SCR脫硝系統噴氨精細調節技術應用及控制策略研究

胡國力

（北京達華潔能工程技術有限公司， 北京 100000）

0 引言

目前，相關SCR脫硝系統的科研技術已相對成熟，大量實踐證明，該系統在實際應用中對煙氣的脫硝率甚至可達到90%以上。近年來，產業經濟的高速發展在一定程度上增加了社會對能源的消耗，據不完全統計，我國對煤炭類物質的消耗量在國際中處于居高不下的水平。而煤炭屬于一種化石類燃料，此類燃料在燃燒中會發生較為復雜的化學反應，在供應企業生產所需能量的同時，釋放大量的氮氧化物質、硫化物質、顆粒物以及粉塵等對大氣環境造成污染的物質。為實現對污染物的控制，生產單位開始進行SCR脫硝系統的推廣與使用，但該系統是一個多參數、多影響變量協同控制的系統，系統在運行時，不僅需要考慮噴氨量對系統的脫硝效果的影響，還需要考慮系統在運行中的穩定性。系統在運行中的任何一個參數發生異常變化，都會對脫硝效果造成影響。因此，該文將根據現有工作的實際需求，以SCR脫硝系統為例，針對該系統在運行中的噴氨行為進行精細化調節設計，以此種方式實現對系統運行的規范化控制。

1 SCR脫硝系統入口煙氣量與氨氣量測量

為實現對系統運行中噴氨量等參數的控制，發揮系統在實際應用中更高的效能與價值，應在設計方法前，輔助先進測量技術，對測試系統在運行中入口位置的煙氣量與氨氣量進行主動測量。

根據系統實際運行與進氣煙道分布，采用網格劃分技術，將系統在運行中的單側煙道劃分為長度×寬度=2×4的網格，在每個對應的網格區域內安裝一個系統運行采樣探頭。將探頭與量測儀表進行連接，探頭獲取的數據將通過量測儀表量測后進入煙氣分析儀。采用輪測的方式即可實現對系統入口位置煙氣量的測量。此過程可用公式（1）表示。

式中：為系統入口位置煙氣量，計算單位為mg/Nm；為網格總數；為探頭采樣數量；為量測儀表直接量測數據。

在此基礎上采用軟測量的方式對SCR脫硝系統入口位置的氨氣量進行測量，相比直接測量，軟測量是通過大量的實測數據間接計算得到的數據，此種數據采集方式可以避免由于分析儀采樣導致的反饋數據時效性差等問題。可以在量測過程中，根據脫硝系統中輸入燃料量、進風量及其運行工況等參數，采用多元線性回歸計算的方式，進行脫硝系統入口氨氣量的計算。如公式（2）所示。

式中：為脫硝系統入口氨氣量計算單位為mg/Nm；為輸入燃料量；為進風量；為運行工況；為多元線性回歸方程式。

通過上述方式，完成對系統入口位置多種參數的測量與計算。

2 基于偏差系數計算的噴氨補償與主動調節

掌握脫硝系統多種運行條件后，該文采用對系統在運行中偏差系數的計算進行噴氨量的實時補償，確保系統在運行中噴氨量隨著系統入口煙氣濃度的變化而發生變化。在此過程中，將測量儀安裝在系統煙氣反應器位置，按照上文方式獲取反應器出口截面位置氮氧化物的濃度與分布情況，當氮氧化物質的分布較密集或濃度較高時，可采用增加反應器噴氨管道支管調節閥的方式進行噴氨開度的調節。調節過程如公式（3）所示。

式中：為氮氧化物濃度；為噴氨補償；為入口煙氣濃度的變化變化系數；為反應器噴氨管道支管調節閥數量；為反應器噴氨管道支管直徑；為反應器噴氨管道支管調節閥流通速度。

在此基礎上，當氮氧化物質的分布較稀疏或濃度較低時，可采用減小反應器噴氨管道支管調節閥的方式進行噴氨開度的控制。按照上述方式進行噴氨量的不同調整，通過此種方式控制截面出口位置氮氧化物濃度的標準差在15%范圍內。此過程如公式（4）所示。

式中：為脫硝系統在運行中反應器某點位置的氮氧化物濃度；為截面出口位置氮氧化物濃度的標準差，在計算

公式（4）中的的計算如公式（5）所示。

式中：為出口截面面積；為偏差系數；為偏差允許范圍。

通過上述方式得到滿足＜15%時的所有取值，以此為依據，進行系統噴氨反應器調節閥調節開度的調整。調節過程中，需要全面考慮前端脫硝系統在運行過程中的發電負荷、煙氣量、爐膛含氧量等技術參數，根據參數的變化，結合相關工作的實際情況，在隱藏層進行噴氨參數設定的優化，通過此種方式，實現在系統不同運行工況下的噴氨量的補償與主動調節。

3 基于PID技術的噴氨分區均衡控制

完成上述設計后，為實現對系統運行的進一步控制，該文引進PID技術對脫硝系統在運行中噴氨分區的均衡進行控制。控制過程中，將SCR脫硝系統的運行機理作為參照，建立預測模型。通過對前端反應值的評估，掌握系統運行與氨氣的需求量，根據對氨氣需求量的反饋與校正，進行系統的主動控制。此過程如公式（6）所示。

式中：為噴氨主動控制過程；Δ為氨氣的需求量；為反饋系數；為校正系數；為預測數值。

在上述內容的基礎上，在系統不同網格分區內安裝分區調節閥，采用解耦的方式進行系統內不同分區的平衡處理。平衡處理過程如公式（7）所示。

處理過程中，為確保各個分區的平衡性，可引進神經網絡技術，將歸一化參數錄入神經網絡中，在網絡中進行參數的優化。將優化后的參數引入軟測量模型中，對系統運行過程中的相關參數進行實時跟蹤。結合系統內不同分區的平衡處理過程誤差和期望誤差，對神經網絡進行權重、閾值的修正，并對訓練數據進行更新，利用轉變學習率來提高網絡的系統內不同分區的平衡處理的精度。分區調節閥可設置上、下限的調節，調節過程中，應設定一定的調節范圍，以此確保系統可以在有效線性范圍內運行。通過此種方式，使系統不同分區在脫硝處理過程中可以適應機組運行的調峰要求，從而實現系統內不同分區的平衡處理，以此達到PID自適應控制的目的。此過程如公式（8）所示。

式中：為噴氨控制量；為解耦算法；為調峰值；為分區數量。

輸出控制量，按照預設的控制量進行系統控制，檢測控制后系統出口位置氮氧濃度與分布，當檢測結果符合國家要求的脫硝處理標準后，即可認為完成了控制方法的設計。反之，當檢測結果不符合標準時，說明補償的噴氨量未能完全發揮效果，可以采用加大單元網格劃分數量的方式，提高氨氣與氮氧化物質的反應接觸面，進一步實現對反應過程的優化。

4 實例應用分析

在完成針對SCR脫硝系統的噴氨調節與控制方法設計后，下述將以某地區大型電廠作為試點單位，使用該文設計的方法進行SCR脫硝系統的控制效果檢驗。根據大量的實踐與電廠企業負責人反饋的信息，對SCR脫硝系統在運行中入口位置煙氣參數進行統計，見表1。

表1 SCR脫硝系統運行中入口煙氣參數

在應用該文方法前，檢測SCR脫硝系統運行中入口煙氣的壓力（Pa）、溫度（攝氏度）、濃度（g/Nm）等參數。將此部分數據作為試驗中的參照數據。

根據此電廠負責人反饋，企業針對SCR脫硝系統的運行，采用的是復合控制方法進行噴氨量的控制與主動調節。獲取SCR脫硝系統的歷史運行數據，分析在控制前，SCR脫硝系統的運行工況。如圖1所示。

在圖1中，曲線A表示測試系統在實際運行中入口位置氮氧化物質的濃度或含量；曲線B表示測試系統入口位置噴氨量；曲線C表示測試系統在實際運行中出口位置氮氧化物質的濃度或含量。

根據圖1中3條曲線的變化趨勢可以看出，噴氨量并未能隨著入口氮氧化物值的濃度的變化而發生變化，進而導致出口氮氧化物值的濃度變化曲線的波動幅度較大。盡管出口氮氧化物值的濃度已呈現一定的降低趨勢，但此種控制模式極易導致機組在運行中出現高負荷問題，進而導致脫硝系統的脫硝效果不理想。綜上所述，該電廠現行應用的脫硝系統控制方法對系統運行的控制效果較差。

圖1 精細控制前SCR脫硝系統的運行工況

在此基礎上，使用該文設計的方法對系統的運行過程進行主動、精細化控制。控制過程中，先使用先進測量技術進行系統入口位置煙氣參數的量測，掌握進入煙氣的參數條件后，通過計算偏差系數的方式實現氨氣量補償，以此種方式，實現對系統噴氨的主動控制與精細調節。在此基礎上，引進PID技術實現系統運行的控制，擺脫系統在運行中受到外界環境或其他因素干擾的問題。

將集成該文控制方法后的SCR脫硝系統投入使用，根據系統的實時運行工況，對系統入口物質、出口位置導入煙氣等物質的濃度、噴氨量參數進行主動獲取。同時，通過實時數據捕捉技術，將SCR脫硝系統在運行中的實時參數繪制成曲線圖，如圖2所示。

圖2 精細控制后SCR脫硝系統的運行工況

在圖2中，曲線A1表示控制后SCR脫硝系統運行中入口氮氧化物值的濃度；曲線B1表示控制后SCR脫硝系統運行中的噴氨量；曲線C1表示控制后SCR脫硝系統運行中出口氮氧化物值的濃度。

根據圖2中3條曲線的變化趨勢可以看出，使用該文設計的調節與控制方法進行SCR脫硝系統的運行控制，可以確保系統在運行過程中，噴氨量隨著入口氮氧化物值濃度的變化而發生變化，即確保系統在運行中不同物質濃度具有較強的平衡性。同時，在此種控制模式下，SCR脫硝系統出口氮氧化物值的濃度也被控制在了一個較低的數值。

綜上所述可得出該文試驗的最終結論：此次設計的噴氨精細調節與控制方法，在實際應用中具有較好的控制效果，可以實現在控制噴氨量的同時，降低系統運行出口氮氧化物值的濃度，進而發揮系統更高的效能。

5 結語

該文研究的SCR脫硝系統，其本質是一種使用催化試劑輔助煙氣脫硝的還原系統，通常系統在運行時將氨氣作為還原物質，將適量的氨氣注入系統中，將其系統煙道中的煙氣進行混合處理，在適宜的條件下，氨氣將與反應器中的氮氧類物質發生化學反應，進而將煙氣轉化為水體與氮氣。為發揮該系統更高的效能，該文從3個方面，以SCR脫硝系統為例，針對該系統在運行中的噴氨行為進行精細化調節設計。完成設計后，經過實踐檢驗證明了設計的控制方法在實際應用中具有良好效果，可以起到控制系統運行宏觀調節與綜合運行的效果。