楊 棟，郭景輝

（華電萊州發(fā)電有限公司，山東 萊州 261400）

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊 棟，郭景輝

（華電萊州發(fā)電有限公司，山東 萊州 261400）

煙氣脫硝是現(xiàn)今電廠實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要措施之一。脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)電廠煙氣脫硝工作的智能優(yōu)化控制。該系統(tǒng)以選擇性催化還原法為基礎(chǔ)，采用模型計算的方式對煙氣中的NOx含量進行預(yù)估，利用閉環(huán)修正的方法得出氨氮摩爾比，實現(xiàn)氨流量的準確控制。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)出口NOx指標和氨逃逸情況及時修正脫硝效率設(shè)定值，保證了脫硝工作自動控制的準確性和穩(wěn)定性，減少了氨耗量和氨逃逸，實現(xiàn)了綜合優(yōu)化脫硝控制。

煙氣脫硝；控制系統(tǒng)；模型預(yù)估；氮氧化物；流量控制

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)保要求日益提高，火電廠大氣污染物的排放規(guī)范也日漸完善。根據(jù)國家政策和環(huán)保局要求［1］，電廠發(fā)電機組安裝了脫硝系統(tǒng)，實現(xiàn)煙氣排放物的脫硝處理，使得電廠煙氣排放物中NOx的含量符合國家環(huán)保部規(guī)定標準?，F(xiàn)有的脫硝方法分為干法脫硝、濕法脫硝兩大類［2-3］，其中干法脫硝又分為選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）和選擇性非催化還原法（Selective Noncatalytic Reduction，SNCR）。 濕法脫硝需要復(fù)雜的設(shè)備裝置，且存在廢水處理等問題。SNCR脫硝法的脫硝效率不高，氨耗量大，且對溫度控制的要求較高，脫硝系統(tǒng)裝置多采用SCR選擇性催化還原法實現(xiàn)。

1959年SCR技術(shù)在美國被提出，20世紀70年代日本首先利用SCR方法實現(xiàn)大型火電機組鍋爐煙氣的脫硝工作［4］。繼而歐洲各國對SCR技術(shù)進行了改進優(yōu)化。目前，SCR脫硝技術(shù)在歐美日等發(fā)達國家已經(jīng)得到了全面推廣，不僅應(yīng)用于火力發(fā)電廠，而且在水泥、鋼鐵等其他化學(xué)處理廠也得到了廣泛應(yīng)用。在我國，SCR核心技術(shù)與設(shè)備大多來自于進口，且存在成本高、與國內(nèi)環(huán)境不符等問題［5］。國內(nèi)SCR技術(shù)也在不斷地發(fā)展應(yīng)用中，國家氮氧化物排放新標準的頒布，使得基于SCR技術(shù)的脫硝系統(tǒng)的普及和投運變得日趨重要［6］。

在理想情況下，成熟的SCR脫硝技術(shù)的脫硝效率能夠達到90％以上［7］。SCR脫硝技術(shù)采用的還原劑是氨氣。將氨氣與空氣充分混合后注入反應(yīng)器中，與未脫硝前的煙氣混合均勻，在較低溫度下即可與煙氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成無污染的氮氣和水。化學(xué)反應(yīng)方程式為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

SCR脫硝裝置安裝于鍋爐爐膛出口和空氣預(yù)熱器之間，其脫硝設(shè)備由氨區(qū)和反應(yīng)器兩個區(qū)域構(gòu)成。反應(yīng)器區(qū)域中的設(shè)備主要有：煙道、SCR反應(yīng)器、吹灰系統(tǒng)、催化劑、灰斗、催化劑注入系統(tǒng)、氨供應(yīng)系統(tǒng)。氨區(qū)的設(shè)備主要有：卸氨系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)、供氨系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)等。

1 脫硝系統(tǒng)現(xiàn)狀

萊州電廠脫硝自動控制策略是基于脫硝效率設(shè)置的，根據(jù)原煙氣NOx情況，由運行人員設(shè)置一個合適的脫硝效率，系統(tǒng)根據(jù)此效率計算當前煙氣流量情況下應(yīng)該噴入脫硝裝置的氨量，實現(xiàn)脫硝的自動控制。此策略使用PID實現(xiàn)閉環(huán)控制，只能適應(yīng)煙氣量的變化工況，且由于是閉環(huán)控制，穩(wěn)態(tài)控制時在一定幅度和周期的波動和變工況動態(tài)情況下存在反應(yīng)遲緩問題。

脫硝基本設(shè)計為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。在該控制方式下，氨氮摩爾比被設(shè)定為固定值?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)當前的煙氣流量、SCR入口NOx質(zhì)量濃度和設(shè)定氨氮摩爾比計算出NH3流量需求，最終通過流量PID改變氨氣閥開度來調(diào)節(jié)NH3實際流量。這種控制方式近似于開環(huán)控制，脫硝系統(tǒng)的NH3需求量僅根據(jù)靜態(tài)物理特性計算得出，不符合現(xiàn)場實際情況。其次，脫硝系統(tǒng)的控制目標與環(huán)?？己四繕瞬粚?yīng)。環(huán)?？己藷焽枞肟谔幍腘Ox質(zhì)量濃度，而現(xiàn)有系統(tǒng)控制的是SCR出口的NOx質(zhì)量濃度，SCR出口NOx質(zhì)量濃度與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度靜態(tài)和動態(tài)關(guān)系均存在著較大的差別。再次，現(xiàn)有系統(tǒng)控制技術(shù)單一，難以控制復(fù)雜對象。脫硝系統(tǒng)的被控對象（NH3流量與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度）有大約3min的純延遲響應(yīng)時間，整個的響應(yīng)過程在10min以上，被控對象呈典型大滯后現(xiàn)象；催化劑消耗過程對被控對象特性影響大，是時變非線性被控對象，常規(guī)PID控制策略在處理這類對象時過于簡單。

針對上述問題，脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)采用模塊化圖形組態(tài)方式編制方式，可完成常規(guī)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等復(fù)雜人工智能算法和控制組態(tài)，可用于各種復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)運行分析、仿真計算和優(yōu)化控制，使得出口氮氧化物的濃度得到智能優(yōu)化控制，并且減少氨逃逸量，減少對大氣的污染。

2 脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)以“環(huán)保節(jié)能、經(jīng)濟安全”為設(shè)計理念，既保證脫硝煙氣處理達到環(huán)保局要求，又考慮電廠運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。系統(tǒng)在測得煙氣NOx質(zhì)量濃度基礎(chǔ)上，經(jīng)過燃燒分析，對此進行更準確的修正計算，通過全面考慮煙氣流量、壓力、煙氣氧量，并結(jié)合氨空比、氨流量以及出口煙氣氧量和NH3逃逸量等因素進行精確計算，然后結(jié)合脫硝效率和出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值對氨流量閥進行準確控制。

2.1 系統(tǒng)原理

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

使用鍋爐燃料模型，尋找出NOx質(zhì)量濃度變化的預(yù)估值，得出一個軟測量結(jié)果，克服NOx質(zhì)量濃度測量儀表取樣反應(yīng)遲緩問題。同時又用NOx質(zhì)量濃度測量的結(jié)果對軟測量進行長期修正擬合，使軟測量結(jié)果用硬測量結(jié)果進行印證和修正，遞歸出一個較準確和及時的軟測量結(jié)果。

根據(jù)排放要求，計算出適當?shù)拿撓跣试O(shè)定值，并進行范圍限制后，與運行人員設(shè)定的效率設(shè)定值取大值輸出，得到系統(tǒng)最合理的脫硝效率最終優(yōu)化設(shè)定值，這樣運行人員設(shè)定的效率值實際上是一個安全的下限值，運行中不再隨時根據(jù)鍋爐運行工況改變脫硝效率設(shè)定值。

系統(tǒng)根據(jù)NOx質(zhì)量濃度預(yù)估值和效率優(yōu)化設(shè)定值，即時計算出系統(tǒng)優(yōu)化噴氨流量值，將優(yōu)化氨流量噴入煙氣內(nèi)進行脫硝反應(yīng)，得到較為平穩(wěn)的脫硝輸出NOx質(zhì)量濃度指標。

系統(tǒng)根據(jù)脫硝出口NOx質(zhì)量濃度指標和氨逃逸情況，及時修正脫硝效率設(shè)定值。由于本系統(tǒng)是以開環(huán)控制為主，以長期參數(shù)閉環(huán)修正為輔，所以可以得到快速的調(diào)節(jié)速度而且不會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)方案

在機組鍋爐電子間安裝脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)控制器，設(shè)計DCS通信接口，完成控制系統(tǒng)保護、功能切換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

建立針對鍋爐燃燒和脫硝的物理模型，根據(jù)運行規(guī)程和總結(jié)運行人員經(jīng)驗建立脫硝經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

在機組運行后，進行鍋爐燃燒與脫硝控制相關(guān)數(shù)據(jù)采集，并進行離線仿真和數(shù)據(jù)分析，完善物理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。同時建立人工智能自學(xué)習(xí)模型，通過歷史數(shù)據(jù)，進行離線訓(xùn)練，使最終控制模型盡可能接近被控系統(tǒng)。

建立鍋爐脫硝控制評價體系，并通過現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)進行驗證和離線調(diào)試，證實實時評價體系的合理性，并給出脫硝優(yōu)化控制目標。

將脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，在閉環(huán)環(huán)境下，進一步在線調(diào)試和訓(xùn)練優(yōu)化控制系統(tǒng)，以期達到最佳控制水平。

將脫硝控制目標作為系統(tǒng)優(yōu)化控制定值，實現(xiàn)優(yōu)化控制目標的在線閉環(huán)控制，實現(xiàn)機組脫硝優(yōu)化控制。

2.3 系統(tǒng)配置

脫硝系統(tǒng)配置容量應(yīng)該能滿足鍋爐脫硝要求，一次設(shè)備可保證通過脫硝后NOx質(zhì)量濃度的達標排放。脫硝系統(tǒng)設(shè)備運行可靠。噴氨調(diào)節(jié)閥具有可調(diào)性，手動或自動運行時能調(diào)節(jié)噴氨量（不要求線性度很好）。NOx質(zhì)量濃度測量裝置運行可靠穩(wěn)定。

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)配置如圖2所示。采用獨立的編程站（工程師站）和專用控制器，并和鍋爐DCS控制系統(tǒng)選用Modbus通信協(xié)議（或其他協(xié)議）進行數(shù)據(jù)交換。專用控制器從DCS系統(tǒng)取得機組運行數(shù)據(jù)，經(jīng)運算給出最優(yōu)控制指令，并通過DCS系統(tǒng)控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。為提高系統(tǒng)的控制可靠性，脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)也可采用冗余配置。

圖2 系統(tǒng)配置

3 系統(tǒng)測試

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)控制器安裝后，與現(xiàn)有DCS系統(tǒng)以Modbus的通信方式建立連接。在此基礎(chǔ)上添加需要通信的測點，利用通信軟件進行系統(tǒng)測試。通信建立后，機組穩(wěn)定運行，積累7~10d的歷史數(shù)據(jù)，查看是否轉(zhuǎn)化為脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進行記錄，對比DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)記錄的正確性。根據(jù)歷史記錄的大數(shù)據(jù)庫，對各個工況下的數(shù)據(jù)進行分析、計算，初步建立鍋爐氮氧化合物產(chǎn)生的模型機制，找出影響入口氮氧化合物、出口氮氧化合物濃度的因素，并進行歸一化處理；分析噴氨流量調(diào)節(jié)閥門的閥門特性，精確找出閥門開度與流量的線性度；根據(jù)控制模型組態(tài)邏輯，利用歷史數(shù)據(jù)離線回放，進一步修改邏輯。組態(tài)建立完整后，進行組態(tài)在線調(diào)試，結(jié)合運行實時數(shù)據(jù)，驗證邏輯的合理性。

系統(tǒng)測試結(jié)果表明，脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)不依賴DCS可實現(xiàn)控制需要的先進的控制算法，同時調(diào)試效率大大提高，調(diào)試過程安全性高。該系統(tǒng)的脫硝出口NOx質(zhì)量濃度變化幅度小于30mg／m3。脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化控制能夠減少氨逃逸量，從而減少爐內(nèi)氨結(jié)晶引起的空預(yù)器堵塞，也能減少對大氣的污染；能適應(yīng)鍋爐負荷急劇變化的工況，比如AGC自動增益控制投入時，出口NOx也不會超標；脫硝氨的消耗量減少了5％~10％，減少了脫硝過程的材料消耗；消除環(huán)保氮氧化物濃度測點和反應(yīng)器出口氮氧化物濃度測點的偏差，實現(xiàn)綜合優(yōu)化脫硝控制。此外，使用該系統(tǒng)，運行人員的操作方式保持不變，控制方案之間可以實現(xiàn)無擾切換，系統(tǒng)靈活、安全。

4 結(jié)語

脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)用于智能控制電廠的煙氣脫硝工作。系統(tǒng)對測得的煙氣NOx質(zhì)量濃度進行模型計算，獲得NOx質(zhì)量濃度變化的預(yù)估值，實現(xiàn)煙氣中NOx質(zhì)量濃度的軟測量，克服儀表測量反應(yīng)遲緩問題。同時利用儀表測量數(shù)據(jù)對軟測量結(jié)果進行修正擬合，保證了NOx質(zhì)量濃度測量結(jié)果的及時性和準確性。根據(jù)參數(shù)變化進行智能控制氨流量閥，減少氨量過調(diào)現(xiàn)象，降低氨耗量，降低對空預(yù)器設(shè)備的損害，確保了電廠機組節(jié)能環(huán)保運行，提高了運行的經(jīng)濟性和安全性。

［1］ 楊冬，徐鴻.SCR煙氣脫硝技術(shù)及其在燃煤電廠的應(yīng)用［J］.電力環(huán)境保護，2007，23（1）：49-51.

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［5］ 朱林，吳碧君.SCR煙氣脫硝催化劑生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國電力，2009，42（8）：61-64.

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Research and Application of Denitrification Optimization Control System

YANG Dong，GUO Jinghui
（Huadian Laizhou power generation Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China）

Flue gas denitration is one of the important measures for achieving energy conservation and environment protection in power plants now.A denitrification optimization control system is proposed in this paper for denitrification intelligent optimization control in power plant.This system models the selective catalytic reduction process and predicts NOxcontent in the flue gas by calculation.The ammonia nitrogen mole ratio is calculated by closed-loop correction for controlling the ammonia flow accurately.The system test results show that the system modifies the denitration efficiency value accurately and swiftly based on the export of NOxcontent and NH3escape.This ensures the accuracy and the stability of flue gas denitration.It improves the efficiency of the use of NH3and achieves flue gas denitration control more synthetically and optimized.

flue gas denitrification technology；control system；model predictive control；NOx；flow control

TM621

：B

：1007－9904（2017）07－0061－04

2017-03-29

楊 棟（1987），男，從事熱工設(shè)備維護工作。