朱威虔

（廈門華夏國際電力發(fā)展有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

隨著國家對危險化學(xué)品的管控越發(fā)重視，消除企業(yè)重大危險源的呼聲也隨之高漲。某火電廠積極響應(yīng)國家能源局通知的相關(guān)要求，于2019 年11 月至2020 年8 月在原液氨制氨氣脫硝的基礎(chǔ)上實施了尿素脫硝改造，改造過程中拆除原有氨站并構(gòu)建新的尿素站。本文以該火電廠尿素脫硝改造為例，結(jié)合現(xiàn)場改造后出現(xiàn)的噴氨自動調(diào)節(jié)品質(zhì)差等問題，構(gòu)建了一套基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統(tǒng)策略。經(jīng)實際運行效果驗證，該控制策略取得了較好的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)效果，機組的控制品質(zhì)得到明顯改善，機組負荷穩(wěn)定、快速變負荷及啟停制粉系統(tǒng)狀況下，將機組脫硝出口的NOx濃度控制在50 mg/m3以下，滿足超凈排放的要求。

1 系統(tǒng)概況

某火電廠完成尿素脫硝改造后的尿素脫硝系統(tǒng)主要由尿素卸載、尿素溶液儲存系統(tǒng)、水解系統(tǒng)、SCR 反應(yīng)系統(tǒng)、組成。尿素站環(huán)節(jié)（尿素卸載、尿素溶液儲存系統(tǒng)、水解系統(tǒng)）：

尿素溶液經(jīng)由尿素溶液輸送泵、計量與分配裝置等進入水解反應(yīng)器，共A、B、C 三臺水解器，正常情況下兩用一備。進入到水解反應(yīng)器內(nèi)的尿素溶液濃度可達到50%，其氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6 MPa。再利用蒸汽對水解反應(yīng)器加熱，保持溫度在130～160 ℃，尿素溶液受熱發(fā)生水解產(chǎn)生氨氣。

水解生成的氨氣體通過帶伴熱的管道恒溫送到各機組的脫硝區(qū)，至鍋爐分為A、B 兩側(cè)，經(jīng)過噴氨調(diào)節(jié)閥對噴氨量進行控制后與加熱過的稀釋風(fēng)在氨氣—空氣混合器處充分稀釋，最后得到氨氣濃度小于5%的混合氣。混合氣進入氨氣—煙氣混合系統(tǒng)，經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)噴入煙氣，與煙氣中的NOx進行反應(yīng)，從而參與控制出口煙囪NOx含量。

2 存在的問題

（1）采用尿素水解制氨脫硝工藝之后，新的脫硝介質(zhì)和尿素成品氣中含有氨、二氧化碳、水分等組分，純度不及液氨，還存在氣液兩相、易結(jié)晶的問題，所測得流量無法保證其穩(wěn)定性，也不利于脫硝流量自動調(diào)節(jié)投入的可靠性。

（2）在改變工況或脫硝自動調(diào)節(jié)退出時，出口氨逃逸率經(jīng)常出現(xiàn)超標現(xiàn)象，這嚴重影響到脫硝系統(tǒng)的正常運行。

（3）改造前，裝置的自動控制方式采用固定摩爾比的策略，以及以控制噴氨流量為主體原則的固定調(diào)節(jié)參數(shù)串級控制策略，無法滿足現(xiàn)有尿素脫硝系統(tǒng)復(fù)雜條件、機組變負荷工況下的噴氨自動調(diào)節(jié)要求。

3 設(shè)計思路

針對上述問題，設(shè)計了一種基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統(tǒng)。不同于常規(guī)的脫硝自動控控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以兩個獨立的、互為冗余的控制策略子系統(tǒng)模塊為核心，一個基于流量調(diào)節(jié)控制策略、另一個基于出口NOx自適應(yīng)控制策略，同時實時采集多個過程參數(shù)參與調(diào)節(jié)計算，這樣可以根據(jù)工況需求實現(xiàn)兩種策略之間的無擾切換，實現(xiàn)全過程自動調(diào)節(jié)，大大提高系統(tǒng)的安全可靠性。

3.1 基于流量調(diào)節(jié)控制策略子系統(tǒng)

該策略子系統(tǒng)控制主體為前饋串級控制，控制的主參數(shù)為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數(shù)為氨氣流量，前饋量為根據(jù)進口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID 出口用于生成噴氨流量設(shè)定值，副回路PID 出口用于控制調(diào)門開度。同時結(jié)合尿素改造后成品氣通流非線性的情況、脫硝反應(yīng)效率降低等實際因素，對該策略的參數(shù)進行大量優(yōu)化，并針對新的脫硝特性設(shè)計了兩處邏輯框架，以進一步提升流量調(diào)節(jié)策略的工況適應(yīng)性。

（1）擬合實際高、中、低、超低負荷等不同工況下的前饋需求，在單側(cè)入口NOx值前饋量上增加了非線性折線函數(shù)。

（2）設(shè)置多段負荷函數(shù)、入口NOx函數(shù)，結(jié)合機組氧量進行調(diào)節(jié)范圍的動態(tài)調(diào)整。

3.2 基于出口NOx 自適應(yīng)控制策略子系統(tǒng)

針對尿素成品氣噴氨流量計測量準確性和穩(wěn)定性差的問題，專門設(shè)計了不以噴氨流量主調(diào)量，而主要基于對出口NOx的提前變化趨勢的研判與決策為主導(dǎo)的多參量冗余調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由兩個模塊構(gòu)成，一個是變負荷NOx前饋調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)模塊，另一個是自適應(yīng)調(diào)節(jié)主模塊（圖1）。其中，SAMA 為美國科學(xué)儀器制造協(xié)會的簡稱。

圖1 基于出口NOx 調(diào)節(jié)自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊SAMA 圖

3.2.1 前饋調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)模塊設(shè)計

負荷變化協(xié)同總風(fēng)量變化可以快速反映出煙氣的實際通流情況，從而提前響應(yīng)入口NOx的變化。同時，加入慣性與微分環(huán)節(jié)，可以在減少數(shù)據(jù)突影響的同時縮短前饋響應(yīng)時間，起到提前干預(yù)的作用。

3.2.2 自適應(yīng)調(diào)節(jié)主模塊設(shè)計

3.2.2.1 抗超調(diào)功能

基于出口NOx調(diào)節(jié)存在的長時滯后性極易造成調(diào)節(jié)發(fā)散，單純的前饋判斷不足以消除滯后帶來的影響，須選取相關(guān)度高、響應(yīng)速度快、數(shù)值明確的參數(shù)對閥門調(diào)節(jié)加以限制干預(yù)。通過對大量數(shù)據(jù)進行分析、篩選，在模塊1 中選取氨逃逸量（其在一定程度上體現(xiàn)了脫硝反應(yīng)是否完全，可以較早地判斷所噴入成品氣是否過多）、出口NOx變化率（其變化情況可以較早地判斷出口NOx變化趨勢是否出現(xiàn)拐點，而拐點能反映成品氣投入是否過多或不足）作為閥門禁增減條件，提前干預(yù)滯后的調(diào)節(jié)，加強調(diào)節(jié)的趨穩(wěn)性。同時為了進一步減少超調(diào)的可能，通過實際工況數(shù)據(jù)曲線的匹配調(diào)查，根據(jù)負荷、入口NOx等參數(shù)在模塊3 中生成閥門調(diào)節(jié)區(qū)間函數(shù)，將調(diào)節(jié)約束在更為合理的范圍內(nèi)。

3.2.2.2 變工況適應(yīng)功能

在穩(wěn)態(tài)工況下，若調(diào)節(jié)跟蹤過于靈敏，參數(shù)稍有變化便會發(fā)生重復(fù)調(diào)節(jié)，使得調(diào)節(jié)失穩(wěn)；而在升降負荷等變工況下，若調(diào)節(jié)跟蹤過于遲鈍，不能及時響應(yīng)參數(shù)變化，則會造成出口NOx超標。為了解決這一難題，在模塊2 中設(shè)計工況穩(wěn)態(tài)、動態(tài)變化判斷環(huán)節(jié)，依此作為調(diào)節(jié)緩沖投退選擇條件：當(dāng)工況達到穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)減緩，防止調(diào)節(jié)失穩(wěn)；當(dāng)工況變化時調(diào)節(jié)實時跟進，避免出口NOx超標現(xiàn)象。

3.2.2.3 抗積分飽和功能

在原PID 計算過程中，會發(fā)生因積分飽和而導(dǎo)致調(diào)節(jié)失控的問題，因此根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、經(jīng)驗調(diào)查分析后，在模塊3 中以入口NOx為跟蹤量建立適應(yīng)F（x）函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)動態(tài)積分，以適應(yīng)不同況下的PID 計算。同時設(shè)置積分弱化環(huán)節(jié)，當(dāng)出口NOx高出設(shè)定值6 mg/m3且在快速下降（下降速率＞7 mL/min）時，切除積分作用，待出口NOx低于設(shè)定值6 mg/m3時恢復(fù)積分作用，防止積分飽和。

通過3 個模塊與PID 調(diào)節(jié)的配合，提前預(yù)判出口NOx的變化趨勢，有效抑制PID 調(diào)節(jié)的超調(diào)與積分飽和，較好地克服了出口NOx的響應(yīng)大慣性、滯后與非線性調(diào)節(jié)的問題，實現(xiàn)了工況穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)與變負荷工況的快速響應(yīng)與調(diào)節(jié)的有機結(jié)合。

4 效果驗證

通過對比流量調(diào)節(jié)曲線和運行人員手動調(diào)節(jié)曲線可知，采用該基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統(tǒng)后，機組尿素成品氣脫硝取得了較好的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)效果，產(chǎn)品質(zhì)量控制也得到明顯改善，在變負荷工況、入口NOx變化較大的情況下，出口NOx保持較為平穩(wěn)，氨逃逸率也未出現(xiàn)大幅變化，為爐后的煙道安全運行、防止堵塞奠定了基礎(chǔ)。

該控制策略適用于水解工藝的尿素成品氣脫硝自動調(diào)節(jié)，兩個互為冗余的控制策略子系統(tǒng)互為補充。其中，在噴氨流量計出現(xiàn)故障或進行檢查維護時，基于出口NOx控制策略子系統(tǒng)可以做為以流量調(diào)節(jié)為主的控制策略的重要補充，實現(xiàn)脫硝自動的無擾切換，確保脫硝自動全周期安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

本文通過對某電廠新構(gòu)建的基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統(tǒng)策略的設(shè)計背景與實際應(yīng)用的介紹，說明了該策略控制方式創(chuàng)新性與靈活性，能夠滿足該公司機組各種工況尿素脫硝的要求，確保了機組脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保證了脫硝煙氣符合國家超凈排放標準。同時在當(dāng)前火電廠主流脫硝自動控制系統(tǒng)，通過引用成熟開放式外掛先進過程控制運行優(yōu)化系統(tǒng)（Advanced Process Control，APC），對脫硝系統(tǒng)進行在線優(yōu)化。該策略冗余控制系統(tǒng)策略的實施，可以節(jié)省大筆的系統(tǒng)改造與優(yōu)化調(diào)試費用。當(dāng)然，目前越來越多的新的、基于智能算法的尿素脫硝自動控制策略得到應(yīng)用，也取得了不錯的控制效果，如何實現(xiàn)精細噴氨、不斷降低尿素原料與成品氣制氨的成本將成為今后策略優(yōu)化的主要方向。