燃煤电厂脱硝NOx的软测量技术和自动控制优化

陈荣超

(浙江浙能镇海发电有限责任公司,浙江宁波315208)

燃煤电厂脱硝NOx的软测量技术和自动控制优化

陈荣超

(浙江浙能镇海发电有限责任公司,浙江宁波315208)

为了解决脱硝NOx测量不准和控制不稳定的问题，简要介绍了SCR脱硝法的基本原理和工艺，分析了当前脱硝NOx测量技术和脱硝自动控制的特点，接着重点提出了一种基于锅炉燃烧模型的脱硝NOx软测量技术，以及基于NOx软测量技术的脱硝自动控制优化方法，通过在某台机组上的实际应用表明，该方法可行且有效。

NOx；软测量；多变量；优化

0 引言

根据《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)，自2014年7月1日起，燃煤锅炉烟尘排放中NOx限值在重点地区为100 mg/Nm3。燃煤火电厂通过脱硝技术改造后的机组，要实现稳定的小于100 mg/Nm3的NOx排放目标，同时又要保证脱硝工艺的效率满足环保考核要求，防止氨气过量。在排放和效率达标的前提下少喷氨，减少经济投入，同时防止进入大气中形成对大气的氨污染以及对空预器通道的堵塞影响，需要一套完善的脱硝NOx测量技术和自动控制系统。

1 SCR法脱硝工艺简述

SCR烟气脱硝法是火电机组控制氮氧化物排放最可靠的手段[1]。SCR法脱硝是将液氨蒸发器后一定浓度的氨通过喷氨格栅喷入锅炉省煤器后的烟气中，混合后的烟气通过SCR反应器，在反应器中的催化剂作用下，NH3与NOx发生化学反应，将烟气中的NOx转化为氮气和水，从而除掉氮氧化物的方法。脱硝SCR法装置中，一般配置有两个独立的SCR反应器、两套喷氨格栅、两套声波吹扫装置、两台稀释风机(一用一备，两侧公用)、两个氨/空气混合器、两套氨蒸气供应管路、两套稀释空气供应管路及配套的阀门、管道、仪控测量设备等。

2 优化前的脱硝NOx测量和自动控制方法

一般的脱硝控制系统首先测量出实际的烟气量、烟气入口和出口的NOx含量等，接着再结合预先设定的脱硝效率计算出需要的喷氨量，计算出的喷氨量与实际氨流量进行比较后作为喷氨调节阀的控制指令，以合理的阀门开度维持合适的氨流量。

2.1 优化前的脱硝NOx测量

烟气入口和出口NOx的检测是脱硝控制系统构成的关键部分。NOx是通过精密分析仪使用红外线光学法来测定浓度的，由于分析仪对安装环境(包括振动、温度、湿度)等的要求，不能直接安装在锅炉烟道上，而是通常采用数十米长的采样管将样气引导到CEMS小室再进行分析，图1是NOx分析仪的测量过程示意图。图1中D指的是就地采样探头到分析仪控制柜的采样管路的长度，通常在30～40 m之间。分析仪的烟气流量在60～80 ml/h，根据采样管的直径来计算，从烟气样气的抽取，到分析仪分析出数据，再根据数据计算出喷氨阀的控制指令，一般需要40～60 s的时间。而流速在15 m/s左右的烟气从经过入口NOx到出口NOx不到3 s的时间，显然出口NOx得出的数据不能实际验证根据入口NOx数据计算出的自动喷氨需求量，尤其是机组的负荷或燃烧工况随时变动、入口NOx数据波动的情况下更加难以控制。因此直接用分析仪得到的烟气出、人口NOx进行控制难以实现系统的稳态控制。

图1 NOx分析仪测量过程图

2.2 优化前的脱硝自动控制方法

图2 基本控制逻辑图

脱硝控制是一个典型的大延迟时间过程，目前的脱硝自动控制策略是基于脱硝效率设置的。该控制策略根据原烟气入口NOx情况，由运行人员设置一个合适的脱硝效率，系统根据此效率计算出当前烟气流量所需的氨量，从而实现脱硝的自动控制，如图2。从控制逻辑中可以看出，从烟气量和入口NOx计算出的氨的需求作为前馈量，在锅炉负荷不变及燃烧稳定的情况下能有较好的控制效果，但没有解决延迟时间问题。在锅炉负荷变化或燃烧调整时，会导致喷氨量的过量或不足。另外，此策略使用PID实现闭环控制，在使用中变量较单一，只能适应锅炉负荷不变，烟气量稳定的工况。

3 脱硝NOx软测量和自动控制优化

为消除锅炉负荷或燃烧波动时对脱硝控制系统的扰动，在基本控制逻辑中增加了锅炉负荷变化的微分值，同时，将排粉机和上层给粉机等对锅炉烟气氧量变化影响较大的设备的启停信号引入控制系统。在进行上述的优化后，脱硝控制系统仍然不能达到预期的完全控制，在实际运行中，运行人员需要频繁撤出脱硝自动，进行手动干预。

有技术人员通过在出口NOx浓度控制策略的基础上使用粒子群算法对该系统进行优化[2]，能有效抑制内扰，但不能克服锅炉燃烧不稳定带来的扰动，且算法过于复杂。通过软测量技术进行NOx的预测能很好解决该系统测量滞后大的问题，再通过引进多变量参数，用于自动控制系统的性能优化，从而使得脱硝NOx自动控制系统稳定、适应各种变负荷工况。

3.1 脱硝NOx的软测量方法

软测量技术是一门新兴的工业应用技术，软测量的核心问题是对象模型的建立。有技术人员根据软测量技术准确测定出入炉煤质[3]，文献[4]进行了基于支持向量机的NOx测量模型研究;文献[5]还利用RBF神经网络建立了NOx的预测模型，都取得了一些效果。在熟悉工艺流程的基础上，软测量通过监测一些容易且没有时滞的辅助变量，然后再通过某种数学关系进行估计、计算来得出需要的主变量。烟气入口NOx与锅炉中输入的燃料量、风量以及各种燃烧工况有很强的因果关系，影响NOx生成的锅炉燃烧过程也是相对较为清楚的工艺过程，因此通过分析锅炉燃烧中热量平衡和物料平衡来建立NOx的测量模型是一种更为简便、易于实现的软测量方法。

NOx软测量技术使用锅炉燃料模型计算的方式，寻找出NOx变化的预估值，从锅炉的各种输入量中得出烟气入口NOx量的模型，从而能提前并准确得计算出入口NOx，克服NOx测量仪表取样测量反应迟缓问题。同时又用NOx测量的结果对软测量进行长期修正拟合，使得软测量结果用硬测量结果进行印证和修正，递归出一个较准确和及时的软测量结果。经理论分析和实际测量统计显示，锅炉出口NOx含量首先与锅炉内燃烧过程中的过剩空气系数有密切关系，过剩空气系数增加时NOx含量增加，过剩空气系数减少时NOx相应减少；其次，与锅炉内燃尽风占总风量的比例也有密切关系，在一定比例范围下燃尽风占总风量的比例增加时锅炉出口NOx减少，燃尽风占总风量的比例减少时锅炉出口NOx增加。由于这两个因素的存在，可以拟合出如式(1)的一个函数：

F(x)=G(Q2)+G(Ksofa)

(1)

式中：G(O2)是锅炉燃烧结束后氧量与NOx相关的函数，函数是通过历史数据统计拟合得来的一个非线性函数,G(Ksofa)是锅炉燃尽风与NOx相关的函数。由于测点布置和锅炉结构的关系，需要根据锅炉负荷风量变化加入50～90 s的数据延时，从而使之适应脱硝入口的工艺时序要求。图3是软测量的具体算法组态。

图3 脱硝NOx软测量算法组态

3.2 脱硝自动控制优化

软测量得到数据是通过大量的实测数据间接得到的，实测数据的误差会导致软测量结果的误差。要缩小甚至消除NOx软测量结果与实际的NOx数据的偏差，必须使用脱硝原烟气NOx的长期统计值对之进行递归修正，需要用实际NOx测量数据来对软测量结果进行实时校正。图4是NOx校正算法组态。

图4 脱硝NOx校正算法组态

脱硝系统自动调节过程中，调节氨气流量时，会同时影响到脱硝效率和净烟气NOx含量两个参数，这两个参数都只要在一个合理的范围内就行，在这个范围内并不要求必须控制在某个具体值。对于一个具体运行中的脱硝系统，存在一个合理的脱硝效率区间和一个合理的净烟气NOx含量参数区间。对于脱硝效率，应该是不低于70%以满足环保指标要求，高限则是不可在净烟气中有过量的逃逸氨气为原则。而对于烟气出口NOx含量，高限应该是不超过环保排放要求的100 mg/ Nm3，而低限则是不应该在净烟气中测量到逃逸氨气。因此，优化后的脱硝自动控制系统可以通过设置一个函数区间来作为控到目标值。

优化后的脱硝自动控制系统将设置氨逃逸量、脱硝率>70%和净烟气出口NOx含量<100 mg/Nm3等三个限制条件，以有效减少净烟气氨逃逸，控制策略框图如图5。如图5所示，烟气流量测量值需进行温度压力等修正，脱硝率则经过净烟气折算值和逃逸量修正及限制后，再送入氨需求计算回路，计算出理论需求氨气量，再用氨气实际流量进行浓度修正，这样可以克服流量测量的漂移。整个回路以理论计算为依据，并通过实测值进行折算修正，使得此算法能适应现场阀门设备特性的变化。

图5 多变量控制算法框图

3.3 优化前后的效果比较

控制策略修改后，经过投入6号机组脱硝自动的实际使用及优化前后的趋势对比，证明了基于软测量及多变量技术的脱硝自动优化是有效的。图6、图7分别是该机组甲侧脱硝自动优化前、后24 h的各主要参数的变化趋势图。图6为甲侧出口NOx数据在负荷稳定时振荡，在负荷变动时的排放时常超过100 mg/ Nm3;图7是优化后的甲侧趋势图。显然，出口NOx数据在负荷稳定时无振荡，负荷变动时排放能控制在60～80 mg/ Nm3之间。

图6 优化前主要参数的24 h变化趋势

图7 优化后主要参数的24 h变化趋势

4 结论

优化后的控制趋势，可以看出，采用软测量和多变量技术的脱硝控制优化达到了预期目标。优化控制结果稳定，无振荡，适应各种工况变化无需运行人员的手动干预。经过脱硝自动优化后，提高了净烟气出口NOx的合格率并减少了波动，将NOx排放控制在合理值上。另外，在优化控制下，消除了出现不合理的超低出口NOx现象，避免大量的氨逃逸问题，减少对烟气后级设备的影响和对空气的氨污染。

[1]张志强,宋国升，陈崇明，等.某电厂600 MW机组SCR脱硝过程氨逃逸原因分析[J].电力建设, 2012, 33(6): 67-70.

[2]王瑾,董泽. 基于粒子群优化的选择性催化还原脱硝控制系统仿真[J].电力科学与工程, 2014, 30(3): 25-28.

[3]苏保光,田亮，王琪，等.一种在线煤质软测量方法[J].电力科学与工程, 2011, 27(7): 32-36.

[4]王雅彬，李晓敏，边泽楠，等.基于支持向量机的电站锅炉NOx排放软测量模型[J]. 电力科学与工程, 2012, 28(4): 55-59.

[5]李勤道.基于炉内参数的燃烧系统优化运行理论与技术的研究[D].保定:华北电力大学博士论文,2013:51-52.

NOxSoft-sensing Techniques and Denitration Auto-controlOptimization of Coal-fired Power Plant

Chen Rongchao

(Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Co.,Ltd.,Ningbo 315208,China)

To cope with the instability of NOxmeasurement and control,the basic principle of SCR denitration method and process is introduced in this paper. Then the advantages and disadvantages of basic denitration auto control are analyzed. Finally, NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control of SCR denitration have expounded. The application shows that NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control are effective and feasible.

NOx; soft-sensing; auto-control; optimization

2014-06-23。

陈荣超(1972-)，男，高级工程师，从事电厂热工专业DCS、DEH、PLC系统和设备的技术管理、维护工作,E-mail:crczj@163.com。

TK323

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.004