基于自適應前饋控制的SCR煙氣脫硝系統分析

張詞秀 戴瑞 張詞赟

摘? 要：為了響應國家的環保要求，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝系統得到了廣泛應用。大部分燃煤電廠都使用了SCR煙氣脫硝技術，由于SCR煙氣脫硝系統普遍存在反應時間較長、控制滯后、時變非線性等特點，本文提出了基于自適應前饋控制方法。利用現場實際運行數據，通過仿真實驗對該方法進行驗證，實驗結果表明，與傳統的PID控制方法相比，該方法在抗擾動能力、跟蹤設定值方面均優于常規控制方案。

關鍵詞：選擇性催化還原法? 煙氣脫硝? 前饋控制? 自適應

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0076-03

Abstract： In order to respond to national environmental protection requirements， In order to meet the national environmental requirements， selective catalytic reduction （SCR） flue gas denitrification system has been widely used. Most coal-fired power plants use SCR Flue Gas Denitrification Technology. Because SCR Flue gas denitrification system has the characteristics of long reaction time， control lag and time-varying nonlinearity， this paper proposes an adaptive feedforward control method. The simulation results show that compared with the traditional PID control method， this method has better anti disturbance ability and tracking set value than the conventional control scheme.

Key Words： Selective catalytic reduction;Flue gas denitrification; Feedforward control; Adaptive

近年來，我國在發電、化工等行業在硫氧化物和粉塵排放控制方面已經取得了一定的成效，但是國家對于環境保護重視程度的不斷提高，環保考核的指標也提高了，氮氧化物的控制成為了最關鍵的問題之一。在眾多的脫硝技術中，選擇性催化還原法（SCR：Selective Catalytic Reduction）由于其脫硝效率高，工藝技術成熟，選擇性好，運行可靠且二次污染很小，所以是符合我國國情的電廠煙氣脫硝技術，并且也是國內外應用最為廣泛的煙氣脫硝技術。

煤質、反應溫度、催化劑活性、噴氨流量和煙氣流量等因素影響SCR煙氣脫硝系統的控制。其中，影響反硝化效率的主要原因就是氨流量。氨水過少會導致SCR出口的NOX濃度超標，環保指標達不到標準。過量的氨會增加氨的逸出量，導致NH3，水和SO2在催化劑的作用下產生反應。生成和NH4HSO4NH4HSO4 （NH4）2SO4（NH4）2SO4依附在催化劑表面，它將嚴重阻礙了催化劑活性的釋放，并阻塞空氣預熱器，導致空氣預熱器的壓差較高。所以，控制氨流量是SCR脫硝控制系統安全，平穩運行的重點。文章使用了SCR系統中氨注入的自適應前饋控制方法，階躍響應仿真實驗用于仿真驗證和與傳統控制方法的比較，在保證達標排放的同時避免了過量噴氨，將出口濃度控制在設定值。

1? SCR煙氣脫硝概述

SCR煙氣反硝化系統布置有高灰，SCR反應器布置在省煤器與空氣預處理器之間，其溫度經常處在300～500℃，SCR煙氣脫硝系統的催化活性相對較強，更有利于氨氣與氧氮化合物的REDOX反應。SCR煙氣脫硝系統主要包括氨噴射格柵，催化劑，SCR反應器等。在省煤器的煙道出口中排除煙氣，進入SCR反應器入口煙道的垂直接頭處，并注入氨氣與之融合，通過整流器直降，通過布置脫硝SCR反應器的催化劑REDOX反應，將煙道中的NOX 氣體轉化為氮氣和水，達到煙氣脫硝的目的[9]。

SCR煙氣脫硝以NH3作為還原劑的，其主要化學反應為：

除主反應外，SCR脫硝過程中還會發生一些副反應：

它是一種具有強粘性和腐蝕性的材料，會使空氣預生成器發生塞堵，并對設備的安全運行帶來阻礙。所以，必須按時精準地調整氨的注入量，以減少不良反應的發生，同時保證標準的排放，提高機組運行的安全性和經濟性。在實際應用，SCR煙氣脫硝系統核心控制對象有兩個，如下：

（1）保證反硝化效率，并在環保要求的范圍內控制出口煙道氣中NOX的濃度。

（2）保證氨氣的逸出率不超過限制，以免氨氣噴灑過多。SCR系統在工作中需要及時調整和完善。在保證脫硝效率的基礎上，建立更精準的SCR氨氣噴射系統

2? SCR煙氣脫硝系統動態性能剖析

在實際運行中，SCR氨水量的控制使用前饋反饋PID閉環控制，如圖1所示。

其中SPN為反應器出口煙NOX設定值，mg/m3。

滯后環節DELAY的傳遞函數為

式中：k為比例系數，T為慣性環節時間常數，DT為滯后時間常數。

增量型PID調節傳遞函數為：

式中：Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Kd為微分比例常數;Td為微分時間常數;FF（s）為前饋環節傳遞函數。限幅環節LM，輸出限制于-M和+M之間。

串級PID控制系統可以迅速抵抗系統內部的干擾，并能及時順應單位負荷的改變，因此被大量使用在受控對象中。前饋控制作用后控制穩定性和調節時間有顯著變化，可以及時反映被調量的變化，從而克服大延遲環節的影響。前饋控制能夠防止測量數據不準確，進而使控制系統發生故障。自適應前饋控制能夠減少模型不確定性和參數變化的要求，隨著機組負荷的變化而自動調節自身控制參數的控制方法。

3? 階躍響應仿真結果分析

將上文所述的前饋模型當做被控對象，使用現場采集的數據，來對控制系統進行完善。采用MATLAB/Simulink對優化控制系統的噴氨量進行仿真驗證，在PID前饋控制的基礎上，采用自適應前饋控制，在設置SCR入口NOX濃度為300mg/m3，出口NOX濃度設定值為50mg/m3，仿真結果如圖2所示。

從圖中可以看出，自適應前饋控制系統具有較好的控制效果，能夠在設定附近控制出口處的NOX濃度。

4? 結語

本文采用SCR系統噴氨自適應前饋控制方法，利用階躍響應仿真實驗對控制效果進行驗證，結果表明，在保證達標排放的同時避免了過量噴氨，將出口濃度控制在設定值。

隨著我國針對脫銷系統排放要求的日益嚴格，SCR煙氣脫硝體系已經成為我國化工系統、火力發電系統等應用的主要脫銷方法與體系。傳統的SCR煙氣脫硝體系普遍存在NH3/NHx氣體分布均勻性控制能力差等問題，對燃煤機組的安全性具有一定的影響。根據變量間的非線性關系將預測模型與MKPLS模型相結合，建立了節能減排背景下火電廠SCR煙氣脫硝系統，該系統在效率上提高脫硝率，同時在環保上實現了噴氨量的精確控制。

參考文獻

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