張?jiān)~秀 戴瑞 張?jiān)~赟

摘? 要：為了響應(yīng)國(guó)家的環(huán)保要求，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。大部分燃煤電廠都使用了SCR煙氣脫硝技術(shù)，由于SCR煙氣脫硝系統(tǒng)普遍存在反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、控制滯后、時(shí)變非線性等特點(diǎn)，本文提出了基于自適應(yīng)前饋控制方法。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PID控制方法相比，該方法在抗擾動(dòng)能力、跟蹤設(shè)定值方面均優(yōu)于常規(guī)控制方案。

關(guān)鍵詞：選擇性催化還原法? 煙氣脫硝? 前饋控制? 自適應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0076-03

Abstract： In order to respond to national environmental protection requirements， In order to meet the national environmental requirements， selective catalytic reduction （SCR） flue gas denitrification system has been widely used. Most coal-fired power plants use SCR Flue Gas Denitrification Technology. Because SCR Flue gas denitrification system has the characteristics of long reaction time， control lag and time-varying nonlinearity， this paper proposes an adaptive feedforward control method. The simulation results show that compared with the traditional PID control method， this method has better anti disturbance ability and tracking set value than the conventional control scheme.

Key Words： Selective catalytic reduction;Flue gas denitrification; Feedforward control; Adaptive

近年來(lái)，我國(guó)在發(fā)電、化工等行業(yè)在硫氧化物和粉塵排放控制方面已經(jīng)取得了一定的成效，但是國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷提高，環(huán)保考核的指標(biāo)也提高了，氮氧化物的控制成為了最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。在眾多的脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原法（SCR：Selective Catalytic Reduction）由于其脫硝效率高，工藝技術(shù)成熟，選擇性好，運(yùn)行可靠且二次污染很小，所以是符合我國(guó)國(guó)情的電廠煙氣脫硝技術(shù)，并且也是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。

煤質(zhì)、反應(yīng)溫度、催化劑活性、噴氨流量和煙氣流量等因素影響SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的控制。其中，影響反硝化效率的主要原因就是氨流量。氨水過(guò)少會(huì)導(dǎo)致SCR出口的NOX濃度超標(biāo)，環(huán)保指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)量的氨會(huì)增加氨的逸出量，導(dǎo)致NH3，水和SO2在催化劑的作用下產(chǎn)生反應(yīng)。生成和NH4HSO4NH4HSO4 （NH4）2SO4（NH4）2SO4依附在催化劑表面，它將嚴(yán)重阻礙了催化劑活性的釋放，并阻塞空氣預(yù)熱器，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的壓差較高。所以，控制氨流量是SCR脫硝控制系統(tǒng)安全，平穩(wěn)運(yùn)行的重點(diǎn)。文章使用了SCR系統(tǒng)中氨注入的自適應(yīng)前饋控制方法，階躍響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)用于仿真驗(yàn)證和與傳統(tǒng)控制方法的比較，在保證達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)避免了過(guò)量噴氨，將出口濃度控制在設(shè)定值。

1? SCR煙氣脫硝概述

SCR煙氣反硝化系統(tǒng)布置有高灰，SCR反應(yīng)器布置在省煤器與空氣預(yù)處理器之間，其溫度經(jīng)常處在300～500℃，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的催化活性相對(duì)較強(qiáng)，更有利于氨氣與氧氮化合物的REDOX反應(yīng)。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要包括氨噴射格柵，催化劑，SCR反應(yīng)器等。在省煤器的煙道出口中排除煙氣，進(jìn)入SCR反應(yīng)器入口煙道的垂直接頭處，并注入氨氣與之融合，通過(guò)整流器直降，通過(guò)布置脫硝SCR反應(yīng)器的催化劑REDOX反應(yīng)，將煙道中的NOX 氣體轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，達(dá)到煙氣脫硝的目的[9]。

SCR煙氣脫硝以NH3作為還原劑的，其主要化學(xué)反應(yīng)為：

除主反應(yīng)外，SCR脫硝過(guò)程中還會(huì)發(fā)生一些副反應(yīng)：

它是一種具有強(qiáng)粘性和腐蝕性的材料，會(huì)使空氣預(yù)生成器發(fā)生塞堵，并對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)阻礙。所以，必須按時(shí)精準(zhǔn)地調(diào)整氨的注入量，以減少不良反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)的排放，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際應(yīng)用，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)核心控制對(duì)象有兩個(gè)，如下：

（1）保證反硝化效率，并在環(huán)保要求的范圍內(nèi)控制出口煙道氣中NOX的濃度。

（2）保證氨氣的逸出率不超過(guò)限制，以免氨氣噴灑過(guò)多。SCR系統(tǒng)在工作中需要及時(shí)調(diào)整和完善。在保證脫硝效率的基礎(chǔ)上，建立更精準(zhǔn)的SCR氨氣噴射系統(tǒng)

2? SCR煙氣脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能剖析

在實(shí)際運(yùn)行中，SCR氨水量的控制使用前饋反饋PID閉環(huán)控制，如圖1所示。

其中SPN為反應(yīng)器出口煙NOX設(shè)定值，mg/m3。

滯后環(huán)節(jié)DELAY的傳遞函數(shù)為

式中：k為比例系數(shù)，T為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，DT為滯后時(shí)間常數(shù)。

增量型PID調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)為：

式中：Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Kd為微分比例常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);FF（s）為前饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。限幅環(huán)節(jié)LM，輸出限制于-M和+M之間。

串級(jí)PID控制系統(tǒng)可以迅速抵抗系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，并能及時(shí)順應(yīng)單位負(fù)荷的改變，因此被大量使用在受控對(duì)象中。前饋控制作用后控制穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)時(shí)間有顯著變化，可以及時(shí)反映被調(diào)量的變化，從而克服大延遲環(huán)節(jié)的影響。前饋控制能夠防止測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，進(jìn)而使控制系統(tǒng)發(fā)生故障。自適應(yīng)前饋控制能夠減少模型不確定性和參數(shù)變化的要求，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)自身控制參數(shù)的控制方法。

3? 階躍響應(yīng)仿真結(jié)果分析

將上文所述的前饋模型當(dāng)做被控對(duì)象，使用現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行完善。采用MATLAB/Simulink對(duì)優(yōu)化控制系統(tǒng)的噴氨量進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在PID前饋控制的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)前饋控制，在設(shè)置SCR入口NOX濃度為300mg/m3，出口NOX濃度設(shè)定值為50mg/m3，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)具有較好的控制效果，能夠在設(shè)定附近控制出口處的NOX濃度。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文采用SCR系統(tǒng)噴氨自適應(yīng)前饋控制方法，利用階躍響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，在保證達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)避免了過(guò)量噴氨，將出口濃度控制在設(shè)定值。

隨著我國(guó)針對(duì)脫銷(xiāo)系統(tǒng)排放要求的日益嚴(yán)格，SCR煙氣脫硝體系已經(jīng)成為我國(guó)化工系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用的主要脫銷(xiāo)方法與體系。傳統(tǒng)的SCR煙氣脫硝體系普遍存在NH3/NHx氣體分布均勻性控制能力差等問(wèn)題，對(duì)燃煤機(jī)組的安全性具有一定的影響。根據(jù)變量間的非線性關(guān)系將預(yù)測(cè)模型與MKPLS模型相結(jié)合，建立了節(jié)能減排背景下火電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)在效率上提高脫硝率，同時(shí)在環(huán)保上實(shí)現(xiàn)了噴氨量的精確控制。

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