王福珍，劉鎖清

（山西大學(xué)動力工程系，山西 太原 030001）

0 引言

目前，大型火電機(jī)組普遍采用了選擇性催化還原 SCR（selective catalytic reduction） 脫硝裝置，負(fù)荷波動、設(shè)備啟停、自動發(fā)電控制及一次調(diào)頻的投運(yùn)、煤質(zhì)變化等原因?qū)a(chǎn)生燃燒過程變化。隨著國家對環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高，新的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)得到嚴(yán)格執(zhí)行[1-2]，SCR出口氮氧化物NOx濃度值越低，氨逃逸會越嚴(yán)重，逃逸氨容易在220～260℃溫度范圍內(nèi)形成具有粘性的硫酸氫銨ABS（ammonium bisulfate），會對催化劑層和空氣預(yù)熱器造成危害，嚴(yán)重時(shí)危及機(jī)組安全運(yùn)行[3-4]，近年來已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。

SCR裝置運(yùn)行時(shí)NH3和SO3的摩爾比是生成的ABS形成的主要原因；另外，NH3和SO3的濃度也是重要因素，一般認(rèn)為氨逃逸量在2 μL/L以下不會生成ABS，運(yùn)行時(shí)盡量不要超過32 μL/L[5]。

目前，眾多科研工作者對SCR噴氨控制策略進(jìn)行了大量研究工作，金秀章[6]等研究了加權(quán)多模型自適應(yīng)控制策略對NOx濃度進(jìn)行控制，秦天牧[7]等利用多尺度核偏最小二乘法建模，與預(yù)測控制方法結(jié)合進(jìn)行了研究，劉靜偉[8]等采用模糊Smith預(yù)估進(jìn)行了優(yōu)化研究，談晨偉[9]等針對脫硝系統(tǒng)普遍存在的約束，給出求解方法，并將區(qū)間控制思想引入到預(yù)測控制進(jìn)行了研究。

1 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)

某電廠660 MW超臨界機(jī)組SCR煙氣脫硝工藝系統(tǒng)如圖1所示。液氨由氨存儲器流入蒸發(fā)器中蒸發(fā)為30℃左右的氨氣，經(jīng)過緩沖罐穩(wěn)壓后與稀釋風(fēng)機(jī)送入的空氣混合，再經(jīng)過噴氨控制閥調(diào)整氨流量后經(jīng)噴嘴噴出，與煙氣充分混合。混合氣體在一定溫度范圍內(nèi)，在催化劑作用，發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，生成環(huán)境友好的氮?dú)夂退?，達(dá)到脫硝的目的。

圖1 SCR脫硝工藝系統(tǒng)示意圖

噴氨量的多少成為影響脫硝效率的主要因素：噴氨過少，導(dǎo)致煙氣中NOx反應(yīng)不足，排放超標(biāo)；噴氨過多，增加反應(yīng)器中氨濃度，提高副反應(yīng)速度，影響脫硝效率；同時(shí)過量的NH3與SO3反應(yīng)生成ABS，使得催化劑失活、堵塞，從而降低脫硝效率，嚴(yán)重時(shí)危及機(jī)組安全運(yùn)行；此外，過量的氨逃逸排出也將形成污染。

SCR反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，傳統(tǒng)的比例微分積分PID(proportion integral differential)控制器控制效果不能滿足運(yùn)行環(huán)保要求，需要對控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足脫硝效率的同時(shí)盡量減少控制噴氨量，提高不同負(fù)荷下及負(fù)荷波動時(shí)NOx控制品質(zhì)，達(dá)到環(huán)保要求，減少氨逃逸，緩解催化劑和空氣預(yù)熱器堵塞。

2 SCR智能噴氨控制系統(tǒng)介紹

2.1 控制策略系統(tǒng)

SCR系統(tǒng)噴氨控制的難點(diǎn)在于氨摩爾量的準(zhǔn)確測量，主要原因是煙氣量不易直接準(zhǔn)確測量，通常通過鍋爐燃燒側(cè)狀態(tài)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到。為克服測量信號存在的滯后性，通過空氣流量快速檢測負(fù)荷變化；計(jì)算出的NOx流量乘以摩爾比即為所需氨量；凈氨氣的質(zhì)量流量通過噴射母管測得的體積流量經(jīng)溫度、壓力修正獲得；負(fù)荷變化預(yù)噴氨控制由于脫硝系統(tǒng)存在明顯的NOx反應(yīng)器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后的問題，控制回路中加入大負(fù)荷變化預(yù)噴氨氣措施。總之，控制策略將預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、前饋、反饋等多種方法融合，適應(yīng)NOx與噴氨之間多工況，大遲延的控制系統(tǒng)[10]，如圖2所示。

圖2 智能綜合控制方案

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立NOx排放模型

鍋爐是一個(gè)多入、多出的具有黑箱特性非線性系統(tǒng)，各變量之間耦合性強(qiáng)，燃燒系統(tǒng)每個(gè)參數(shù)的變化都會對鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生影響，各種因素會互相交錯(cuò)，很難用常規(guī)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行建模。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬鍋爐燃燒系統(tǒng)多影響因素與NOx濃度之間的關(guān)系，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，可提高泛化能力，然后與粒子群尋優(yōu)算法結(jié)合，更好地對鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐NOx排放特性模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，選用3層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，輸入變量經(jīng)過運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)挖掘分析對NOx濃度影響較大的因素。x1、x2、x3為輸入層NOx排放質(zhì)量濃度節(jié)點(diǎn)，y1、y2、y3為輸出層NOx排放濃度節(jié)點(diǎn)。輸入、輸出層變量如表1所示。

圖3 3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 模型精度評價(jià)

模型精度評價(jià)指標(biāo)采用均方根誤差RMSE（root mean square error） RRMSE進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式為

表1 輸入和輸出層變量

其中，yi為測量值，yj為預(yù)測值，n為預(yù)測樣本個(gè)數(shù)[11]。其預(yù)測和評價(jià)指標(biāo)可以達(dá)到2.8 mg/m3，具有較高的精度，同時(shí)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和泛化能力。

2.4 智能控制方案實(shí)現(xiàn)方式

對生成的智能綜合控制方案程序化，形成控制軟件并離線調(diào)試，取得仿真結(jié)果。由于噴氨系統(tǒng)被控對象參數(shù)具有不確定性，動態(tài)延遲特性，分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 組態(tài)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，采用獨(dú)立的可編程邏輯控制器PLC（programmable logic control）外掛設(shè)備實(shí)現(xiàn)噴氨控制程序，外掛設(shè)備與DCS通訊連接，控制輸出通過DCS實(shí)現(xiàn)噴氨指令，同時(shí)外掛系統(tǒng)與原控制系統(tǒng)無擾切換，設(shè)計(jì)為安全過渡，兩個(gè)控制系統(tǒng)之間投入和切除簡單方便，以保障機(jī)組安全運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 SCR噴氨智能控制實(shí)施方案

3 智能噴氨控制應(yīng)用結(jié)果和分析

SCR噴氨智能綜合控制系統(tǒng)在某660 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)上實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合應(yīng)用情況對控制結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 通訊安全設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

PLC與DCS通過通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為運(yùn)行安全，保留原設(shè)計(jì)方案，當(dāng)通訊故障時(shí)，系統(tǒng)自動無擾切換回原控制方式。PLC側(cè)使用CPU上的COM口進(jìn)行通訊，其支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS232從站通訊協(xié)議。在2個(gè)接口之間增加了1個(gè)MODBUS485轉(zhuǎn)MODBUS232轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)支持兩種通訊協(xié)議的端口之間的互聯(lián)。

3.2 原控制方案運(yùn)行結(jié)果

原控制方案設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)候存在以下問題。穩(wěn)定負(fù)荷狀態(tài)，氨耗量計(jì)算不準(zhǔn)確，排放濃度差異較大，氨逃逸嚴(yán)重。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)追蹤，負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行330 MW時(shí)，脫硝效率分別為54%，出口NOx排放濃度則分別為55 mg/m3，距離排放要求值100 mg/m3有較大差距，過噴氨嚴(yán)重，加劇空氣預(yù)熱器堵塞，也造成二次氨污染排放。

變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氨耗量計(jì)算不能及時(shí)跟上脫硝出口NOx濃度變化。負(fù)荷變化過程中NOx濃度變化幅度比較大，如圖5所示。

圖5 原控制方案變負(fù)荷時(shí)運(yùn)行曲線

從圖5中可以看出，負(fù)荷從400 MW降到330 MW過程中，NOx排放濃度從70 mg/m3驟然升高到104 mg/m3，表明在原控制策略系統(tǒng)下NOx排放濃度受負(fù)荷變化影響劇烈。

NOx排放濃度信號作為反饋沒有參與閉環(huán)控制，SCR出口NOx排放變化范圍寬，受鍋爐側(cè)運(yùn)行參數(shù)影響大，不利于經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)追蹤，負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行330 MW、576 MW時(shí)，脫硝效率分別為54%、55%，出口NOx排放質(zhì)量濃度則分別為55 mg/m3、70 mg/m3。

3.3 智能控制運(yùn)行結(jié)果及分析

重新設(shè)計(jì)負(fù)荷修正系數(shù)，引入反饋，在小范圍內(nèi)對尿素需求量進(jìn)行修正，脫硝效率設(shè)置為60±5%范圍內(nèi)，變負(fù)荷時(shí)引入一些燃燒側(cè)參數(shù)提高響應(yīng)速度，達(dá)到了運(yùn)行控制預(yù)期。

負(fù)荷運(yùn)行在330 MW、450 MW、650 MW時(shí)，脫硝效率均設(shè)置為60%，SCR出口NOx排放質(zhì)量濃度則分別為80～85 mg/m3，均方根誤差為7.8 mg/m3。主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NOx生成濃度以及煙氣流量軟測量結(jié)果計(jì)算比較準(zhǔn)確，從而及時(shí)獲得比較準(zhǔn)確的噴氨需求量，結(jié)合反饋、前饋的綜合智能優(yōu)化控制系統(tǒng)使得NOx排放濃度保持穩(wěn)定。

變負(fù)荷運(yùn)行在500～660 MW、660～450 MW時(shí)，人工手動小幅干預(yù)（脫硝效率變化2%～3%），SCR出口NOx排放質(zhì)量濃度則分別為80～100 mg/m3，實(shí)現(xiàn)自動投入運(yùn)行。

圖6 升負(fù)荷NOx隨負(fù)荷變化曲線

從圖6可以看出，負(fù)荷從500 MW升高到660 MW過程中，運(yùn)行人員小幅干預(yù)，脫硝變化率為3%，負(fù)荷升高過程中NOx排放濃度先升高再降低。主要是升負(fù)荷時(shí)鍋爐參數(shù)變化對NOx生成有影響，負(fù)荷變化作為擾動信號作用到噴氨量，噴氨動作滯后性使NOx濃度升高，而快速反饋使噴氨略微過量，NOx濃度降低，最終隨著負(fù)荷穩(wěn)定，NOx質(zhì)量濃度最后穩(wěn)定在93 mg/m3左右，其過程中計(jì)算均方根誤差為8.9 mg/m3。

圖7 降負(fù)荷NOx隨負(fù)荷變化曲線

從圖7可以看看出，負(fù)荷從660 MW降低到500 MW過程中，運(yùn)行人員小幅干預(yù)，脫硝變化率為3%，負(fù)荷升高過程中NOx排放質(zhì)量濃度先降低再升高，且波動幅度較大。主要是降負(fù)荷參數(shù)擾動使噴氨量增加，NOx質(zhì)量濃度從93 mg/m3升高到84 mg/m3，而負(fù)荷降低過程中NOx生成量減小，噴氨量減小速率小于NOx生成速率，使NOx質(zhì)量濃度升高；因?yàn)橐脲仩t燃燒側(cè)參數(shù)做反饋，降負(fù)荷時(shí)燃燒側(cè)參數(shù)變化幅度大，所以導(dǎo)致NOx質(zhì)量濃度波動幅度大，其過程中計(jì)算均方根誤差為9.4 mg/m3。

負(fù)荷頻繁變化運(yùn)行在660 MW～450 MW～600 MW時(shí)，升降負(fù)荷過程中NOx，如圖8所示。

圖8 頻繁升降負(fù)荷NOx隨負(fù)荷變化曲線

NOx排放質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本按照單獨(dú)升降負(fù)荷過程變化趨勢變化，NOx排放質(zhì)量濃度都是先降后升，然后基本趨于穩(wěn)定值；在無手動干擾情況下，NOx排放質(zhì)量濃度波動幅度小，基本穩(wěn)定在78～85 mg/m3之間，計(jì)算其均方差誤差為8.7 mg/m3。

4 結(jié)論

噴氨智能控制方案設(shè)計(jì)及某660 MW機(jī)組實(shí)際應(yīng)用分析得出以下結(jié)論。

a） 針對SCR控制系統(tǒng)，將預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、前饋、反饋等多種方法融合形成的適應(yīng)NOx與噴氨之間多工況、大遲延的控制系統(tǒng)可以減少氨逃逸，提高NOx控制品質(zhì)。

b）智能控制系統(tǒng)在負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，升、降負(fù)荷以及負(fù)荷頻繁變化過程中，可以盡可能地貼近排放標(biāo)準(zhǔn)線運(yùn)行，波動幅度小。

c） 智能控制可以實(shí)現(xiàn)SCR噴氨自動投入。

d）投入智能控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各種工況下，其均方根誤差小于10 mg/m3。