智能脫硝控制系統(tǒng)的應用研究

郭培祥

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務有限公司，山西 太原 030000）

引言

目前以選擇性催化還原為主體的煙氣脫硝系統(tǒng)已經(jīng)在化工行業(yè)得到了廣泛的應用，在脫硝的過程中主要是通過控制噴氨量來提高脫硝效率，但由于其控制系統(tǒng)的局限性，在實際應用過程中存在著延遲大、慣性大等不足，特別是當脫硝系統(tǒng)的運行工況出現(xiàn)大范圍波動時，無法精確控制噴氨量，導致了脫硝效率和經(jīng)濟性均不足，難以滿足精確脫硝的控制需求。

本文提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的核心是采用了自適應自適應前饋控制理論對脫硝過程中的噴氨量進行控制，對該自適應前饋控制理論進行了分析，同時采用仿真分析的方式對該智能脫硝控制系統(tǒng)的實際應用情況進行了研究，結(jié)果表明，該新控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂品磻獣r間提高66.7%，對提升脫硝效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 脫硝機理分析

目前最常用的脫硝系統(tǒng)為選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)，俗稱SCR 脫銷系統(tǒng)，具有脫硝效率高、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，其脫硝原理如圖1 所示[1]。

圖1 選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)采用了高灰布置結(jié)構(gòu)，將催化還原裝置設置到了省煤器和去空預熱器之間，在反應過程中通常利用V2O5作為催化還原劑。當反應裝置開始工作時，從入口處通入氨氣（目前主要是通過尿素水解的方式來產(chǎn)生）并和稀釋空氣在混合器內(nèi)充分混合后進入到煙道，在煙道內(nèi)和省煤器出口處噴出的煙氣充分混合后再進入反應器，在反應器內(nèi)和催化劑接觸后發(fā)生催化還原反應，實現(xiàn)將氮化物轉(zhuǎn)換為水和氮氣，滿足對廢氣內(nèi)脫硝凈化的目的。

選擇性催化還原脫硝的化學反應可表示為式（1）、式（2）。

在實際反應過程中，由于受環(huán)境和煙氣內(nèi)其他氣體成分的影響，也會發(fā)生一些副產(chǎn)物反應，見式（3）。

由于該反應存在一定的惰性，因此其實際上反應順序是發(fā)生在式（1）和式（2）順序之后的，其產(chǎn)生的副產(chǎn)物具有較大的腐蝕性，會對管道系統(tǒng)進行腐蝕和堵塞，影響反應安全性。因此需要嚴格控制在反應過程中氨氣的量，氨氣過多會導致副產(chǎn)物過多，影響系統(tǒng)長期運行的安全性，氨氣不足則容易導致氮化物還原不完全，影響脫硝的效率和經(jīng)濟性[2]。

2 噴氨控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對現(xiàn)有噴氨控制系統(tǒng)采用非閉環(huán)控制所存在的調(diào)節(jié)速度慢、可靠性差的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用了前饋閉環(huán)控制理論，通過自適應前饋控制，實現(xiàn)了對調(diào)控過程中波動信號的快速屏蔽處理，能夠解決傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)在使用過程中負荷變化大、波動大的不足，同時該系統(tǒng)還能夠及時反饋核心輸入量變化的情況，進行數(shù)據(jù)提前預判分析，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的快速、精確調(diào)整，確保了噴氨控制的精確性。該噴氨控制系統(tǒng)調(diào)控結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 噴氨控制系統(tǒng)示意圖

由圖2 可知，在該控制系統(tǒng)中，輸入的調(diào)節(jié)量為氮化物的濃度，然后主PID 根據(jù)系統(tǒng)的誤差水平和要求，來設置系統(tǒng)的噴氨量，然后將其作為副PID 的控制值，由副PID 對噴氨系統(tǒng)進行控制，根據(jù)煙道內(nèi)的氮化物含量對噴氨量進行精確調(diào)整。通過前饋反饋調(diào)整方案，有效避免了由于測量失真導致的調(diào)節(jié)失效情況，提升了調(diào)節(jié)反應速度的控制精度。

3 智能控制系統(tǒng)仿真分析

為了對該系統(tǒng)的控制效果進行分析，利用simulink 仿真分析軟件建立該控制系統(tǒng)的仿真分析模型[4]，對其實際控制效果進行仿真分析，系統(tǒng)設定工作時的反饋系數(shù)為0.2，反饋切除時間設置為5 min，設置入口位置的氮化物質(zhì)量濃度為300 mg/m3，出口處的氮化物質(zhì)量濃度要低于50 g/m3，煙道內(nèi)的氣流量為6.5×105m3/h，系統(tǒng)仿真分析時的采樣時間設定為1 min，仿真的總時長設置為50 min。仿真分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 智能控制系統(tǒng)仿真分析結(jié)果示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，在實際控制過程中采用普通串級PID 控制的情況下由于系統(tǒng)檢測反應速度滿足，從第3 min 的時候才開始進行噴氨，而采用前饋控制和自適應前饋控制的情況下，從第1分鐘處就開始控制噴氨，其反應時間比優(yōu)化前降低了66.7%，顯著提升了在脫硝過程中的反應速度和靈敏性。

在出口位置的氮化物濃度隨著噴氨量的調(diào)整也不斷發(fā)生變化，前3 min 的氮化物濃度為零，主要是煙氣尚未達到出口位置導致，從第3分鐘起出口處的氮化物濃度急劇上升，主要是由于噴氨量不足以滿足脫硝的需求導致。從仿真分析結(jié)果可知，采用串級PID 控制的情況下整個調(diào)節(jié)時間約為20 min，而采用新的自適應前饋調(diào)節(jié)的情況下，調(diào)節(jié)時間約為16 min，而且在調(diào)節(jié)過程中的時效性和降幅明顯高于傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)方案，顯著提升了噴氨調(diào)節(jié)的精度和可靠性。

目前該智能脫硝控制系統(tǒng)，在實際應用過程中表現(xiàn)出了極高的反應速度，其對噴氨量的控制精度能保持在1%的誤差范圍內(nèi)，對提升整個脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，降低大氣污染具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

為了解決目前選擇性還原脫硝控制系統(tǒng)延遲大、慣性大，調(diào)控精確性差的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，通過前饋控制的方法提升了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時的控制精度，同時利用仿真分析的方式，對該系統(tǒng)的實際應用情況進行了分析，結(jié)果表明：

氨氣過多會導致副產(chǎn)物過多，影響系統(tǒng)長期運行的安全性，氨氣不足則容易導致氮化物還原不完全，影響脫硝的效率和經(jīng)濟性。

通過自適應前饋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對調(diào)控過程中波動信號的快速屏蔽處理，解決了傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)在使用過程中負荷變化大、波動大的不足。

該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂品磻獣r間提高66.7%，將噴氨量的控制精度保持在1%的誤差范圍內(nèi)。