火電脫硝分區(qū)噴氨動態(tài)調(diào)平控制技術(shù)研究

中電普安發(fā)電有限責(zé)任公司 潘承基 趙 毅 羅文旭 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司 顧滌楓

隨著國家對火電機組的NOx排放標準的進一步提高，由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性，使得NOx控制不能達到令人滿意的效果，為滿足燃煤電廠生產(chǎn)發(fā)展需要，滿足國家環(huán)保排放的要求，在原有脫硝控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增加噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模糊控制算法，在達標排放的基礎(chǔ)上，改善脫硝催化劑出口NOx質(zhì)量濃度和NH3的質(zhì)量濃度分布，提高脫硝效率的同時降低氨逃逸，降低空預(yù)器堵塞的風(fēng)險，提高機組運行的穩(wěn)定性。SCR 法是目前國際上應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，在日本、歐洲、美國等國家或地區(qū)的大多數(shù)電廠中基本都應(yīng)用此技術(shù)，由于其沒有副產(chǎn)物，不形成二次污染，裝置結(jié)構(gòu)簡單，且脫硝效率高（可達90%以上）,運行可靠便于維護，一次投資相對較低等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平策略需要從兩個層面考慮：噴氨總量優(yōu)化控制，針對系統(tǒng)大滯后、非線性、時變的特點，采用預(yù)測控制等先進優(yōu)化算法計算噴氨總量；各個分區(qū)的噴氨配比。本項目關(guān)注的是分區(qū)噴氨配比問題。在噴氨總量是合理的前提下，由于煙道中煙氣的速度場、NOx的濃度場分布是不均勻的，而噴氨格棚是固定的，如噴氨格柵噴氨量不能隨之調(diào)節(jié),會導(dǎo)致部分區(qū)域噴氨過多、而有的區(qū)域噴氨過少，仍無法達到優(yōu)化控制目標。因此，在噴氨支路管道配置調(diào)閥調(diào)節(jié)格柵噴氨量，實現(xiàn)各個區(qū)域NOx濃度的均勻性十分必要。

1 研究技術(shù)路線和研究內(nèi)容

中電普安發(fā)電位于貴州省黔西南州北部的普安縣工業(yè)園區(qū)內(nèi)，裝機容量為2×660MW燃煤機組，脫硝控制系統(tǒng)采用噴氨控制，控制催化劑出口NOx在一定范圍內(nèi)波動。為使煙囪出口處NOx濃度達到環(huán)保要求，運行人員需要根據(jù)煙囪處NOx濃度及時調(diào)整催化劑出口NOx濃度設(shè)定值。SCR 反應(yīng)器安裝在煙道中，噴氨流量改變到煙道入口NOx濃度響應(yīng)有幾分鐘的滯后，SCR 進出口NOx測量具有較長時間的滯后，催化劑的消耗又影響對象特性，是典型的大滯后非線性時變系統(tǒng)。

該脫硝控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID 控制，在實際運行中易引起噴氨量過調(diào)。過剩的氨不僅會污染環(huán)境，在SCR 的催化過程中，煙氣中的部分SO2會在催化劑活性成分的催化作用下生成SO3。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生轉(zhuǎn)化的SO2約占總量的1%，隨著反應(yīng)溫度升高，轉(zhuǎn)化率將進一步增大。進一步同煙氣中的逃逸NH3反應(yīng)，生成硫酸銨（AS）和硫酸氫銨（ABS）：2NH3+H2O+SO3=(NH4)2SO4、NH3+H2O+SO3=NH4HSO4。生成的NH4HS04凝結(jié)在下游溫度較低的空預(yù)器上，吸收煙氣飛灰形成凝結(jié)性積灰，導(dǎo)致空預(yù)器堵灰和低溫腐蝕，嚴重的會迫使機組停機。因此，優(yōu)化現(xiàn)有的脫硝控制策略是提高脫硝及尾部受熱面運行安全性與經(jīng)濟性亟待解決的問題。

實現(xiàn)分區(qū)精準噴氨，首先硬件條件要滿足要求，要具備局部區(qū)域控制調(diào)整的條件，以達到區(qū)域噴氨流量控制、精準控制、分區(qū)域按需噴氨的目的，最大程度降低各區(qū)域的氨逃逸量脫硝噴氨分區(qū)動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)路線：一是建立脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺，涉及到的技術(shù)主要有硬件平臺搭建和通信配置；二是建立分區(qū)調(diào)門開度與分區(qū)噴氨流量、分區(qū)NOx濃度之間的函數(shù)關(guān)系，涉及現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集和數(shù)值建模；三是分區(qū)調(diào)門優(yōu)化控制算法開發(fā)。上述技術(shù)路線涉及到的研究內(nèi)容主要包括：

脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺現(xiàn)場安裝調(diào)試。脫硝總量優(yōu)化和分區(qū)調(diào)節(jié)優(yōu)化控制均在Rockwe11的PLC中實施。需搭建脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺，在電子間布置PLC 機柜，PLC 與DCS 系統(tǒng)采用RS485通訊。為不影響運行人員操作習(xí)慣，脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺采用插件式部署，運行人員僅需按照往常的操作習(xí)慣即可。

SCR 出口各個分區(qū)噴氨調(diào)門開度與NOx濃度的數(shù)學(xué)模型辨識。分區(qū)脫硝調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個典型的單輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入為調(diào)門的開度，開度的大小決定向催化劑中噴入的氨量；輸出為催化劑出口處的NOx濃度，單位為mol/m3,它們之間存在明確的定性關(guān)系，即增加閥門開度噴氨量增加，催化劑出口處的NOx濃度會明顯減少，而減少調(diào)門開度時催化劑出口處的NOx濃度會明顯增加。但二者間的定性關(guān)系卻有待研究，且脫硝過程收到的干擾因素較多，在噴氨總量一定的情況下，噴氨管道的壓力、相鄰調(diào)門的開度、催化劑入口的NOx濃度、負荷等因素都會影響對應(yīng)分區(qū)的NOx的濃度變化。因此辨識一組以分區(qū)調(diào)門開度、分區(qū)NOx濃度為輸入和輸出，同時考慮多重干擾影響的模型，是實線調(diào)門優(yōu)化控制的前提。

分區(qū)調(diào)門優(yōu)化控制算法開發(fā)。分區(qū)調(diào)門控制是基于分區(qū)NOx的測量值反饋來實施的?？刂频碾y點有：分區(qū)測量需要十幾分鐘時間，存在反饋的大滯后性；分區(qū)調(diào)門入口的噴氨都來自于噴氨總量，一個調(diào)門開度改變，會引起其他分區(qū)調(diào)門流量的變化，調(diào)門的開度與流量不是嚴格線性且相互間有影響；分區(qū)的NOx濃度存在精合，一個調(diào)門的控制指令可能影響相鄰區(qū)域的NOx濃度，一個分區(qū)的NOx濃度可能需多個調(diào)門協(xié)調(diào)控制；流場隨著工況會發(fā)生變化，分區(qū)調(diào)門與濃度的關(guān)系是時變的；分區(qū)控制是依賴于分區(qū)NOx測量值的，如果部分測點失靈，需要在線評估測量值。

針對以上前三個難點，優(yōu)化算法應(yīng)根據(jù)NOx濃度的測量值和辨識模型實時調(diào)節(jié)；對于后兩個難點，則通過運行數(shù)據(jù)和機理分析，確定不同負荷工況下分區(qū)調(diào)門開度的經(jīng)驗值和調(diào)整范圍，以此作為基準，再根據(jù)NOx實測值在經(jīng)驗范圍內(nèi)實時調(diào)整閥門開度，確保分區(qū)NOx濃度分布的均勻性。項目研究目標，是在現(xiàn)有的脫硝結(jié)構(gòu)下、在噴氨總量確定的情況下，基于NOx測量值開發(fā)脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使得催化劑出口各分區(qū)NOx濃度盡量保持一致，提高脫硝控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)的自動化投入水平。

2 SCR 脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺搭建

SCR 脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺使用外置控制柜的開發(fā)方案，一方面能最大限度減少對原DCS 系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的安全性；另一方面外置控制柜的方案有利于算法的不斷選代升級和快速移植，有利于產(chǎn)品的進一步推廣和應(yīng)用。

2.1 SCR 脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺硬件解決方案

SCR 脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺采用外置控制柜的開發(fā)方案，脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平硬件平臺采用PLC 機柜，控制器為Allen-Bradley 1769-L24ER-QB1B Compact Logix 5370 Controller。PLC 機柜與DCS系統(tǒng)采用MODBUS 通訊卡通訊，型號為SSTESR2-CLX-RLL。如需增加PLC 控制節(jié)點，可通過在控制柜中增加輸入輸出模塊實現(xiàn)對設(shè)備直接控制。

PLC 控制柜與DCS 系統(tǒng)使用基于MODBUS 協(xié)議的通訊卡交換數(shù)據(jù)，遵循RS485通訊標準。在整個硬件解決方案下，DCS 側(cè)只需將PLC 控制計算需要的參數(shù)按照一定的格式發(fā)送出來，并接收有PLC計算得到的控制信號分發(fā)給被控設(shè)備即可，能實現(xiàn)硬件熱插拔和控制算法無擾切換。

2.2 MODBUS 通訊卡簡介

Rockwell 的SST-ESR2-CLX-RLL 可將Allen-Bradley1769-L24ER-QB1B Compact Logix 連接到MODBUS 以太網(wǎng)或者MODBUS 串行網(wǎng)絡(luò)，使用靈活，本次項目中MODBUS 使用了串行接口，不同于常規(guī)的RS485通訊協(xié)議，該MODBUS 模塊使用了串行線的第三針腳和第八引腳，使用時僅需將這兩個針腳與DCS 側(cè)的通訊線連接即可。本項目的通訊配置中MODBUS 模塊使用RS485協(xié)議通訊，在PLC 側(cè)的MODBUS 通訊卡設(shè)置為SLAVE模式，DCS 側(cè)按照配置好的通訊點表將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC。

2.3 分區(qū)調(diào)門與NOx 濃度測點布置

噴氨分區(qū)方案制定的原則是某幾個區(qū)域的氨氣濃度及濃度變化整體呈現(xiàn)一致的規(guī)律，結(jié)合流場及濃度場數(shù)值模擬計算結(jié)果及實驗結(jié)果，A/B 每側(cè)的SCR 催化劑出口煙道劃分為4個分區(qū)，每個分區(qū)配置一個手動調(diào)閥和自動調(diào)門，分區(qū)的噴氨量來自噴氨總量調(diào)門輸出的母管。

3 SCR 脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)動態(tài)優(yōu)化算法

3.1 S CR 脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)動態(tài)平衡問題

SCR 脫硝分區(qū)測量根據(jù)流場分布情況劃分了不同的測量區(qū)域，并以此作為分區(qū)控制的依據(jù)。實驗結(jié)果表明分區(qū)調(diào)門開度與分區(qū)的NOx濃度有直接的對應(yīng)關(guān)系。SCR 脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)的任務(wù)是，通過調(diào)節(jié)各個分區(qū)調(diào)門開度，實現(xiàn)整體測量區(qū)域NOx濃度的動態(tài)平衡，對于NOx濃度較大的區(qū)域需增大噴氨量，使?jié)舛冉档?；對于NOx濃度較低的區(qū)域需適當減少噴氨量，以減輕區(qū)域內(nèi)的噴氨過量問題。最終以分區(qū)NOx濃度的均勻系數(shù)為優(yōu)化目標，通過SCR脫硝分區(qū)優(yōu)化調(diào)節(jié)實現(xiàn)對SCR 脫硝出口NOx濃度的再均衡，從而進一步減少過量噴氨，減少氨逃逸，提高SCR 脫硝控制的品質(zhì)。

由于基于脫硝過程先進控制算法的SCR 脫硝噴氨總量控制已給出控制周期內(nèi)的噴氨總量，分區(qū)調(diào)節(jié)不再需考慮分區(qū)噴氨流量和總體噴氨流量間的關(guān)系，只需通過調(diào)節(jié)閥門開度被動地改變噴氨量，由于分區(qū)閥門開度的改變引起噴氨總閥兩側(cè)壓差改變的問題，可通過噴氨總量流量調(diào)節(jié)回路迅速實現(xiàn)再穩(wěn)定。

3.2 基于色彩平衡原理的脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)動態(tài)平衡算法

SCR 脫硝分區(qū)測量中，既有濃度較高的區(qū)域，也有濃度較低的區(qū)域，需在高濃度區(qū)域增加噴氨量從而使?jié)舛认陆?，本項目中使用了基于色彩平衡理論的脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)動態(tài)平衡算法。各個區(qū)域分別對應(yīng)了不同的NOx濃度，對于每一個子區(qū)域，計算濃度偏離度R(i)=其中：R表示該子區(qū)域與其他子區(qū)域的偏離度，d(i,j)表示兩個子區(qū)域之間的中心距離可使用歐式距離表示，r(＊)是濃度表現(xiàn)函數(shù)，需為奇函數(shù)。上述公式提供了一種評價當前區(qū)域濃度和其他區(qū)域濃度不平衡程度的評價指標，并據(jù)此指標計算分區(qū)調(diào)閥開度。這里采用的濃度表現(xiàn)函數(shù)為：

在計算出各區(qū)域的濃度偏離度后，可根據(jù)濃度偏離度對閥門開度進行線性拓展：OP(i)=50+sR(i)，其中：s 表示線段[(Rmin，0),(Rmax，100)]的斜率，Rmin和Rmax分別表示所有子區(qū)域中的偏離度的最小值和最大值，OP(i)對應(yīng)著該區(qū)域的閥門開度。

通過上述算法可實現(xiàn)脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)的動態(tài)平衡，同時該方法還能通過使用區(qū)域平均值的方式來適應(yīng)不同的劃分區(qū)域，適用性較強。

4 脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試與運行結(jié)果

4.1 脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試

分區(qū)控制PLC 選用的是Rockwe11公司的CompactLogix 控制平臺，相關(guān)的脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平分區(qū)調(diào)節(jié)算法在RSLogix5000中完成，通過RJ45將程序由電腦下載到PLC 控制器中。優(yōu)化系統(tǒng)通過MODBUS 與DCS 通信，獲取所需的測點，發(fā)送總量和分區(qū)控制指令。設(shè)計了脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平系統(tǒng)的安全保障機制，發(fā)生異?；驍嚯姇r能可靠地切回到DCS。

無擾切換實現(xiàn)：為保證脫硝噴氨動態(tài)調(diào)平平臺能投平穩(wěn)的投入和切除，在交互界面方面，在組態(tài)軟件上增加了噴氨優(yōu)化控制投入按鈕；為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行，在優(yōu)化平臺投入和切除時需要保證是無擾的，解決方案是對手動控制信號進行保位跟蹤，保證測量系統(tǒng)完成一周期的測量后自動優(yōu)化調(diào)平，實現(xiàn)無擾投入，而在優(yōu)化平臺切出時，只需DCS 手動信號跟蹤自動控制命令或調(diào)門開度反饋值即可。

4.2 脫硝分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行結(jié)果

分區(qū)調(diào)門調(diào)節(jié)系統(tǒng)于2021年12月開始投運。本節(jié)選取50%、75%和100%三個負荷段的運行結(jié)果展示噴氨分區(qū)控制效果。從75%負荷段A 側(cè)4個分區(qū)的調(diào)節(jié)閥指令、分區(qū)NOx濃度和不均勻系數(shù)趨勢圖可看出，噴氨調(diào)節(jié)閥開大、噴氨量增大、NOx濃度下降，兩者存在線性關(guān)系，時間上由于測量反饋時差存在一定滯后。在監(jiān)測時間段內(nèi)，不均勻系數(shù)最大值為0.6、最小值為0.05，A 側(cè)SCR 出口各分區(qū)濃度維持了較好的平衡性。

分區(qū)控制系統(tǒng)根據(jù)分區(qū)測量結(jié)果及各分區(qū)NOx濃度的不均勻程度、各分區(qū)所對應(yīng)的調(diào)閥開度后進行了調(diào)整。在12:42時刻時，A4區(qū)的NOx濃度達到100mg/Nm3,A1區(qū)的濃度最低，為56mg/Nm3,A2區(qū) 和A3區(qū) 的NOx濃度在70mg/Nm3左右，分區(qū)間不均勻系數(shù)接近于0.7。1#調(diào)節(jié)閥開度指令減少1%,4#調(diào)節(jié)閥開度指令增加1%,2#不提取中周節(jié)閥維持不動，下一個時刻分區(qū)間不均勻系數(shù)降低至0.3，調(diào)節(jié)效果明顯。其他類似控制效果不一一贅述。