陳洪建

（建投承德熱電有限責任公司，河北 承德 067500）

引言

為了解決環(huán)境問題，我國政府頒布了一系列環(huán)境保護標準，要求重點地區(qū)燃煤電廠氮氧化物排放量由100mg/m3 降至50mg/m3 以下。為了達到環(huán)境排放標準，燃煤電廠一般都配備了脫硝系統(tǒng)，甚至要求更高效地脫硝系統(tǒng)。電廠在安裝脫硝系統(tǒng)后，可能會出現(xiàn)引風機電流增大、空氣預熱器堵塞、腐蝕、阻力增大、氨逃逸超標、脫硝催化劑壽命縮短等問題。這些問題一方面污染了環(huán)境、降低了經濟效益，增加了能源消耗，另一方面也威脅著設備的運行安全。因此，對脫硝系統(tǒng)進行優(yōu)化具有重要意義。

一、先進的SCR 脫硝控制系統(tǒng)

通過對常見的均衡控制和總量控制的現(xiàn)有技術的研究，分析對比優(yōu)缺點，市面上出現(xiàn)了噴氨預測及均衡脫硝SCR-NH3 優(yōu)化控制的技術路線：能采用更加快速準確的測量手段，結合預測控制算法，大幅度減少出口NOx的波動。在滿足環(huán)保要求的情況下，盡可能地去提高出口NOx 平均值，減少系統(tǒng)噴氨量，降低氨逃逸水平，從而降低脫硝成本。

一是對脫硝噴尿素控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高噴尿素控制對脫硝煙氣來流NOx 變化的抗干擾能力，具備精細化調整噴尿素量的能力；二是采用基于稀釋法采樣、化學發(fā)光法分析的NOx 分區(qū)精確測量技術，提高測量的準確性，為脫硝裝置整體優(yōu)化創(chuàng)造條件；三是利用新型的分區(qū)測量技術，與先進的控制算法相結合，進行噴氨的分區(qū)控制。

通過對尿素總量的控制優(yōu)化和噴氨分區(qū)的精細控制，從而減少SCR 出口NOx 在空間上的濃度和時間上的波動分布偏差，最終避免過量噴尿素，降低尿素用量，提高催化劑的使用壽命，從而降低氨逃逸，降低空預器ABS 堵塞引起的阻力上升，提高機組負荷接待能力，降低鍋爐風煙系統(tǒng)耗電率；減少空預器檢修維護成本；降低引風機阻力和電耗；提高機組運行的安全可靠性。主要包括：基于入口NOx 預測模型的智能前饋算法和超馳算法的噴尿素總量優(yōu)化控制系統(tǒng)和基于NOx 分區(qū)精確同步測量系統(tǒng)及歷史數(shù)據分析算法的智能噴氨格柵均衡控制系統(tǒng)。

（一）系統(tǒng)總體方案

總體實現(xiàn)方案共分為三大部分：先進的測量系統(tǒng)、先進的控制系統(tǒng)及噴氨格柵支管段自動化改造。測量數(shù)據直接上傳到優(yōu)化服務器，根據本項目對控制系統(tǒng)的要求，需對原有脫硝噴氨控制系統(tǒng)進行增加外掛服務器的優(yōu)化改造，現(xiàn)場分區(qū)NOx 測點樣氣進入分區(qū)測量控制機柜后，進行煙氣分析處理再將測量數(shù)據通訊送入服務器；總量控制參數(shù)由DCS 通訊至優(yōu)化控制服務器，通過總量控制算法得出優(yōu)化指令后經由DCS 傳入現(xiàn)場尿素調節(jié)閥。將若干個分區(qū)閥門的指令和反饋信號通過4-20mA 電流形式硬接線接入DCS 卡件。外掛服務器內置均衡控制算法得出各分區(qū)閥門優(yōu)化指令再通訊至DCS，送入現(xiàn)場各個調閥。

（二）總量控制介紹

尿素總量預測控制算法即通過入口NOx 軟測量技術，進一步預測入口NOx 濃度的變化情況，并作為噴尿素前饋的關鍵參數(shù)，參與到噴尿素總量的閉環(huán)控制中，解決脫硝入口NOx 測量的滯后問題。另外，通過反復試驗得到不同負荷下的SCR 反應器的傳遞函數(shù)，可以有針對性的完善控制算法模型。

1.進口NOx 智能前饋部分。該部分根據鍋爐的運行狀態(tài)及參數(shù)，采用智能算法對脫硝系統(tǒng)進口NOx 值排放進行預測，根據該預測值與脫硝氮的最佳配比，計算出此時所需氨量，并以此值作為前饋，快速實現(xiàn)對NOx 變化的影響。

2.總尿素量控制器的主要作用是讓噴尿素閥規(guī)律性更強，克服尿素流量的對內擾動，選擇PID 控制器。

3.出口Nox 排放的閉環(huán)控制部分。該部分采用預測模型控制算法等先進控制算法，實現(xiàn)了出口氮氧化物濃度的精確控制。

控制原理介紹：

總量控制原理構架為帶前饋的串級PID 控制系統(tǒng)，前饋主要包括：預測前饋：主要是通過預測算法提前預知入口NOX 的濃度值，計算理論噴尿素量；修正前饋：在機組大負荷變動時提前修正尿素噴射量。

尿素噴射的預測控制算法是利用入口NOx 軟測量技術預測進氣道氮氧化物濃度的變化，作為尿素噴射前饋的一個重要參數(shù)，參與尿素噴射的閉環(huán)控制，解決了進氣道氮氧化物測量的延遲問題。另一方面，通過實驗得到了不同負荷下SCR 反應器的傳遞函數(shù)，從而有針對性地實現(xiàn)了控制算法模型。尿素噴射主回路的預測控制是一種非常有效的大時滯控制策略，可以預測未來氮氧化物濃度的變化，提前調節(jié)尿素調節(jié)閥的開度，有效地抑制氮氧化物濃度的變化。根據反饋出口NOx 濃度變化情況，對噴尿素逐步調整，并根據積累測試得到的數(shù)據，自動學習，逐步達到與燃燒器、燃料變化及反應器狀態(tài)等變化相適應。

（三）分區(qū)均衡控制系統(tǒng)介紹

原控制系統(tǒng)以單一的尿素閥控制為主，無法針對流場特性進行精細化噴氨，因此脫硝系統(tǒng)優(yōu)化首要完成的任務是對原脫硝系統(tǒng)進行流場分區(qū)優(yōu)化。改造思路為對原煙道進行合理分區(qū)，通過在合適位置布置分區(qū)導流板或混合器，提高噴氨格柵前流場均勻性結合。

在脫硝噴氨格柵入口位置對原噴氨支管進行改造，新增12個分區(qū)調門。脫硝反應器出口新增一套分區(qū)同步測量系統(tǒng)，共12 個NOx 濃度測點，采用輪測技術，每個點測量時間17S，分區(qū)NOx 同步測量系統(tǒng)通過MODBUS485與DCS 實現(xiàn)數(shù)據通訊。由于SCR 出口測點的布置位置一般與現(xiàn)有上游噴氨網的物理位置相對應，因此在調試分區(qū)控制邏輯時，由于各個分區(qū)與相鄰區(qū)域因噴氨流場的擴散存在一定的重疊區(qū)域，在分區(qū)控制邏輯調試時，根據動態(tài)調試試驗結果確定各分區(qū)噴氨格柵開度對下游相應測點及鄰近測點的影響因素，實現(xiàn)SCRMIMO 系統(tǒng)調平控制。優(yōu)化服務器將均衡控制算法得到的控制策略通過MODBUSRTU 通訊方式傳輸給DCS，由DCS 系統(tǒng)發(fā)出各分區(qū)調節(jié)閥門的開度調節(jié)指令。

噴氨分區(qū)閥門經由優(yōu)化服務器均衡控制算法得出各分區(qū)閥門優(yōu)化指令經由DCS 判斷后，通過硬接線的方式送入現(xiàn)場12 個調閥；NOx 偏差控制參數(shù)由優(yōu)化控制服務器通過優(yōu)化算法得出，噴氨格柵入口調節(jié)閥優(yōu)化指令經由DCS控制輸出。針對催化劑層的局部失效、局部損壞、局部泄漏、局部積灰、催化劑層局部塌陷等異常問題，根據上游噴氨格柵開度的變化情況和出口氮氧化物分區(qū)測量儀的歷史數(shù)據進行判斷，判斷長期處于高水平且不隨分區(qū)噴氨流量的增加而改變的氮氧化物濃度區(qū)域的失效模式，出現(xiàn)失效分區(qū)時邏輯進行失效標記并出現(xiàn)失效報警，同時在人工手動復位失效狀態(tài)前，暫時將該分區(qū)對應的噴氨格柵置于臨近分區(qū)調節(jié)閥的綜合權重處理閥位。

（四）均衡控制與總量控制關系

1.兩者被控目標不同，控制手段不同，調節(jié)量不同，故不存在控制關系上的沖突，不會引起系統(tǒng)波動，原理性上不會破壞SCR 系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性；

2.總量控制能夠降低SCR 出口NOx 時間上的波動性，更有利于分區(qū)調節(jié)的調平效果；

3.分區(qū)調節(jié)能夠降低出口NOx 在空間上的不均勻性，使得SCR 出口CEMS 儀表的取樣更具有代表性，使得脫硝出口和脫硫出口測點數(shù)據更加接近，總量控制采用脫硝CEMS 作為調節(jié)量，可以更精確地控制鍋爐總出口環(huán)保數(shù)據；

4.兩者相輔相成，共同作用。

二、DCS 組態(tài)更改及畫面調整

優(yōu)化系統(tǒng)采用外掛的方式接入DCS，因此需要修改DCS 部分組態(tài)留出優(yōu)化控制接口。其次由于新增分區(qū)均衡控制系統(tǒng)，需要于DCS 新增分區(qū)控制邏輯及畫面。

（一）通訊判斷

新增通訊正常判斷邏輯，根據握手信號判斷服務器通訊狀態(tài)。具體為由服務器持續(xù)發(fā)出數(shù)字量0、1 跳變的握手信號進入DCS，若某時刻30s 內DCS 接收握手信號值不變，則判斷為通訊中斷，反之為通訊正常。

（二）分區(qū)閥門邏輯

手動狀態(tài)、PID 自動、服務器自動三個狀態(tài)互相切換均為無擾切換。手動、PID、服務器自動為非正常情況下控制邏輯優(yōu)先級。

（三）尿素閥接口邏輯

單槍尿素理論量為，“實際尿素量計算值”減去處于手動的尿素閥的“尿素流量值”之后除以投入尿素自動的噴槍個數(shù)。“實際尿素量計算值”由入口實測，負荷及出口NOx 實測等機組脫硝各運行參數(shù)共同計算得出。

（四）畫面修改

通訊中斷及其他切除優(yōu)化條件任一滿足時，則無法投入優(yōu)化，若切除優(yōu)化條件滿足且正處于優(yōu)化狀態(tài)，優(yōu)化自動切除，且當切除優(yōu)化條件恢復時，不會自動返回優(yōu)化投入狀態(tài)，需操作員和熱工人員溝通確認故障排除后手動投入。

由于預測控制的目標函數(shù)包含噴氨量的變化，避免了在調整噴氨量過程中噴氨量的重復變化，SCR 出口氮氧化物濃度可以跟蹤設定值，避免了閥門頻繁調整造成定位器損壞和調門閥芯沖洗。傳統(tǒng)的PID 控制方法僅利用SCR 出口氮氧化物濃度進行反饋控制，難以解決SCR 系統(tǒng)在工況波動情況下的非線性和大慣性問題。為了避免過量噴氨，傳統(tǒng)的PID 控制通常將氨氮摩爾比設置為0.8，導致氨氮注入不足，SCR 系統(tǒng)脫硝效率低。采用優(yōu)化控制后，對氨量進行了精確控制，提高了SCR 系統(tǒng)的脫硝效率，避免了過量噴氨，實現(xiàn)了對噴氨量的精確控制。

結語

煙氣出口的NOx 分區(qū)測量與不同區(qū)域調門的權重控制技術，在先進控制算法的基礎上進行總噴氨的控制優(yōu)化與噴氨的分區(qū)控制。實現(xiàn)了噴氨量的精確控制，避免了過量噴氨帶來的運行經濟性壓力，提高了脫硝控制水平，為進一步深度脫除打下堅實基礎。對煙氣導流板進行全面檢查和調整，以使脫硝反應器A、B 側入口流場左右分布均勻分布。無論是低負荷還是高負荷，實測脫硝的A 側和B 側反應器的脫硝率都在80%以上，而且實測各負荷情況下氨逃逸濃度均在0.3ppm 以下。在85%負荷下對脫硝系統(tǒng)進行噴氨格柵的優(yōu)化和調平，使A、B 兩側反應器出口NOx 濃度內外側偏差都下降50%。在50%低負荷下對脫硝系統(tǒng)進行噴氨格柵的優(yōu)化和鍋爐燃燒器噴口流速調整，降低了A、B 側反應器出口NOx 濃度左右偏差。