鍋爐脫硝系統智能噴氨優化控制策略分析

陳洪建

（建投承德熱電有限責任公司，河北 承德 067500）

引言

為了解決環境問題，我國政府頒布了一系列環境保護標準，要求重點地區燃煤電廠氮氧化物排放量由100mg/m3 降至50mg/m3 以下。為了達到環境排放標準，燃煤電廠一般都配備了脫硝系統，甚至要求更高效地脫硝系統。電廠在安裝脫硝系統后，可能會出現引風機電流增大、空氣預熱器堵塞、腐蝕、阻力增大、氨逃逸超標、脫硝催化劑壽命縮短等問題。這些問題一方面污染了環境、降低了經濟效益，增加了能源消耗，另一方面也威脅著設備的運行安全。因此，對脫硝系統進行優化具有重要意義。

一、先進的SCR 脫硝控制系統

通過對常見的均衡控制和總量控制的現有技術的研究，分析對比優缺點，市面上出現了噴氨預測及均衡脫硝SCR-NH3 優化控制的技術路線：能采用更加快速準確的測量手段，結合預測控制算法，大幅度減少出口NOx的波動。在滿足環保要求的情況下，盡可能地去提高出口NOx 平均值，減少系統噴氨量，降低氨逃逸水平，從而降低脫硝成本。

一是對脫硝噴尿素控制系統進行優化，提高噴尿素控制對脫硝煙氣來流NOx 變化的抗干擾能力，具備精細化調整噴尿素量的能力；二是采用基于稀釋法采樣、化學發光法分析的NOx 分區精確測量技術，提高測量的準確性，為脫硝裝置整體優化創造條件；三是利用新型的分區測量技術，與先進的控制算法相結合，進行噴氨的分區控制。

通過對尿素總量的控制優化和噴氨分區的精細控制，從而減少SCR 出口NOx 在空間上的濃度和時間上的波動分布偏差，最終避免過量噴尿素，降低尿素用量，提高催化劑的使用壽命，從而降低氨逃逸，降低空預器ABS 堵塞引起的阻力上升，提高機組負荷接待能力，降低鍋爐風煙系統耗電率；減少空預器檢修維護成本；降低引風機阻力和電耗；提高機組運行的安全可靠性。主要包括：基于入口NOx 預測模型的智能前饋算法和超馳算法的噴尿素總量優化控制系統和基于NOx 分區精確同步測量系統及歷史數據分析算法的智能噴氨格柵均衡控制系統。

（一）系統總體方案

總體實現方案共分為三大部分：先進的測量系統、先進的控制系統及噴氨格柵支管段自動化改造。測量數據直接上傳到優化服務器，根據本項目對控制系統的要求，需對原有脫硝噴氨控制系統進行增加外掛服務器的優化改造，現場分區NOx 測點樣氣進入分區測量控制機柜后，進行煙氣分析處理再將測量數據通訊送入服務器；總量控制參數由DCS 通訊至優化控制服務器，通過總量控制算法得出優化指令后經由DCS 傳入現場尿素調節閥。將若干個分區閥門的指令和反饋信號通過4-20mA 電流形式硬接線接入DCS 卡件。外掛服務器內置均衡控制算法得出各分區閥門優化指令再通訊至DCS，送入現場各個調閥。

（二）總量控制介紹

尿素總量預測控制算法即通過入口NOx 軟測量技術，進一步預測入口NOx 濃度的變化情況，并作為噴尿素前饋的關鍵參數，參與到噴尿素總量的閉環控制中，解決脫硝入口NOx 測量的滯后問題。另外，通過反復試驗得到不同負荷下的SCR 反應器的傳遞函數，可以有針對性的完善控制算法模型。

1.進口NOx 智能前饋部分。該部分根據鍋爐的運行狀態及參數，采用智能算法對脫硝系統進口NOx 值排放進行預測，根據該預測值與脫硝氮的最佳配比，計算出此時所需氨量，并以此值作為前饋，快速實現對NOx 變化的影響。

2.總尿素量控制器的主要作用是讓噴尿素閥規律性更強，克服尿素流量的對內擾動，選擇PID 控制器。

3.出口Nox 排放的閉環控制部分。該部分采用預測模型控制算法等先進控制算法，實現了出口氮氧化物濃度的精確控制。

控制原理介紹：

總量控制原理構架為帶前饋的串級PID 控制系統，前饋主要包括：預測前饋：主要是通過預測算法提前預知入口NOX 的濃度值，計算理論噴尿素量；修正前饋：在機組大負荷變動時提前修正尿素噴射量。

尿素噴射的預測控制算法是利用入口NOx 軟測量技術預測進氣道氮氧化物濃度的變化，作為尿素噴射前饋的一個重要參數，參與尿素噴射的閉環控制，解決了進氣道氮氧化物測量的延遲問題。另一方面，通過實驗得到了不同負荷下SCR 反應器的傳遞函數，從而有針對性地實現了控制算法模型。尿素噴射主回路的預測控制是一種非常有效的大時滯控制策略，可以預測未來氮氧化物濃度的變化，提前調節尿素調節閥的開度，有效地抑制氮氧化物濃度的變化。根據反饋出口NOx 濃度變化情況，對噴尿素逐步調整，并根據積累測試得到的數據，自動學習，逐步達到與燃燒器、燃料變化及反應器狀態等變化相適應。

（三）分區均衡控制系統介紹

原控制系統以單一的尿素閥控制為主，無法針對流場特性進行精細化噴氨，因此脫硝系統優化首要完成的任務是對原脫硝系統進行流場分區優化。改造思路為對原煙道進行合理分區，通過在合適位置布置分區導流板或混合器，提高噴氨格柵前流場均勻性結合。

在脫硝噴氨格柵入口位置對原噴氨支管進行改造，新增12個分區調門。脫硝反應器出口新增一套分區同步測量系統，共12 個NOx 濃度測點，采用輪測技術，每個點測量時間17S，分區NOx 同步測量系統通過MODBUS485與DCS 實現數據通訊。由于SCR 出口測點的布置位置一般與現有上游噴氨網的物理位置相對應，因此在調試分區控制邏輯時，由于各個分區與相鄰區域因噴氨流場的擴散存在一定的重疊區域，在分區控制邏輯調試時，根據動態調試試驗結果確定各分區噴氨格柵開度對下游相應測點及鄰近測點的影響因素，實現SCRMIMO 系統調平控制。優化服務器將均衡控制算法得到的控制策略通過MODBUSRTU 通訊方式傳輸給DCS，由DCS 系統發出各分區調節閥門的開度調節指令。

噴氨分區閥門經由優化服務器均衡控制算法得出各分區閥門優化指令經由DCS 判斷后，通過硬接線的方式送入現場12 個調閥；NOx 偏差控制參數由優化控制服務器通過優化算法得出，噴氨格柵入口調節閥優化指令經由DCS控制輸出。針對催化劑層的局部失效、局部損壞、局部泄漏、局部積灰、催化劑層局部塌陷等異常問題，根據上游噴氨格柵開度的變化情況和出口氮氧化物分區測量儀的歷史數據進行判斷，判斷長期處于高水平且不隨分區噴氨流量的增加而改變的氮氧化物濃度區域的失效模式，出現失效分區時邏輯進行失效標記并出現失效報警，同時在人工手動復位失效狀態前，暫時將該分區對應的噴氨格柵置于臨近分區調節閥的綜合權重處理閥位。

（四）均衡控制與總量控制關系

1.兩者被控目標不同，控制手段不同，調節量不同，故不存在控制關系上的沖突，不會引起系統波動，原理性上不會破壞SCR 系統的控制穩定性；

2.總量控制能夠降低SCR 出口NOx 時間上的波動性，更有利于分區調節的調平效果；

3.分區調節能夠降低出口NOx 在空間上的不均勻性，使得SCR 出口CEMS 儀表的取樣更具有代表性，使得脫硝出口和脫硫出口測點數據更加接近，總量控制采用脫硝CEMS 作為調節量，可以更精確地控制鍋爐總出口環保數據；

4.兩者相輔相成，共同作用。

二、DCS 組態更改及畫面調整

優化系統采用外掛的方式接入DCS，因此需要修改DCS 部分組態留出優化控制接口。其次由于新增分區均衡控制系統，需要于DCS 新增分區控制邏輯及畫面。

（一）通訊判斷

新增通訊正常判斷邏輯，根據握手信號判斷服務器通訊狀態。具體為由服務器持續發出數字量0、1 跳變的握手信號進入DCS，若某時刻30s 內DCS 接收握手信號值不變，則判斷為通訊中斷，反之為通訊正常。

（二）分區閥門邏輯

手動狀態、PID 自動、服務器自動三個狀態互相切換均為無擾切換。手動、PID、服務器自動為非正常情況下控制邏輯優先級。

（三）尿素閥接口邏輯

單槍尿素理論量為，“實際尿素量計算值”減去處于手動的尿素閥的“尿素流量值”之后除以投入尿素自動的噴槍個數。“實際尿素量計算值”由入口實測，負荷及出口NOx 實測等機組脫硝各運行參數共同計算得出。

（四）畫面修改

通訊中斷及其他切除優化條件任一滿足時，則無法投入優化，若切除優化條件滿足且正處于優化狀態，優化自動切除，且當切除優化條件恢復時，不會自動返回優化投入狀態，需操作員和熱工人員溝通確認故障排除后手動投入。

由于預測控制的目標函數包含噴氨量的變化，避免了在調整噴氨量過程中噴氨量的重復變化，SCR 出口氮氧化物濃度可以跟蹤設定值，避免了閥門頻繁調整造成定位器損壞和調門閥芯沖洗。傳統的PID 控制方法僅利用SCR 出口氮氧化物濃度進行反饋控制，難以解決SCR 系統在工況波動情況下的非線性和大慣性問題。為了避免過量噴氨，傳統的PID 控制通常將氨氮摩爾比設置為0.8，導致氨氮注入不足，SCR 系統脫硝效率低。采用優化控制后，對氨量進行了精確控制，提高了SCR 系統的脫硝效率，避免了過量噴氨，實現了對噴氨量的精確控制。

結語

煙氣出口的NOx 分區測量與不同區域調門的權重控制技術，在先進控制算法的基礎上進行總噴氨的控制優化與噴氨的分區控制。實現了噴氨量的精確控制，避免了過量噴氨帶來的運行經濟性壓力，提高了脫硝控制水平，為進一步深度脫除打下堅實基礎。對煙氣導流板進行全面檢查和調整，以使脫硝反應器A、B 側入口流場左右分布均勻分布。無論是低負荷還是高負荷，實測脫硝的A 側和B 側反應器的脫硝率都在80%以上，而且實測各負荷情況下氨逃逸濃度均在0.3ppm 以下。在85%負荷下對脫硝系統進行噴氨格柵的優化和調平，使A、B 兩側反應器出口NOx 濃度內外側偏差都下降50%。在50%低負荷下對脫硝系統進行噴氨格柵的優化和鍋爐燃燒器噴口流速調整，降低了A、B 側反應器出口NOx 濃度左右偏差。