熱工控制優(yōu)化在脫硝控制中的應(yīng)用

曹發(fā)揚(yáng) 劉曉莉 呂馥丞 丁 鵬 李延森

（1. 華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266011；2. 西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710049）

0 引言

隨著我國環(huán)保政策的日益趨嚴(yán)，各燃煤電廠先后進(jìn)行了超低排放改造。常規(guī)脫硝方法如空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和低NOx燃燒器技術(shù)等已無法滿足環(huán)保政策的超高排放標(biāo)準(zhǔn)（氧量基準(zhǔn)6%：煙塵< 10mg/m3、SO2<35mg/m3、NOx<50mg/m3）。SCR（選擇性催化還原）方法在煙氣側(cè)脫除NOx，具有效率高、成本低和污染率小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠。但SCR脫硝系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在不少問題。劉鋒等[1]發(fā)現(xiàn)某1000MW超超臨界機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)存在煙氣出口NOx濃度波動(dòng)大、測量參數(shù)準(zhǔn)確度低、噴氨調(diào)節(jié)閥特性差等問題。王鎮(zhèn)、鄭志勇等[2,3]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)我國各燃煤機(jī)組噴氨脫硝系統(tǒng)均存在系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)不完善、控制不準(zhǔn)確、現(xiàn)場測量條件差等問題。陳磊等[4]對40余臺(tái)燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx濃度不均勻、噴氨量不準(zhǔn)確導(dǎo)致的空氣預(yù)熱器堵塞、催化劑壽命周期短、脫硝系統(tǒng)流場分布不均勻等問題。此外，由于我國燃煤電站頻繁參與電網(wǎng)調(diào)峰，機(jī)組的變負(fù)荷運(yùn)行加劇了SCR脫硝系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此需要著重研究變負(fù)荷條件下SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行特性。本文對各燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納整合并進(jìn)行分析，提出了解決措施，旨在為SCR脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 主要存在的問題

1.1 煙氣在線分析系統(tǒng)(CEMS)高頻率反吹和標(biāo)定干擾系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)

通常，在SCR脫硝系統(tǒng)的出入口都會(huì)設(shè)置NOx和O2的測量儀表，由于出口煙氣含塵量高，測量儀表的取樣管路會(huì)經(jīng)常發(fā)生堵塞，因此系統(tǒng)需要定時(shí)自動(dòng)反吹和標(biāo)定。系統(tǒng)的反吹和標(biāo)定的時(shí)間一般為5～8min，在這期間，系統(tǒng)會(huì)指定反吹和標(biāo)定前的NOx和O2測量值，導(dǎo)致系統(tǒng)在高頻率反吹和標(biāo)定過程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)根據(jù)脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NOx和O2的變化量調(diào)節(jié)噴氨量，出現(xiàn)超調(diào)問題，脫硝系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)噴氨量過少和過多情況，造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)波蕩，甚至震蕩發(fā)散，這一問題在燃煤機(jī)組深度參與電網(wǎng)調(diào)峰時(shí)尤為明顯，脫硝系統(tǒng)出口經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)NOx瞬時(shí)超標(biāo)和氨過量的現(xiàn)象，嚴(yán)重降低脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。

現(xiàn)階段燃煤電廠脫硝系統(tǒng)常用的解決辦法是[5]：將脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)反吹和標(biāo)定設(shè)定在不同的時(shí)間段，同時(shí)參考脫硝出入口和煙囪出口NOx值，在入口（出口）NOx出現(xiàn)測量信號時(shí)，可以參考出口（入口）或者煙囪出口的NOx值的變化情況來控制脫硝系統(tǒng)中的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然該措施可以使CEMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)反應(yīng)脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NOx和O2濃度，但是在機(jī)組深度參與調(diào)峰時(shí)，由于反吹和標(biāo)定的時(shí)間較長，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍會(huì)出現(xiàn)延時(shí)效應(yīng)，另外煤種的變化也會(huì)造成差品質(zhì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.2 單一指標(biāo)的PID控制系統(tǒng)

PID控制系統(tǒng)的控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，因其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便從而被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠脫硝控制系統(tǒng)。電廠脫硝系統(tǒng)常規(guī)的控制方式為以脫硝效率為單一指標(biāo)的簡單的PID控制系統(tǒng)。該控制方式以脫硝效率作為設(shè)定值計(jì)算與實(shí)際脫硝效率的差值，然后通過PID控制噴氨調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)整噴氨量從而使煙氣脫硝系統(tǒng)出口NOx達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。脫硝效率設(shè)定值如式（1）所示：

其中：C1為脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度；C2為脫硝反應(yīng)器設(shè)定出口濃度；C3為脫硝反應(yīng)器出口實(shí)際NOx濃度。

實(shí)際脫硝效率如式（2）所示，該過程受到很多因素影響，其中包括煤質(zhì)的變化、機(jī)組負(fù)荷變化、爐內(nèi)燃燒情況等。其中由于電廠深度參與電網(wǎng)調(diào)峰造成機(jī)組負(fù)荷變化頻率較快從而導(dǎo)致脫硝效率不準(zhǔn)確，另外PID控制方式過于簡單，一旦出現(xiàn)上述任意一種情況，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)不準(zhǔn)確，噴氨調(diào)節(jié)閥開度過大或者過小，造成噴氨過量或NOx濃度超標(biāo)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中只以脫硝效率單一指標(biāo)作為PID控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)指標(biāo)是不可取的，需要綜合考慮其他因素的影響。

1.3 脫硝系統(tǒng)中前饋-反饋控制的延時(shí)性

為了解決CEMS測量系統(tǒng)和PID控制方式的噴氨過少和超調(diào)問題，一般脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)設(shè)置前饋-反饋控制方式，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制[7]。但由于噴氨到NH3與NOx發(fā)生還原反應(yīng)到CEMS測量系統(tǒng)有2～5min的延時(shí)，從SCR脫硝系統(tǒng)出口到煙囪有1～2min的延時(shí)，系統(tǒng)至少有3min的延時(shí)使得前饋控制系統(tǒng)不能及時(shí)預(yù)判，當(dāng)SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度變化幅度較大時(shí)，控制系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度超標(biāo)，這是熱工控制系統(tǒng)自身的短板，不能對SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx的濃度變化做出敏銳的反應(yīng)。煤質(zhì)變化、機(jī)組負(fù)荷變化、爐內(nèi)燃燒情況變化都會(huì)導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度變化幅度過大，而脫硝系統(tǒng)中前饋-反饋控制的延時(shí)性造成了NOx排放超標(biāo)。另外CEMS測量系統(tǒng)測量的是煙氣中NO的濃度，而PID控制方式的脫硝效率設(shè)定值和實(shí)際值（式1，式2）用到的是NOx濃度，因此需要轉(zhuǎn)換計(jì)算，造成一定的延時(shí)。

1.4 噴氨調(diào)節(jié)閥品質(zhì)特性差

噴氨調(diào)節(jié)閥是控制噴氨量的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性和準(zhǔn)確性嚴(yán)重影響脫硝效率，噴氨調(diào)節(jié)閥常出現(xiàn)的問題有：線性差、反應(yīng)遲緩、調(diào)節(jié)死區(qū)大。噴氨調(diào)節(jié)閥線性差，無法準(zhǔn)確控制噴氨量，不同調(diào)節(jié)閥門開度出現(xiàn)不同噴氨量，噴氨流量與調(diào)節(jié)閥特性曲線不統(tǒng)一，甚至出現(xiàn)閥門開度為50%時(shí)就已達(dá)到最大噴氨量。噴氨調(diào)節(jié)閥反應(yīng)遲緩，不能及時(shí)供給準(zhǔn)確的噴氨量，在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，閥門開度變化頻率快，反應(yīng)遲緩會(huì)導(dǎo)致噴氨過量或脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度超標(biāo)。另外，噴氨調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)范圍以機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)需要的噴氨量為標(biāo)準(zhǔn)，通常在5%～20%，調(diào)節(jié)范圍過小，當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度過高時(shí)，調(diào)節(jié)閥門開度即便達(dá)到最大也不能提供符合要求的噴氨量，導(dǎo)致NOx濃度超標(biāo)。噴氨調(diào)節(jié)閥的品質(zhì)差，會(huì)造成脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以達(dá)到要求。

2 脫硝熱工系統(tǒng)的控制優(yōu)化和改進(jìn)

熱工控制系統(tǒng)作為脫硝系統(tǒng)的重要組成部分，通常在設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試的過程中，工程師將注意力主要集中在如何滿足現(xiàn)有工藝系統(tǒng)以及超高排放標(biāo)準(zhǔn)上，沒有對設(shè)備本身進(jìn)行全面檢查和校準(zhǔn)，而可靠的熱工設(shè)備是保證整個(gè)脫硝系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，因此對于脫硝系統(tǒng)的熱工設(shè)備和控制邏輯需要進(jìn)行全面優(yōu)化和改進(jìn)。

2.1 引入新的容錯(cuò)邏輯思想

現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的保護(hù)條件是“當(dāng)SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx出現(xiàn)測量壞值時(shí)，就即時(shí)關(guān)閉對應(yīng)的噴氨控制閥，并切換到手動(dòng)調(diào)節(jié)，由人工根據(jù)實(shí)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操控”[9]，在機(jī)組負(fù)參與深度調(diào)峰時(shí)，CEMS系統(tǒng)測量壞值出現(xiàn)次數(shù)明顯增多，需要運(yùn)行操作人員進(jìn)行長時(shí)間的手動(dòng)干預(yù)，由于人工操作做不到精準(zhǔn)調(diào)控，所以時(shí)常出現(xiàn)氨過量或者NOx超標(biāo)。因此，當(dāng)脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)如測量壞值的情況時(shí)，需要考慮到保護(hù)系統(tǒng)的容錯(cuò)，保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。現(xiàn)有的噴氨區(qū)域保護(hù)條件是以噴氨區(qū)域到SCR脫硝系統(tǒng)供氨母管之間的壓力為先決條件，應(yīng)增加輔助確認(rèn)條件，即氨氣緩沖槽罐內(nèi)壓力判斷，防止供氨母管源頭壓力過低造成噴氨調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

另外，單點(diǎn)測量信號容易失真，應(yīng)盡量采用多點(diǎn)測量取均值，對于不得不采取單點(diǎn)測量式，也應(yīng)增加輔助確認(rèn)信號，避免單一測量壞值影響脫硝系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 不同負(fù)荷下PID控制方式的自適應(yīng)調(diào)節(jié)優(yōu)化

由煤質(zhì)變化、爐內(nèi)燃燒情況變化和深度參與電網(wǎng)調(diào)峰等造成的機(jī)組負(fù)荷變化會(huì)影響PID自動(dòng)控制，為防止PID控制方式積分飽和帶來的影響，可重新設(shè)定PID控制信號輸出的上下限，即采用抗飽和積分的控制器，能夠及時(shí)調(diào)整輸出信號保證噴氨調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行，減少噴氨量過多或過少的情況。另外，由于機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，脫硝系統(tǒng)入口NOx變化幅度大，變化頻率高，可設(shè)計(jì)NOx濃度高低兩種調(diào)節(jié)邏輯，通過NOx經(jīng)驗(yàn)值判斷，避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)死區(qū)，兩種調(diào)節(jié)邏輯可自行選擇，方便噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

另外，可根據(jù)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程的噴氨量、進(jìn)出口NOx濃度等歷史數(shù)據(jù)，用多因素非線性擬合方法建立脫硝系統(tǒng)入口的NOx濃度預(yù)測模型，同時(shí)還可結(jié)合模型專屬控制器進(jìn)行優(yōu)化控制，保證自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[10]。

2.3 增加自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性校正和補(bǔ)償

脫硝系統(tǒng)前饋-反饋系統(tǒng)由于其延時(shí)特征在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用局限，需要引入智能前饋-反饋技術(shù)，前文提到的建立脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度預(yù)測模型只是前饋系統(tǒng)的一種，對于及時(shí)校正和補(bǔ)償?shù)姆答佅到y(tǒng)可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)在線校準(zhǔn)和補(bǔ)償各項(xiàng)特性參數(shù)，具有競爭特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，可使整個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)處在不斷學(xué)習(xí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制脫硝系統(tǒng)中各熱工設(shè)備的參數(shù)，使脫硝系統(tǒng)的脫硝效率處在最優(yōu)值，并同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

2.4 CEMS測量系統(tǒng)優(yōu)化

CEMS測量系統(tǒng)的自動(dòng)反吹和校準(zhǔn)會(huì)干擾自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中主要的原因是反吹和校準(zhǔn)時(shí)間長和頻率高，為進(jìn)一步縮短測量校準(zhǔn)時(shí)間，可盡量減少CEMS測量系統(tǒng)的取樣管路長度和彎曲，保證延期測量儀器能夠高效、快速反應(yīng)。另外，CEMS測量系統(tǒng)長時(shí)間在高溫、高含塵量環(huán)境下工作易老化，影響煙氣分析速率，需要定期檢修維護(hù)。高塵環(huán)境下取樣管輅容易發(fā)生堵塞，可采用多級旋風(fēng)分離除塵改造取樣管路、增加濾網(wǎng)等方法，定期檢修。

CEMS測量系統(tǒng)測量值鎖定為反吹前的NOx和O2濃度，測量信號容易失真，可加入反吹時(shí)吹掃狀態(tài)測量信號，可以多次試驗(yàn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和吹掃時(shí)間確定反吹后NOX濃度，保證測量值的真實(shí)性，另外，還可加入手動(dòng)操作條件，當(dāng)出現(xiàn)測量壞值、噴氨調(diào)節(jié)閥偏差大、系統(tǒng)出入口NOx濃度壞值、出入口O2壞值等情況，切換為手動(dòng)操作，方便運(yùn)行人員及時(shí)檢查處理。

2.5 噴氨調(diào)節(jié)閥優(yōu)化

CEMS測量值直接影響噴氨調(diào)節(jié)閥開度，測量值的準(zhǔn)確性是保證精準(zhǔn)噴氨量的前提，而現(xiàn)CEMS采樣系統(tǒng)往往采用單點(diǎn)測量方法，測量數(shù)據(jù)不具有普適性，因此需要根據(jù)脫硝系統(tǒng)入口煙道NOx濃度分布設(shè)置多點(diǎn)取樣，此外，可將噴氨系統(tǒng)噴嘴根據(jù)NOx濃度大小改為多樣化布置方式，獨(dú)立控制，將系統(tǒng)入口煙道劃分為若干區(qū)域測量值與噴嘴一對一控制，同時(shí)可根據(jù)機(jī)組不同負(fù)荷、煤質(zhì)、燃燒狀況進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，找出入口NOx濃度分布規(guī)律，方便提前預(yù)測各噴氨區(qū)域的噴氨量，起到精準(zhǔn)噴氨的效果。

對于噴氨設(shè)備本身，需要對噴嘴進(jìn)行優(yōu)化改造，對其噴氨方式和尺寸進(jìn)行再設(shè)計(jì)，加入智能調(diào)節(jié)控制器，保證其線性品質(zhì)好，調(diào)節(jié)范圍大和反應(yīng)靈敏。

3 結(jié)語

本文就燃煤機(jī)組熱工控制系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納總結(jié)分析，闡述了噴氨脫硝系統(tǒng)多因素控制的復(fù)雜性，并列出了諸如CEMS測量系統(tǒng)的延遲性、PID控制方式的單一性、噴氨調(diào)節(jié)閥的品質(zhì)差和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)保護(hù)邏輯的局限性等問題，表明傳統(tǒng)脫硝噴氨系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)有環(huán)保指標(biāo)的要求。本文結(jié)合先進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)、多因素線性擬合技術(shù)給出了如下解決措施：（1）脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)引入容錯(cuò)邏輯思想，將多個(gè)影響因素納入判斷指標(biāo)，確保脫硝系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行；（2）燃煤機(jī)組深度參與電網(wǎng)調(diào)峰是脫硝系統(tǒng)面臨的又一大挑戰(zhàn)，在原有前饋-反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中加入了自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性校正和補(bǔ)償，優(yōu)化了PID控制方式的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提出了NOx濃度高低兩種調(diào)節(jié)邏輯，有效控制了噴氨過量和NOx濃度超標(biāo)問題；（3）對于CEMS測量系統(tǒng)的延時(shí)特性進(jìn)行了深度優(yōu)化，減少了反吹和校準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)減少了測量系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，引入了測量信號和噴氨控制信號一對一單獨(dú)控制，劃分噴氨區(qū)域，噴氨量更加精確，有效控制NOx濃度超標(biāo)；（4）對于噴氨調(diào)節(jié)閥進(jìn)行優(yōu)化，包括布置方式多樣化、一對一控制方式、智能調(diào)節(jié)控制器，保證了其線性品質(zhì)好，調(diào)節(jié)范圍大和反應(yīng)靈敏。