCR系統(tǒng)由主機(jī)DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，液氨存儲(chǔ)蒸發(fā)系統(tǒng)則由輔控系統(tǒng)進(jìn)行控制操作。

鍋爐設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的SCR反應(yīng)器，采用蜂窩式催化劑，還原劑采用液氨。從氨蒸發(fā)系統(tǒng)來(lái)的氨氣與稀釋空氣在混合器中均勻混合，經(jīng)氨噴射格柵注入SCR反應(yīng)器入口前的煙道中，使氨/空氣混合氣體和煙氣充分混合。

脫硝CEMS系統(tǒng)采用西克麥哈克（北京）儀器有限公司S710系列氣體分析儀，對(duì)脫硝進(jìn)出口煙氣中NO含量、NO2含量以及CO含量進(jìn)行測(cè)量。

DCS系統(tǒng)采用艾默生OVATION系統(tǒng)，包含DAS、CCS、SCS、DEH、FSSS、MCS等子控制系統(tǒng)。

1 工藝流程及控制系統(tǒng)概述

從鍋爐省煤器來(lái)的煙氣，在SCR反應(yīng)器入口前的煙道中通過(guò)噴氨格柵，與稀釋后的氨氣充分混合后，進(jìn)入SCR反應(yīng)器，經(jīng)SCR中的多層催化劑將煙氣中的部分NOx催化還原為N2和H2O后，煙氣進(jìn)入鍋爐空氣預(yù)熱器。

噴入煙道的氨氣為空氣稀釋后含5%（vol）左右氨的混合氣體。從氨蒸發(fā)系統(tǒng)來(lái)的氨氣與稀釋空氣在混合器中均勻混合，經(jīng)氨噴射格柵注入SCR反應(yīng)器入口前的煙道中，使氨/空氣混合氣體和煙氣充分混合。系統(tǒng)主要包括兩個(gè)帶催化劑層的SCR反應(yīng)器、兩套噴氨格柵、兩套聲波吹掃裝置、兩臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)、兩個(gè)氨/空氣混合器、兩套氨蒸汽供應(yīng)管路、兩套稀釋空氣供應(yīng)管路及配套的閥門、管道、儀控測(cè)量設(shè)備等。

SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)為煙氣豎直向下流動(dòng)，反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置，反應(yīng)器入口及出口段設(shè)導(dǎo)流板。為防止煙氣中的灰塵堵塞催化劑表面，從而導(dǎo)致脫硝率下降，確保催化劑表面潔凈，每個(gè)SCR反應(yīng)器中每層催化劑上方布置聲波吹灰器。

脫硝控制系統(tǒng)采用固定摩爾比控制方式[1]（Constant Mole Ratio Control），利用串級(jí)PID控制回路實(shí)現(xiàn)脫硝率的自動(dòng)控制，其主回路的設(shè)定值為凈煙氣NOx含量，副回路的設(shè)定值為根據(jù)當(dāng)前的煙氣流量、SCR原煙氣NOx濃度和設(shè)定凈煙氣NOx含量計(jì)算出的需氨量，最終通過(guò)流量PID改變供氨調(diào)閥開度來(lái)調(diào)節(jié)氨氣實(shí)際流量?？刂圃韀2]如圖1所示。

圖1 SCR自動(dòng)串級(jí)控制原理圖Fig.1 SCR Automatic cascade control principle diagram

2 存在問(wèn)題及原因分析

#1機(jī)組SCR自動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)為串級(jí)控制，將單側(cè)凈煙氣NOx含量目標(biāo)值作為sp，單側(cè)凈煙氣NOx含量作為pv，構(gòu)成串級(jí)控制主回路。氨流量的調(diào)節(jié)是基于固定的摩爾比，需氨量由進(jìn)入催化劑反應(yīng)器煙氣中的NOx含量實(shí)測(cè)值乘以固定NH3/NOx摩爾比的計(jì)算量、機(jī)組實(shí)際燃料量對(duì)應(yīng)的氨需量前饋，以及主控制器的輸出疊加得出，用來(lái)作為副回路的sp，氨氣/空氣混合器前氨氣流量實(shí)時(shí)值作為pv，構(gòu)成串級(jí)控制的副回路。其中，主控制器的PID參數(shù)隨機(jī)組負(fù)荷變化，當(dāng)負(fù)荷在0MW～660MW時(shí)，對(duì)應(yīng)的比例值為0～1，積分值為0～100；原煙氣流量對(duì)應(yīng)的氨需量則是通過(guò)儀表所測(cè)的實(shí)際值計(jì)算得出。實(shí)際DCS控制邏輯SAMA圖如圖2所示。

圖2 #1機(jī)組SCR自動(dòng)控制邏輯SAMA圖Fig.2 #1 Unit SCR automatic control logic SAMA diagram

在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行期間，多次出現(xiàn)NOx超標(biāo)現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)單月NOx超標(biāo)次數(shù)多達(dá)50次之多，尤其在機(jī)組負(fù)荷變化或者CEMS裝置反吹時(shí)，都會(huì)伴有短暫的NOX含量超標(biāo)。在不同負(fù)荷下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，即使各參數(shù)基本穩(wěn)定，PID輸出回路波動(dòng)也會(huì)較大，甚至趨向于等幅震蕩。這也導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中，常常需要運(yùn)行人員頻繁手動(dòng)干預(yù)，進(jìn)行過(guò)量噴氨，增加了液氨的消耗量，導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高，一定程度上也增加了運(yùn)行人員的工作量。

經(jīng)過(guò)分析總結(jié)，該控制邏輯下，導(dǎo)致#1機(jī)組脫硝效率自動(dòng)控制品質(zhì)差，噴氨自動(dòng)難以穩(wěn)定投入原因有以下幾個(gè)方面：

1）脫硝CEMS測(cè)量裝置為了防止取樣管路堵塞，會(huì)間隔2個(gè)小時(shí)利用壓縮空氣對(duì)管路進(jìn)行吹掃，此時(shí)CEMS裝置送出的NOx含量的測(cè)量值、原煙氣流量的測(cè)量值保持吹掃前的數(shù)值不變，并非當(dāng)前工況下實(shí)測(cè)值。而當(dāng)反吹結(jié)束后，輸出值則會(huì)立即恢復(fù)到當(dāng)前工況實(shí)際測(cè)量值，兩者間存在一定的偏差，給控制系統(tǒng)造成一定的擾動(dòng)，如果反吹時(shí)恰好機(jī)組處于升降負(fù)荷階段，那么偏差就會(huì)特別大，這樣無(wú)疑是給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性埋下了隱患。

2）系統(tǒng)所需供氨量由副控制器輸出、煙氣流量對(duì)應(yīng)的需氨量前饋和燃料量對(duì)應(yīng)的需氨量三部分組成。這三部分中，占比較大的是煙氣流量對(duì)應(yīng)的需氨量，而恰恰這一分量受煙氣流量波動(dòng)影響較大，造成了所需供氨量波動(dòng)較大；另一方面，PID控制器占比較小，根本無(wú)法抵消煙氣流量波動(dòng)所造成的影響。

3）主控制器PID參數(shù)設(shè)置不合理，變PID參數(shù)的函數(shù)在空負(fù)荷到滿負(fù)荷之間為一條直線函數(shù)，無(wú)法滿足在不同負(fù)荷段下的實(shí)際要求；機(jī)組在低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以保持相對(duì)穩(wěn)定，而高負(fù)荷時(shí)PID輸出回路波動(dòng)較大，系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 整定后PID參數(shù)表Table 1 PID parameter table after tuning

4）機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，煙氣流量隨之變化，其波動(dòng)和擾動(dòng)都比較大，從而引起氨需量的突增或突減，這對(duì)SCR出口NOx含量控制影響特別大，每次升、降負(fù)荷時(shí)，都會(huì)伴隨短暫的NOx含量超標(biāo)。

3 優(yōu)化方法

為解決上述問(wèn)題，從DCS控制邏輯修改及PID參數(shù)整定兩方面入手，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。修改后的DCS控制邏輯SAMA圖如圖3所示。

圖3 #1機(jī)組修改后SCR自動(dòng)控制邏輯SAMA圖Fig.3 #1 Unit modified SCR automatic control logic SAMA diagram

1）理論上來(lái)講，機(jī)組負(fù)荷越高，對(duì)應(yīng)的燃料量越多，相應(yīng)的煙氣流量也就越大。通過(guò)對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中參數(shù)進(jìn)行收集整理，找出機(jī)組負(fù)荷與煙氣流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立預(yù)測(cè)模型。從而修改原煙氣流量對(duì)應(yīng)的氨需量控制回路，將原來(lái)的實(shí)測(cè)值修改為根據(jù)機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的函數(shù)，這樣就解決了升、降負(fù)荷過(guò)程中原煙氣流量波動(dòng)以及CEMS裝置反吹時(shí)測(cè)量值短暫失真而導(dǎo)致的系統(tǒng)自動(dòng)性能差的問(wèn)題。

2）由于鍋爐燃燒本身是一個(gè)緩慢的過(guò)程，從煤粉燃燒反應(yīng)到鍋爐出口凈煙氣NOx含量產(chǎn)生變化需要一定的時(shí)間，并且SCR自動(dòng)控制本身也存在大延遲、大慣性的特點(diǎn)，氨氣噴入后需要經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)之后，凈煙氣NOx含量才會(huì)做出相應(yīng)的變化，所以在系統(tǒng)中增加前饋環(huán)節(jié)則可以大大改善自動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。該系統(tǒng)采用的前饋是原煙氣中NOx含量變化量計(jì)算后得出的需氨量前饋，在機(jī)組負(fù)荷變化或煤質(zhì)改變導(dǎo)致NOx含量變化時(shí)，提前進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3）對(duì)SCR自動(dòng)控制中需氨量計(jì)算回路中各分量占比進(jìn)行重新優(yōu)化，減小煙氣流量對(duì)應(yīng)需氨量回路所占比例，使得原煙氣流量波動(dòng)時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)得以減?。辉黾又骺刂破鱌ID輸出回路所占比例，當(dāng)系統(tǒng)存在擾動(dòng)時(shí)，能夠更快地消除擾動(dòng)。

4）在主控制器中增加煙氣流量的微分量，加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，使自動(dòng)控制系統(tǒng)適應(yīng)機(jī)組快速升降負(fù)荷時(shí)煙氣流量的變化快、原煙氣NOx含量激增/激降的工況。

5）機(jī)組在不同負(fù)荷段時(shí)，爐膛內(nèi)燃燒特性存在一定的差異。在不同的負(fù)荷段分別對(duì)主回路PID參數(shù)進(jìn)行重新整定，最終通過(guò)對(duì)5個(gè)不同工況下參數(shù)進(jìn)行整定后，將主控制器的PID參數(shù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)設(shè)置為5個(gè)分段函數(shù)，使自動(dòng)控制系統(tǒng)適應(yīng)所用工況。實(shí)際PID參數(shù)整定后見(jiàn)表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)棗泉電廠#1機(jī)組運(yùn)行期間NOx頻繁超標(biāo)、自動(dòng)投入率差的情況，從CEMS測(cè)量裝置的特性、測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)以及系統(tǒng)特性方面進(jìn)行了原因分析，對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，重新整定PID參數(shù)，提高了SCR自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，大大減少了機(jī)組NOx超標(biāo)次數(shù)，為相同SCR控制策略的同類型機(jī)組在控制邏輯的組態(tài)及自動(dòng)品質(zhì)優(yōu)化上提供了參考。