(煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

0 引 言

火電廠燃煤產(chǎn)生的NOx是大氣污染物的重要來源之一[1]。隨著火電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，為了降低NOx排放，選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[2]。隨著新能源快速發(fā)展，火電機(jī)組深度調(diào)峰能力不斷提高，負(fù)荷快速變化過程中，磨煤機(jī)會(huì)執(zhí)行啟/停動(dòng)作，造成煙氣中NOx濃度大幅變化，煙氣超標(biāo)排放。為確?；痣姍C(jī)組全工況下煙氣達(dá)標(biāo)排放，SCR系統(tǒng)噴氨量控制得到廣泛關(guān)注。羅子湛等[3]通過分析脫硝反應(yīng)過程，利用固定氨氮摩爾比方法對(duì)噴氨量進(jìn)行控制。武寶會(huì)等[4]等采用固定出口NOx濃度方法，通過不斷調(diào)整氨氮摩爾比來控制噴氨量，保證SCR出口NOx濃度能跟蹤設(shè)定值。李剛等[5]分析了SCR系統(tǒng)噴氨控制過程中大延遲的產(chǎn)生原因，結(jié)合Smith預(yù)估器，提出了模糊自適應(yīng)Smith串級(jí)控制策略，實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

噴氨量是影響脫硝效率的重要因素，過量噴氨會(huì)導(dǎo)致氨逃逸超標(biāo)，造成空氣預(yù)熱器的堵塞及下游管道的腐蝕，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成不利影響;噴氨量不足會(huì)導(dǎo)致SCR出口煙氣超標(biāo)排放，造成環(huán)境污染并為電廠帶來經(jīng)濟(jì)損失。目前，火電廠通常采用單回路控制策略進(jìn)行噴氨量控制[3-4]。但由于氨制備過程、煙氣NOx濃度取樣分析過程以及SCR反應(yīng)過程存在延遲，SCR系統(tǒng)是具有大延遲和大慣性特性的被控對(duì)象，傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)難以取得良好的控制效果，無法實(shí)現(xiàn)噴氨量的準(zhǔn)確控制。串級(jí)PID控制系統(tǒng)能迅速克服內(nèi)部擾動(dòng)，及時(shí)適應(yīng)機(jī)組的負(fù)荷變化，廣泛應(yīng)用于具有大延遲特性的被控對(duì)象[6-9]。前饋控制可將被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，從而克服大延遲環(huán)節(jié)的影響，改善控制品質(zhì)[10-13]。針對(duì)SCR系統(tǒng)的大延遲、大慣性特性以及磨煤機(jī)啟/停對(duì)SCR系統(tǒng)的影響，本文在串級(jí)控制方法的基礎(chǔ)上結(jié)合前饋控制策略，利用磨煤機(jī)的啟/停信號(hào)構(gòu)建主調(diào)節(jié)器前饋信號(hào)，利用總煙氣量和SCR入口NOx濃度構(gòu)建副調(diào)節(jié)器前饋信號(hào)，提出了SCR系統(tǒng)噴氨量?jī)?yōu)化控制策略。將該策略應(yīng)用于火電廠SCR系統(tǒng)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 火電廠SCR系統(tǒng)

某電廠330 MW機(jī)組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)示意如圖1所示。SCR系統(tǒng)布置在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間，以V2O5/TiO2為催化劑。氨氣與稀釋空氣混合后經(jīng)噴嘴噴入煙道中，再通過導(dǎo)流裝置與省煤器出口的煙氣混合后進(jìn)入反應(yīng)器。混合氣體在300～400 ℃條件下發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)馀c水蒸氣，從而實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝[14]。脫硝過程中的主要化學(xué)反應(yīng)為

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(2)

(3)

(4)

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch map of SCR denitration system

除主反應(yīng)外，SCR脫硝過程中還發(fā)生副反應(yīng):

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(7)

其中，NH4HSO4是一種黏性很強(qiáng)的物質(zhì)，會(huì)吸附在催化劑表面造成催化劑失活，還會(huì)造成下游空預(yù)器堵塞，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。因此，有必要對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，減少副反應(yīng)的發(fā)生，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文將前饋控制策略與串級(jí)控制方法相結(jié)合，利用磨煤機(jī)運(yùn)行信息構(gòu)建前饋控制信號(hào)，針對(duì)磨煤機(jī)啟/停對(duì)SCR系統(tǒng)的影響，提出了噴氨量?jī)?yōu)化控制策略。

2 磨煤機(jī)啟/停對(duì)SCR系統(tǒng)的影響

燃煤過程中生成的NOx主要有3類，分別為燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。其生成機(jī)理不同但存在一定聯(lián)系。NOx生成量與爐膛溫度關(guān)系如圖2所示(曲線1、2之間為燃料型NOx變化范圍，曲線3、4之間為熱力型NOx變化范圍，曲線5及以下為快速性NOx變化范圍)。

圖2 NOx生成量與爐膛溫度關(guān)系Fig.2 Relationship between NOx generation and furnace temperature

由圖2可知，爐膛溫度低于1 400 ℃時(shí)，燃煤生成的NOx中大部分為燃料型NOx，占NOx總量的60%～80%，其生成量受溫度影響較小。熱力型NOx生成量隨溫度升高逐漸增多，當(dāng)溫度高于1 400 ℃時(shí)，熱力型NOx生成量快速增長(zhǎng)。一般煤粉爐熱力型NOx占比為10%～20%?？焖傩蚇Ox生成量較少，受溫度影響也相對(duì)不顯著。

磨煤機(jī)的啟/停會(huì)引起燃料量以及風(fēng)量的波動(dòng)，造成爐膛燃燒狀態(tài)變化，對(duì)爐膛出口NOx濃度產(chǎn)生影響。磨煤機(jī)啟動(dòng)前需提前增加送風(fēng)量，造成爐膛內(nèi)煤粉處于富氧燃燒狀態(tài)，在氧化性氣氛條件下，NOx生成濃度和轉(zhuǎn)化率隨之提高。當(dāng)磨煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，爐膛中煤粉量升高，燃料型NOx增多，導(dǎo)致NOx總量升高。磨煤機(jī)停止過程中需維持送風(fēng)量不變，風(fēng)量不變而燃料量減少導(dǎo)致過量空氣系數(shù)升高，造成NOx生成量增多。隨著火電深度調(diào)峰能力的不斷增強(qiáng)，磨煤機(jī)的啟/停頻率也隨之提高。磨煤機(jī)的啟/停過程會(huì)造成SCR入口NOx濃度大幅波動(dòng)。為保證脫硝效率的同時(shí)減少副反應(yīng)發(fā)生，應(yīng)對(duì)噴氨量進(jìn)行精確控制，避免噴氨過量。

3 SCR系統(tǒng)噴氨量?jī)?yōu)化控制

3.1 常規(guī)PID控制方法

目前，常用的SCR系統(tǒng)噴氨量控制方法主要有2種：固定氨氮摩爾比控制方法和出口NOx定值控制方法。由于煙氣中NOx主要存在形式是NO，脫硝反應(yīng)主要以式(1)為主，脫除1 mol的NO需消耗1 mol的NH3。固定氨氮摩爾比方法以此為依據(jù)，通過入口NOx總量計(jì)算所需噴氨量。與固定氨氮摩爾比方法不同，出口NOx定值方法通過不斷調(diào)整氨氮摩爾比來改變噴氨量大小，從而保證SCR出口NOx濃度穩(wěn)定在一個(gè)固定值。固定氨氮摩爾比方法與出口NOx定值方法的控制原理如圖3、4所示。

圖3 固定摩爾比控制原理Fig.3 Control schematic of constant mole ratio

圖4 出口NOx定值控制原理Fig.4 Control schematic of constant outlet NOx

由于SCR系統(tǒng)的大延遲特性，常規(guī)PID控制方法噴氨量調(diào)整存在滯后，從而對(duì)脫硝效率造成不利影響。此外，磨煤機(jī)啟/停也會(huì)導(dǎo)致SCR入口NOx濃度大范圍波動(dòng)，增加控制難度，影響控制效果。因此實(shí)際應(yīng)用中，控制效果并不理想。

3.2 噴氨量?jī)?yōu)化控制策略

被控對(duì)象存在大延遲環(huán)節(jié)時(shí)，常規(guī)PID控制方法難以取得很好的控制效果。為解決這一問題，可根據(jù)對(duì)象特性設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器，將被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，從而克服大延遲環(huán)節(jié)的影響，提高控制品質(zhì)，改善控制效果。

圖5 噴氨量?jī)?yōu)化控制方案示意Fig.5 Optimal control strategy of ammonia injection

SCR系統(tǒng)反應(yīng)過程復(fù)雜，影響脫硝效率因素眾多，通過對(duì)機(jī)組運(yùn)行歷史曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在啟/停磨煤機(jī)過程中，SCR出口NOx濃度顯著增加。針對(duì)這一問題，將不同層燃燒器對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)的啟/停作為前饋控制信號(hào)引入控制策略中，并與串級(jí)PID控制方法相結(jié)合，提出了噴氨量?jī)?yōu)化控制策略，如圖5所示。圖5中X1、Y1為針對(duì)不同層燃燒器磨煤機(jī)啟/停過程分別設(shè)計(jì)的脈沖時(shí)間，X2、Y2為與磨煤機(jī)啟/停過程相對(duì)應(yīng)的噴氨流量。當(dāng)磨煤機(jī)發(fā)出啟/停信號(hào)時(shí)，前饋補(bǔ)償器通過脈沖信號(hào)作用于SCR系統(tǒng)，短時(shí)增加一定的噴氨流量，從而避免爐膛富氧燃燒造成的SCR出口NOx濃度上升。其中，X1、X2、Y1和Y2需要根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況分別確定，確保適量噴氨。

4 優(yōu)化控制策略應(yīng)用

4.1 NOx設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)

設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)如圖6所示。設(shè)定SCR系統(tǒng)A側(cè)出口NOx濃度，從20 mg/m3升至35 mg/m3，之后階躍下降至30 mg/m3。

圖6 2號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)A側(cè)(NOx)設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)曲線Fig.6 Experiment curves of A-side(NOx) set value disturbance of No.2 unit's denitration system

對(duì)SCR系統(tǒng)B側(cè)出口NOx設(shè)定值進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，將設(shè)定值先從35 mg/m3降至20 mg/m3，持續(xù)5 min后再升至35 mg/m3，最后降至25 mg/m3。SCR系統(tǒng)響應(yīng)效果如圖7所示。可知，出口NOx濃度設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，NOx實(shí)際值存在一定延遲。這是由于噴氨量在調(diào)整過程中要經(jīng)煙氣濃度檢測(cè)和氨制備等環(huán)節(jié)，造成了一定延遲。當(dāng)噴氨量調(diào)整完畢，出口NOx濃度實(shí)際值與設(shè)定值基本保持一致。

圖7 2號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)B側(cè)(NOx)設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)曲線Fig.7 Experiment curves of B-side(NOx) set value disturbance of No.2 unit's denitration system

設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)過程中將SCR出口NOx設(shè)定值由20 mg/m3增至35 mg/m3，選取穩(wěn)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見表1。可知，在設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)中，采用噴氨優(yōu)化控制策略后，SCR出口NOx濃度可快速跟蹤設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)時(shí)間較短，穩(wěn)態(tài)偏差較小，保證煙氣達(dá)標(biāo)排放，控制品質(zhì)良好。

表12號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)A、B側(cè)(NOx)設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)
Table1A,Bside(NOx)setvaluedisturbanceexperimentofNo.2unit'sdenitrationsystem

項(xiàng)目SCR出口NOx設(shè)定值變化/(mg·m-3)穩(wěn)態(tài)偏差/(mg·m-3)穩(wěn)態(tài)時(shí)間/minA側(cè)20～3529.5B側(cè)20～35411.0

4.2 變工況試驗(yàn)

對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組負(fù)荷從280 MW升至330 MW，觀察SCR系統(tǒng)出口NOx濃度變化趨勢(shì)，如圖8所示?？芍?，當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，SCR出口NOx濃度可控制在設(shè)定值附近。機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，SCR出口NOx濃度隨之升高，此時(shí)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)調(diào)整噴氨量，出口NOx濃度快速下降并達(dá)到設(shè)定值附近，保證了煙氣的達(dá)標(biāo)排放。

圖8 2號(hào)機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)工況NOx控制系統(tǒng)隨動(dòng)曲線Fig.8 Servo curves of No.2 unit's NOx control system in load change test condition

改變2號(hào)機(jī)組E磨煤機(jī)運(yùn)行工況，觀察磨煤機(jī)停止過程中噴氨優(yōu)化控制策略的控制效果，SCR系統(tǒng)出口NOx濃度變化趨勢(shì)如圖9所示?？芍?，E磨煤機(jī)由運(yùn)行改為停止時(shí)，爐膛富氧燃燒導(dǎo)致NOx濃度升高，此時(shí)及時(shí)調(diào)整噴氨量，出口NOx濃度沒有出現(xiàn)大幅變化。此外，由于Y2數(shù)值設(shè)置合理，噴氨量調(diào)整適度，沒有造成過量噴氨。

圖9 2號(hào)機(jī)組啟/停磨煤機(jī)工況NOx控制系統(tǒng)隨動(dòng)曲線Fig.9 Servo curves of No.2 unit's NOx control system in start/stop coal mill condition

5 結(jié) 論

1)SCR系統(tǒng)具有大延遲、大慣性特性，隨著環(huán)保要求提高，傳統(tǒng)噴氨控制策略無法滿足火電廠的運(yùn)行要求。本文將串級(jí)控制與前饋控制方法相結(jié)合，利用磨煤機(jī)的啟/停信號(hào)構(gòu)建主調(diào)節(jié)器前饋信號(hào)，利用總煙氣量和SCR入口NOx濃度構(gòu)建副調(diào)節(jié)器前饋信號(hào)，提出了SCR系統(tǒng)噴氨量?jī)?yōu)化控制策略。

2)將該控制策略應(yīng)用于SCR系統(tǒng)，通過定值擾動(dòng)試驗(yàn)、滑壓變負(fù)荷試驗(yàn)以及磨煤機(jī)變工況試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)效果。結(jié)果表明，噴氨優(yōu)化控制策略具有較好的控制品質(zhì)，能及時(shí)、準(zhǔn)確調(diào)整噴氨量，保證煙氣達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)避免了過量噴氨，SCR系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)全部滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。