660MW火電機組SCR自動控制系統優化

劉耀奇，劉 巖，蔣 維，趙洪健

（寧夏棗泉發電有限責任公司，銀川 750409）

0 引言

棗泉電廠#1機組為660MW超超臨界燃煤機組，鍋爐為北京B&W公司設計制造的平衡通風、超超臨界參數、一次再熱、螺旋爐膛的SWUP型直流鍋爐。脫硝系統由SCR系統和液氨存儲蒸發系統兩大部分組成，SCR系統包含氨氣（NH3）稀釋系統、氨氣噴射系統、SCR反應器及吹灰系統；液氨存儲蒸發系統包含液氨裝卸及存儲系統、液氨蒸發系統、輔助蒸汽及熱水系統、排放系統、電氣及DCS 控制系統等。SCR系統由主機DCS系統進行控制操作，液氨存儲蒸發系統則由輔控系統進行控制操作。

鍋爐設置兩個獨立的SCR反應器，采用蜂窩式催化劑，還原劑采用液氨。從氨蒸發系統來的氨氣與稀釋空氣在混合器中均勻混合，經氨噴射格柵注入SCR反應器入口前的煙道中，使氨/空氣混合氣體和煙氣充分混合。

脫硝CEMS系統采用西克麥哈克（北京）儀器有限公司S710系列氣體分析儀，對脫硝進出口煙氣中NO含量、NO2含量以及CO含量進行測量。

DCS系統采用艾默生OVATION系統，包含DAS、CCS、SCS、DEH、FSSS、MCS等子控制系統。

1 工藝流程及控制系統概述

從鍋爐省煤器來的煙氣，在SCR反應器入口前的煙道中通過噴氨格柵，與稀釋后的氨氣充分混合后，進入SCR反應器，經SCR中的多層催化劑將煙氣中的部分NOx催化還原為N2和H2O后，煙氣進入鍋爐空氣預熱器。

噴入煙道的氨氣為空氣稀釋后含5%（vol）左右氨的混合氣體。從氨蒸發系統來的氨氣與稀釋空氣在混合器中均勻混合，經氨噴射格柵注入SCR反應器入口前的煙道中，使氨/空氣混合氣體和煙氣充分混合。系統主要包括兩個帶催化劑層的SCR反應器、兩套噴氨格柵、兩套聲波吹掃裝置、兩臺稀釋風機、兩個氨/空氣混合器、兩套氨蒸汽供應管路、兩套稀釋空氣供應管路及配套的閥門、管道、儀控測量設備等。

SCR反應器設計為煙氣豎直向下流動，反應器入口設氣流均布裝置，反應器入口及出口段設導流板。為防止煙氣中的灰塵堵塞催化劑表面，從而導致脫硝率下降，確保催化劑表面潔凈，每個SCR反應器中每層催化劑上方布置聲波吹灰器。

脫硝控制系統采用固定摩爾比控制方式[1]（Constant Mole Ratio Control），利用串級PID控制回路實現脫硝率的自動控制，其主回路的設定值為凈煙氣NOx含量，副回路的設定值為根據當前的煙氣流量、SCR原煙氣NOx濃度和設定凈煙氣NOx含量計算出的需氨量，最終通過流量PID改變供氨調閥開度來調節氨氣實際流量。控制原理[2]如圖1所示。

圖1 SCR自動串級控制原理圖Fig.1 SCR Automatic cascade control principle diagram

2 存在問題及原因分析

#1機組SCR自動控制邏輯設計為串級控制，將單側凈煙氣NOx含量目標值作為sp，單側凈煙氣NOx含量作為pv，構成串級控制主回路。氨流量的調節是基于固定的摩爾比，需氨量由進入催化劑反應器煙氣中的NOx含量實測值乘以固定NH3/NOx摩爾比的計算量、機組實際燃料量對應的氨需量前饋，以及主控制器的輸出疊加得出，用來作為副回路的sp，氨氣/空氣混合器前氨氣流量實時值作為pv，構成串級控制的副回路。其中，主控制器的PID參數隨機組負荷變化，當負荷在0MW～660MW時，對應的比例值為0～1，積分值為0～100；原煙氣流量對應的氨需量則是通過儀表所測的實際值計算得出。實際DCS控制邏輯SAMA圖如圖2所示。

圖2 #1機組SCR自動控制邏輯SAMA圖Fig.2 #1 Unit SCR automatic control logic SAMA diagram

在機組的實際運行期間，多次出現NOx超標現象，情況嚴重時單月NOx超標次數多達50次之多，尤其在機組負荷變化或者CEMS裝置反吹時，都會伴有短暫的NOX含量超標。在不同負荷下，機組運行穩定時，即使各參數基本穩定，PID輸出回路波動也會較大，甚至趨向于等幅震蕩。這也導致在實際運行中，常常需要運行人員頻繁手動干預，進行過量噴氨，增加了液氨的消耗量，導致生產成本升高，一定程度上也增加了運行人員的工作量。

經過分析總結，該控制邏輯下，導致#1機組脫硝效率自動控制品質差，噴氨自動難以穩定投入原因有以下幾個方面：

1）脫硝CEMS測量裝置為了防止取樣管路堵塞，會間隔2個小時利用壓縮空氣對管路進行吹掃，此時CEMS裝置送出的NOx含量的測量值、原煙氣流量的測量值保持吹掃前的數值不變，并非當前工況下實測值。而當反吹結束后，輸出值則會立即恢復到當前工況實際測量值，兩者間存在一定的偏差，給控制系統造成一定的擾動，如果反吹時恰好機組處于升降負荷階段，那么偏差就會特別大，這樣無疑是給控制系統的穩定性埋下了隱患。

2）系統所需供氨量由副控制器輸出、煙氣流量對應的需氨量前饋和燃料量對應的需氨量三部分組成。這三部分中，占比較大的是煙氣流量對應的需氨量，而恰恰這一分量受煙氣流量波動影響較大，造成了所需供氨量波動較大；另一方面，PID控制器占比較小，根本無法抵消煙氣流量波動所造成的影響。

3）主控制器PID參數設置不合理，變PID參數的函數在空負荷到滿負荷之間為一條直線函數，無法滿足在不同負荷段下的實際要求；機組在低負荷穩定運行時，系統可以保持相對穩定，而高負荷時PID輸出回路波動較大，系統無法穩定運行。

表1 整定后PID參數表Table 1 PID parameter table after tuning

4）機組負荷變化時，煙氣流量隨之變化，其波動和擾動都比較大，從而引起氨需量的突增或突減，這對SCR出口NOx含量控制影響特別大，每次升、降負荷時，都會伴隨短暫的NOx含量超標。

3 優化方法

為解決上述問題，從DCS控制邏輯修改及PID參數整定兩方面入手，對系統進行了優化。修改后的DCS控制邏輯SAMA圖如圖3所示。

圖3 #1機組修改后SCR自動控制邏輯SAMA圖Fig.3 #1 Unit modified SCR automatic control logic SAMA diagram

1）理論上來講，機組負荷越高，對應的燃料量越多，相應的煙氣流量也就越大。通過對機組實際運行中參數進行收集整理，找出機組負荷與煙氣流量之間的對應關系，建立預測模型。從而修改原煙氣流量對應的氨需量控制回路，將原來的實測值修改為根據機組負荷對應的函數，這樣就解決了升、降負荷過程中原煙氣流量波動以及CEMS裝置反吹時測量值短暫失真而導致的系統自動性能差的問題。

2）由于鍋爐燃燒本身是一個緩慢的過程，從煤粉燃燒反應到鍋爐出口凈煙氣NOx含量產生變化需要一定的時間，并且SCR自動控制本身也存在大延遲、大慣性的特點，氨氣噴入后需要經過化學反應之后，凈煙氣NOx含量才會做出相應的變化，所以在系統中增加前饋環節則可以大大改善自動系統調節品質。該系統采用的前饋是原煙氣中NOx含量變化量計算后得出的需氨量前饋，在機組負荷變化或煤質改變導致NOx含量變化時，提前進行調節。

3）對SCR自動控制中需氨量計算回路中各分量占比進行重新優化，減小煙氣流量對應需氨量回路所占比例，使得原煙氣流量波動時，對控制系統產生的擾動得以減小；增加主控制器PID輸出回路所占比例，當系統存在擾動時，能夠更快地消除擾動。

4）在主控制器中增加煙氣流量的微分量，加快系統調節速度，使自動控制系統適應機組快速升降負荷時煙氣流量的變化快、原煙氣NOx含量激增/激降的工況。

5）機組在不同負荷段時，爐膛內燃燒特性存在一定的差異。在不同的負荷段分別對主回路PID參數進行重新整定，最終通過對5個不同工況下參數進行整定后，將主控制器的PID參數所對應的函數設置為5個分段函數，使自動控制系統適應所用工況。實際PID參數整定后見表1。

4 結束語

針對棗泉電廠#1機組運行期間NOx頻繁超標、自動投入率差的情況，從CEMS測量裝置的特性、測量信號的波動以及系統特性方面進行了原因分析，對控制邏輯進行優化，重新整定PID參數，提高了SCR自動調節品質，大大減少了機組NOx超標次數，為相同SCR控制策略的同類型機組在控制邏輯的組態及自動品質優化上提供了參考。