熱工控制優(yōu)化在脫硝控制中的應用

曹發(fā)揚 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，各燃煤電廠先后進行了超低排放改造。常規(guī)脫硝方法如空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和低NOx燃燒器技術等已無法滿足環(huán)保政策的超高排放標準（氧量基準6%：煙塵< 10mg/m3、SO2<35mg/m3、NOx<50mg/m3）。SCR（選擇性催化還原）方法在煙氣側脫除NOx，具有效率高、成本低和污染率小等特點，被廣泛應用于燃煤電廠。但SCR脫硝系統(tǒng)在實際應用過程中仍存在不少問題。劉鋒等[1]發(fā)現(xiàn)某1000MW超超臨界機組SCR脫硝系統(tǒng)存在煙氣出口NOx濃度波動大、測量參數(shù)準確度低、噴氨調節(jié)閥特性差等問題。王鎮(zhèn)、鄭志勇等[2,3]通過調研發(fā)現(xiàn)我國各燃煤機組噴氨脫硝系統(tǒng)均存在系統(tǒng)控制策略設計不完善、控制不準確、現(xiàn)場測量條件差等問題。陳磊等[4]對40余臺燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)進行了現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)出口的NOx濃度不均勻、噴氨量不準確導致的空氣預熱器堵塞、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)調峰，機組的變負荷運行加劇了SCR脫硝系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此需要著重研究變負荷條件下SCR脫硝系統(tǒng)的運行特性。本文對各燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的問題進行歸納整合并進行分析，提出了解決措施，旨在為SCR脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供理論指導。

1 主要存在的問題

1.1 煙氣在線分析系統(tǒng)(CEMS)高頻率反吹和標定干擾系統(tǒng)自動調節(jié)

通常，在SCR脫硝系統(tǒng)的出入口都會設置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經(jīng)常發(fā)生堵塞，因此系統(tǒng)需要定時自動反吹和標定。系統(tǒng)的反吹和標定的時間一般為5～8min，在這期間，系統(tǒng)會指定反吹和標定前的NOx和O2測量值，導致系統(tǒng)在高頻率反吹和標定過程中，自動調節(jié)系統(tǒng)無法實時根據(jù)脫硝系統(tǒng)內部NOx和O2的變化量調節(jié)噴氨量，出現(xiàn)超調問題，脫硝系統(tǒng)內部出現(xiàn)噴氨量過少和過多情況，造成調節(jié)系統(tǒng)波蕩，甚至震蕩發(fā)散，這一問題在燃煤機組深度參與電網(wǎng)調峰時尤為明顯，脫硝系統(tǒng)出口經(jīng)常會出現(xiàn)NOx瞬時超標和氨過量的現(xiàn)象，嚴重降低脫硝系統(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)的自動反吹和標定設定在不同的時間段，同時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，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)中的自動調節(jié)系統(tǒng)。雖然該措施可以使CEMS系統(tǒng)實時反應脫硝系統(tǒng)內部NOx和O2濃度，但是在機組深度參與調峰時，由于反吹和標定的時間較長，自動調節(jié)系統(tǒng)仍會出現(xiàn)延時效應，另外煤種的變化也會造成差品質的自動調節(jié)。

1.2 單一指標的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，因其結構簡單、穩(wěn)定性好、調整方便從而被廣泛應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的簡單的PID控制系統(tǒng)。該控制方式以脫硝效率作為設定值計算與實際脫硝效率的差值，然后通過PID控制噴氨調節(jié)閥開度，調整噴氨量從而使煙氣脫硝系統(tǒng)出口NOx達到排放標準[6]。脫硝效率設定值如式（1）所示：

其中：C1為脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度；C2為脫硝反應器設定出口濃度；C3為脫硝反應器出口實際NOx濃度。

實際脫硝效率如式（2）所示，該過程受到很多因素影響，其中包括煤質的變化、機組負荷變化、爐內燃燒情況等。其中由于電廠深度參與電網(wǎng)調峰造成機組負荷變化頻率較快從而導致脫硝效率不準確，另外PID控制方式過于簡單，一旦出現(xiàn)上述任意一種情況，都會導致自動調節(jié)系統(tǒng)目標不準確，噴氨調節(jié)閥開度過大或者過小，造成噴氨過量或NOx濃度超標，因此在實際生產(chǎn)過程中只以脫硝效率單一指標作為PID控制系統(tǒng)的調節(jié)指標是不可取的，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問題，一般脫硝自動調節(jié)系統(tǒng)會設置前饋-反饋控制方式，從而實現(xiàn)智能化控制[7]。但由于噴氨到NH3與NOx發(fā)生還原反應到CEMS測量系統(tǒng)有2～5min的延時，從SCR脫硝系統(tǒng)出口到煙囪有1～2min的延時，系統(tǒng)至少有3min的延時使得前饋控制系統(tǒng)不能及時預判，當SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度變化幅度較大時，控制系統(tǒng)不能及時響應，導致脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度超標，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。煤質變化、機組負荷變化、爐內燃燒情況變化都會導致脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度變化幅度過大，而脫硝系統(tǒng)中前饋-反饋控制的延時性造成了NOx排放超標。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定值和實際值（式1，式2）用到的是NOx濃度，因此需要轉換計算，造成一定的延時。

1.4 噴氨調節(jié)閥品質特性差

噴氨調節(jié)閥是控制噴氨量的關鍵設備，其可靠性和準確性嚴重影響脫硝效率，噴氨調節(jié)閥常出現(xiàn)的問題有：線性差、反應遲緩、調節(jié)死區(qū)大。噴氨調節(jié)閥線性差，無法準確控制噴氨量，不同調節(jié)閥門開度出現(xiàn)不同噴氨量，噴氨流量與調節(jié)閥特性曲線不統(tǒng)一，甚至出現(xiàn)閥門開度為50%時就已達到最大噴氨量。噴氨調節(jié)閥反應遲緩，不能及時供給準確的噴氨量，在機組負荷變化時，閥門開度變化頻率快，反應遲緩會導致噴氨過量或脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度超標。另外，噴氨調節(jié)閥的調節(jié)范圍以機組負荷穩(wěn)定時需要的噴氨量為標準，通常在5%～20%，調節(jié)范圍過小，當脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度過高時，調節(jié)閥門開度即便達到最大也不能提供符合要求的噴氨量，導致NOx濃度超標。噴氨調節(jié)閥的品質差，會造成脫硝自動調節(jié)系統(tǒng)難以達到要求。

2 脫硝熱工系統(tǒng)的控制優(yōu)化和改進

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

2.1 引入新的容錯邏輯思想

現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的保護條件是“當SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx出現(xiàn)測量壞值時，就即時關閉對應的噴氨控制閥，并切換到手動調節(jié)，由人工根據(jù)實際運行標準進行操控”[9]，在機組負參與深度調峰時，CEMS系統(tǒng)測量壞值出現(xiàn)次數(shù)明顯增多，需要運行操作人員進行長時間的手動干預，由于人工操作做不到精準調控，所以時常出現(xiàn)氨過量或者NOx超標。因此，當脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)如測量壞值的情況時，需要考慮到保護系統(tǒng)的容錯，保持系統(tǒng)持續(xù)運行。現(xiàn)有的噴氨區(qū)域保護條件是以噴氨區(qū)域到SCR脫硝系統(tǒng)供氨母管之間的壓力為先決條件，應增加輔助確認條件，即氨氣緩沖槽罐內壓力判斷，防止供氨母管源頭壓力過低造成噴氨調節(jié)閥關閉。

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

2.2 不同負荷下PID控制方式的自適應調節(jié)優(yōu)化

由煤質變化、爐內燃燒情況變化和深度參與電網(wǎng)調峰等造成的機組負荷變化會影響PID自動控制，為防止PID控制方式積分飽和帶來的影響，可重新設定PID控制信號輸出的上下限，即采用抗飽和積分的控制器，能夠及時調整輸出信號保證噴氨調節(jié)閥正常運行，減少噴氨量過多或過少的情況。另外，由于機組負荷變化時，脫硝系統(tǒng)入口NOx變化幅度大，變化頻率高，可設計NOx濃度高低兩種調節(jié)邏輯，通過NOx經(jīng)驗值判斷，避免出現(xiàn)調節(jié)死區(qū)，兩種調節(jié)邏輯可自行選擇，方便噴氨自動調節(jié)，使其達到最優(yōu)狀態(tài)。

另外，可根據(jù)脫硝系統(tǒng)運行過程的噴氨量、進出口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濃度預測模型，同時還可結合模型專屬控制器進行優(yōu)化控制，保證自動調節(jié)系統(tǒng)的實時控制和持續(xù)穩(wěn)定運行[10]。

2.3 增加自動調節(jié)系統(tǒng)實時動態(tài)特性校正和補償

脫硝系統(tǒng)前饋-反饋系統(tǒng)由于其延時特征在自動控制系統(tǒng)中的應用局限，需要引入智能前饋-反饋技術，前文提到的建立脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度預測模型只是前饋系統(tǒng)的一種，對于及時校正和補償?shù)姆答佅到y(tǒng)可采用神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法，自動在線校準和補償各項特性參數(shù)，具有競爭特性的神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法，可使整個自動調節(jié)系統(tǒng)處在不斷學習狀態(tài)，實時監(jiān)測和控制脫硝系統(tǒng)中各熱工設備的參數(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)的自動反吹和校準會干擾自動調節(jié)系統(tǒng)，其中主要的原因是反吹和校準時間長和頻率高，為進一步縮短測量校準時間，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。另外，CEMS測量系統(tǒng)長時間在高溫、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。高塵環(huán)境下取樣管輅容易發(fā)生堵塞，可采用多級旋風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，可加入反吹時吹掃狀態(tài)測量信號，可以多次試驗根據(jù)經(jīng)驗值和吹掃時間確定反吹后NOX濃度，保證測量值的真實性，另外，還可加入手動操作條件，當出現(xiàn)測量壞值、噴氨調節(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，切換為手動操作，方便運行人員及時檢查處理。

2.5 噴氨調節(jié)閥優(yōu)化

CEMS測量值直接影響噴氨調節(jié)閥開度，測量值的準確性是保證精準噴氨量的前提，而現(xiàn)CEMS采樣系統(tǒng)往往采用單點測量方法，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濃度分布設置多點取樣，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，同時可根據(jù)機組不同負荷、煤質、燃燒狀況進行神經(jīng)網(wǎng)絡建模，找出入口NOx濃度分布規(guī)律，方便提前預測各噴氨區(qū)域的噴氨量，起到精準噴氨的效果。

對于噴氨設備本身，需要對噴嘴進行優(yōu)化改造，對其噴氨方式和尺寸進行再設計，加入智能調節(jié)控制器，保證其線性品質好，調節(jié)范圍大和反應靈敏。

3 結語

本文就燃煤機組熱工控制系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的問題進行歸納總結分析，闡述了噴氨脫硝系統(tǒng)多因素控制的復雜性，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、噴氨調節(jié)閥的品質差和自動調節(jié)系統(tǒng)保護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)保指標的要求。本文結合先進神經(jīng)網(wǎng)絡學習技術、多因素線性擬合技術給出了如下解決措施：（1）脫硝自動調節(jié)保護系統(tǒng)引入容錯邏輯思想，將多個影響因素納入判斷指標，確保脫硝系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；（2）燃煤機組深度參與電網(wǎng)調峰是脫硝系統(tǒng)面臨的又一大挑戰(zhàn)，在原有前饋-反饋自動調節(jié)系統(tǒng)中加入了自動調節(jié)系統(tǒng)實時動態(tài)特性校正和補償，優(yōu)化了PID控制方式的自適應調節(jié)，提出了NOx濃度高低兩種調節(jié)邏輯，有效控制了噴氨過量和NOx濃度超標問題；（3）對于CEMS測量系統(tǒng)的延時特性進行了深度優(yōu)化，減少了反吹和校準時間，同時減少了測量系統(tǒng)的反應時間，引入了測量信號和噴氨控制信號一對一單獨控制，劃分噴氨區(qū)域，噴氨量更加精確，有效控制NOx濃度超標；（4）對于噴氨調節(jié)閥進行優(yōu)化，包括布置方式多樣化、一對一控制方式、智能調節(jié)控制器，保證了其線性品質好，調節(jié)范圍大和反應靈敏。