摘要：針對(duì)目前基于釩鈦型催化劑的脫硝技術(shù)存在的局限性，基于NOx預(yù)測(cè)與均衡脫硝的預(yù)測(cè)控制算法，對(duì)脫硝噴氨控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了噴氨控制對(duì)脫硝煙氣來流NOx變化的抗干擾能力，具備精細(xì)化調(diào)整噴氨量的能力，通過噴氨總量的控制優(yōu)化和噴氨分區(qū)的精細(xì)控制，減少SCR出口NOx在時(shí)間上的波動(dòng)和空間上的濃度分布偏差，降低用氨量，延長催化劑使用壽命，提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：噴氨預(yù)測(cè);均衡脫硝;總量優(yōu)化;先進(jìn)控制

1 研究背景

隨著我國環(huán)保要求的日益嚴(yán)格以及執(zhí)法力度的不斷加強(qiáng)，相關(guān)企業(yè)對(duì)燃煤鍋爐NOx進(jìn)行深度脫除控制勢(shì)在必行。目前基于釩鈦型催化劑的脫硝技術(shù)存在以下問題：

（1）鑒于NOx測(cè)量的時(shí)變性和滯后性，傳統(tǒng)PID控制方法總有延遲，容易導(dǎo)致機(jī)組工況大幅變化時(shí)SCR出口NOx波動(dòng)劇烈，運(yùn)行人員為避免由于SCR出口NOx不穩(wěn)定造成環(huán)保考核超標(biāo)，往往采用降低出口NOx濃度控制目標(biāo)值的方式，這樣將導(dǎo)致過量噴氨，不僅增加了氨消耗量，而且使整個(gè)脫硝SCR系統(tǒng)各設(shè)備長期超負(fù)荷運(yùn)行。

（2）由于煙氣濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布不均勻，以單一噴氨調(diào)閥為主的分布式格柵無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化噴氨，局部區(qū)域氨逃逸偏大，硫酸氫氨不僅粘結(jié)在催化劑表面影響脫硝效率，而且容易引起空氣預(yù)熱器腐蝕和堵塞，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)運(yùn)行存在安全隱患，增加耗電量。此外，由于出口NOx濃度不均勻，無法代表整個(gè)反應(yīng)器截面氮氧化物的濃度值，對(duì)脫硝控制產(chǎn)生不利影響。

本文著重研究兩個(gè)問題：一是根據(jù)工況變化精準(zhǔn)預(yù)測(cè)SCR出口NOx濃度;二是實(shí)現(xiàn)分區(qū)域精細(xì)化均衡噴氨控制。

2 技術(shù)路線

2.1? ? 噴氨總量先進(jìn)控制算法

首先建立精準(zhǔn)的入口NOx預(yù)測(cè)模型，在表計(jì)之前預(yù)測(cè)出入口的NOx濃度值。通過入口NOx軟測(cè)量技術(shù)，預(yù)測(cè)入口NOx濃度變化情況，并作為噴氨前的重要參數(shù)參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，解決了入口NOx測(cè)量滯后的問題。此外，通過試驗(yàn)得到不同負(fù)荷下的SCR反應(yīng)器的傳遞函數(shù)，進(jìn)而有針對(duì)性地實(shí)施控制算法模型。該算法能逐步累積測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)工況變化時(shí)的快速判斷調(diào)整，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞、磨損、失效等問題，并及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，最終實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精準(zhǔn)控制。

2.2? ? 高可靠、低維護(hù)量的NOx分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)

超低排放項(xiàng)目投運(yùn)后，出口NOx濃度很低，基于紅外原理的分析儀由于檢出限、測(cè)量精度等問題，根本無法保障測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性。因此，必須采用更先進(jìn)的NOx測(cè)量技術(shù)，才能為噴氨控制提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.3? ? 基于歷史數(shù)據(jù)分析的智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法

智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法不僅考慮了出口NOx的實(shí)時(shí)測(cè)量值，還結(jié)合出口NOx的歷史數(shù)據(jù)，提出了基于噴氨擴(kuò)散模型、催化劑性能場(chǎng)模型的最佳出口NOx均衡控制模型。構(gòu)建噴氨格柵調(diào)門與出口NOx濃度分布的數(shù)值關(guān)系，優(yōu)化服務(wù)器將均衡控制算法得到的控制策略通過以太網(wǎng)通信方式傳輸給DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)發(fā)出各分區(qū)調(diào)節(jié)閥門的開度調(diào)節(jié)指令，從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)平的控制要求。

整體方案示意圖如圖1所示。

3 建立模型和生成控制方案

在SPSS-PSO-SVM混合模型中，SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，以SVM為預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合粒子群優(yōu)化算法尋找最優(yōu)參數(shù)，以獲得較好的預(yù)測(cè)精度。SPSS-PSO-SVM模型由三個(gè)部分組成，分別為：SPSS主成分提取，以消除變量之間的相關(guān)性，同時(shí)去除影響較小的變量，以免造成結(jié)論偏差;粒子群優(yōu)化PSO，獲得最優(yōu)參數(shù)組合，以達(dá)到最優(yōu)的預(yù)測(cè)精度;SVM的Matlab仿真，旨在預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻鍋爐出口的NOx含量，進(jìn)而制定噴氨量。SPSS-PSO-SVM模型如圖2所示。

3.1? ? SPSS主成分分析

設(shè)原始變量矩陣X是由p個(gè)向量組合而成，記為X=（X1，X2，…，Xp），則主成分矩陣Y由下列向量組成，滿足公式Y(jié)i=bi1X1+bi2X2+…+bipXp。

主成分的提取系數(shù)并不能通過SPSS直接得到，但是可得到基于主成分分析的因子載荷矩陣ξ=（ξi1，ξi2，…，ξip），設(shè)提取q個(gè)公因子，提取的因子模型可表示為：

3.4? ? 控制方案生成

經(jīng)過SPSS-PSO-SVM混合模型數(shù)據(jù)篩選和算法尋優(yōu)，該系統(tǒng)逐步累積測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合燃燒器組合、燃料變化時(shí)的快速判斷調(diào)整，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞和磨損失效等問題，不斷完善入口NOx軟測(cè)量技術(shù)，作為前饋參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，最終實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)控制。噴氨總量先進(jìn)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

3.5? ? 均衡控制系統(tǒng)的研發(fā)

因SCR出口測(cè)點(diǎn)布置位置總體與上游現(xiàn)有的噴氨格柵物理位置對(duì)應(yīng)，各個(gè)分區(qū)與相鄰區(qū)域因噴氨流場(chǎng)擴(kuò)散存在一定的交錯(cuò)重疊區(qū)域，則根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)的結(jié)果確定各分區(qū)噴氨格柵開度對(duì)下游各個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)和相鄰測(cè)點(diǎn)的影響因子，實(shí)現(xiàn)分區(qū)SCRMIMO系統(tǒng)調(diào)平時(shí)的控制解耦。根據(jù)一年的歷史數(shù)據(jù)分析催化劑局部損壞、失效等問題的同時(shí)，對(duì)于NOx濃度不隨噴氨流量變化的NOx濃度分區(qū)進(jìn)行失效模式判斷并報(bào)警，要求人工介入分析處理。均衡控制原理如圖4所示。

4 應(yīng)用效果及展望

實(shí)施噴氨總量先進(jìn)控制后，在全負(fù)荷工況下有效降低了出口NOx和總排口NOx的波動(dòng)性，本控制系統(tǒng)通過不同負(fù)荷下建立多模型，增強(qiáng)了對(duì)于低負(fù)荷運(yùn)行情況下SCR出口NOx的適應(yīng)性，能夠有效保證低負(fù)荷下SCR自動(dòng)投入率，實(shí)現(xiàn)了在預(yù)測(cè)控制下的節(jié)能效果。噴氨總量優(yōu)化控制前如圖5所示，噴氨總量優(yōu)化控制后如圖6所示。

根據(jù)江蘇方天電力技術(shù)有限公司現(xiàn)場(chǎng)做的《江蘇國信靖江發(fā)電有限公司#1機(jī)組脫硝系統(tǒng)性能試驗(yàn)報(bào)告》顯示，實(shí)施了本項(xiàng)技術(shù)改造后，#1機(jī)組脫硝相關(guān)參數(shù)（表1）均達(dá)到了預(yù)期效果。

#1機(jī)組在600 MW、500 MW、400 MW、330 MW 4個(gè)負(fù)荷工況下，脫硝系統(tǒng)A側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10.79%、9.5%、7.76%、11.68%，均低于噴氨系統(tǒng)改造前的18.81%;脫硝系統(tǒng)B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為10.55%、9.54%、8.26%、11.89%，均低于噴氨系統(tǒng)改造前的45.36%，脫硝噴氨系統(tǒng)改造后A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度分布比較均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于15%。在4個(gè)負(fù)荷下測(cè)得的氨逃逸量均低于3×10-6，未出現(xiàn)氨逃逸超標(biāo)區(qū)域。脫硝噴氨系統(tǒng)改造后，脫硝系統(tǒng)A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx流場(chǎng)均勻性有較大提高，減少了局部噴氨量過高的現(xiàn)象，從而有效降低了氨逃逸量。

5 結(jié)語

在中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定會(huì)上，與會(huì)專家一致認(rèn)為本文介紹的技術(shù)利用SPSS-PSO-SVM混合方法構(gòu)建了精準(zhǔn)的SCR入口NOx濃度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了出口NOx濃度精準(zhǔn)控制;該技術(shù)研究了分區(qū)噴氨控制閥門與SCR出口NOx濃度均衡性之間的耦合關(guān)系，能在大范圍工況變動(dòng)情況下將SCR出口截面NOx濃度不均勻度控制在12%以內(nèi)，氨逃逸低于3×10-6，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前此技術(shù)已在我集團(tuán)內(nèi)部進(jìn)行推廣，取得了良好的綜合效益。

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收稿日期：2020-03-08

作者簡介：錢勇武（1973—），男，江蘇泰州人，高級(jí)工程師，研究方向：大型燃煤發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)自動(dòng)化管理。