一种新型的燃煤机组SCR自动控制策略

郭有福

【摘 要】目前环保对大气污染物氮氧化物排放浓度的要求越来越严格，很多燃煤机组设计时或者通过改造具备烟气脱硝装置。由于选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝技术成熟，一次投资相对较低等诸多优点，得到了越来越多的火电厂选择应用。由于脱硝控制回路本身以及CEMS分析仪表的惯性较大，采用固定摩尔比或PID控制策略，很难满足SCR烟气脱硝控制要求。经常出现脱硝出口氮氧化物浓度大范围波动，在出口浓度很低时，仍会部分喷射入烟道内的氨气不能完全反应而逃逸。氨逃逸量的增加一定程度上造成空预器堵塞。本文介绍了一种基于偏差的模糊控制策略，一定程度上能使NOx排放浓度长期在比较稳定的范围内。

【关键词】SCR；模糊控制；喷氨自动

引言

化石燃料（煤、石油和天然气）燃烧过程中NOx的生成有三种机理：含氮燃料的氧化（燃料型NOx）；空气中的氮在高温下与氧化合（热力型NOx）；燃料自由基与氮气反应生成HCN中间体进而氧化生成（快速型NOx）。由于快速型NOx为燃料的特性，控制难度较大，其他两种一般可以用低氮燃烧器改造等方式得到一定的控制，仍需要采用烟气脱硝技术对脱硝出口NOx进行控制。烟气脱硝技术一般采用SCR和SNCR两种方式。由于SCR法技术成熟，而被广泛的采用。SCR法脱硝就是在烟气中直接喷入氨气，在高温中氨气与NOx反应，形成氮气和水。在烟道喷入氨气后，脱硝出口NOx浓度由于烟气系统以及CEMS分析仪表的惯性大，脱硝出口NOx不会立即降低，若此时再喷入大量氨气，势必会造成氨气的逃逸。氨逃逸量不会对效率有直接影响，但是氨气逃逸量增加会对设备造成影响：NH3 与烟气中SO2，O2，H2O形成（NH4）2SO4，能以固体粉末附着在SCR 催化剂上，也能以液体状态附着在空气预热器上造成腐蚀。同时，喷入过量的氨气也是资源的浪费。

一、SCR喷氨的几种控制策略

张家口热电公司在投产时就配置了脱硝系统，分别采用过固定摩尔比的策略和PID控制两种策略。下面对一下两种策略针对张家口热电公司的情况进行介绍：

1、固定摩尔比

根据目前国内脱硝系統的运行情况，对脱硝氨气流量控制一般采用基本控制方式Constant Mole Ratio Control（固定摩尔比控制方式）。该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式，在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中。它利用入口氮氧化物浓度折算出理论氮的含量，再与氨气的分子量计算出全部喷氨的质量，再乘以理论效率得到实际的喷氨量，使用计算出的量与质量流量计的进行比较控制阀门开度。该种控制方式对NOX属于开环调解，若入口NOX仪表故障导致测量显示偏低时，很难控制脱硝出口氮氧化物的浓度在合适的范围内，同时也没有设计人为干预的偏置设定效率或者NOX浓度。

2、PID控制

脱硝喷氨调节采用PID计算，实际是控制脱硝出口的NOX浓度值。设计了两种控制方式：固定脱硝效率和固定排放浓度。设定效率时，根据入口浓度值计算出口浓度设定值，用实际出口浓度与出口浓度设定值比较，然后进行喷氨。设定浓度时，直接比较浓度差进行PID运算。由于人为可以干预效率和浓度的设定，一定程度上较固定摩尔比的控制方式有优越性。但在探头吹扫时浓度保持后对PID控制失灵，出口浓度波动更大。以及由于脱硝出口浓度很高，系统惯性较大，喷入大量的氨气也未能完全反应，而与烟气中反应行成的副产物使空预器更容易积灰堵塞。

二、喷氨模糊控制策略

氮氧化物的形成机制与负荷和风量，燃烧调整有一定的关系，经过稀释后的氨气能否与氮氧化物完全反应，是否有逃逸，也很难确定。测量的惯性、分式采样以及探头吹扫等问题导致采用SCR氨气脱硝的现有的固定摩尔比和PID控制都不能适应目前的工况。鉴于脱硝氮氧化物的浓度变化缓慢，其他同类型机组脱硝都通过专人手工调整，也能在一定范围内达到要求。该种模糊控制策略就是在这种控制难点的前提下提出的。

2.1偏差控制回路

采用偏差控制，某种程度上类似靠人脑来判断控制喷氨调整门的开度。脱硝出口NOx设定值与测量值偏差进行比较，来控制阀门的开度。脱硝出口NOX设定值大于测量值，开大喷氨调整门的开度，脱硝出口NOX设定值小于测量值，关小喷氨调整门的开度。该功能通过偏差绝对值的与相应的时间函数决定。在实际使用中，偏差越大维持的时间略短，更适合该中工况。偏差控制回路是模糊控制中最主要的部分。采用该方法在一定程度上能控制出口浓度在一定的范围内，但是NOX波动也较大，经常出现NOx浓度在50mg以下或200mg以上的状况。

2.2抑制回路

实现了偏差控制后，观察出口NOX浓度的曲线，发现脱硝出口NOX浓度已经具有下降趋势，由于脱硝出口NOX浓度依旧大于设定值，按原来的控制策略，喷氨调门依旧开大，导致的过调使出口浓度出口低于50mg的现象，而由于阀门关小后，出口氮氧化物浓度已经上升趋势，阀门进一步关闭，导致出口浓度出现高于200mg的现象。根据以上现象，在逻辑判断中由于在门动作时将氮氧化物的浓度记录下来，再下一次开门前比较当前NOX浓度，并记录下新的NOX浓度的值，若在浓度大于设定值，而控制方向已经浓度已经出现下降，使得门没有开允许，使得阀门保持；反之，若在浓度小于设定值，而控制方向已经浓度已经出现上升降，使得门没有关允许，也使得阀门保持。

2.3超前动作回路

此策略类似于常规PID信号中的微分作用。当测量值快速上升时，若此时增大阀门开度，也一定程度上抑制了NOX快速上升，相比偏差控制更为快速；当测量值快速下降时，若此时关小阀门，也一定程度上抑制了NOX快速下降。具体的实现算法：当脱硝出口NOx测量值出现快速上升并持续一段时间，开大调整门，上升时间持续某一时间，继续开大喷氨调门； 当测量值出现快速下降并持续一段时间下降时，关小调整门开度。如何判断已经出现的快速上升趋势或下降趋势根据是本个功能实现的重点。脱硝出口NOX浓度与以一定的速率限制前信号偏差比较可以实现该功能。同时要有一定浓度范围内该功能能实现。

2.4吹扫保持回路

在脱硝烟道处CEMS仪表采用抽取法，为防止采样探头堵塞使得测量不准确，CEMS探头会定期吹扫。由于在探头吹扫时，氮氧化物在软件或硬件中保持为原值，不能正确指示烟气的NOX的含量。而此时再根据保持的浓度来调整喷氨调门，必定使得调整更加混乱，达不到控制的要求。故在探头吹扫时，保持阀门的开度一定是十分必要的，对维持脱硝系统稳定起到一定作用。

2.5其他辅助控制策略

2.5.1标定保持回路

CEMS系统需要定期标定、维护，才能满足NOX测量浓度准确，保证上传给环保局以及DCS显示数据正常。若标定时，NOX若不是在ZERO或在SPAN位置，可能保证阀门根据此浓度进行调整，必定影响后来的实际控制进度，只能保证喷氨调整门不动。在具体逻辑实现，采用在标定信号存在时，使得脱硝自动切除，待标定信号消失后，方能使该自动控制系统投入自动。

2.5.2负荷前馈系数

经多次研究，在负荷较高时，虽然烟气量较大，但由于反应器温度与脱硝催化劑最佳反应温度接近，导致效率提高，同时高负荷为厌氧燃烧，也一定程度的降低了NOX的排放浓度。引入锅炉负荷或机组负荷作为前馈信号，进一步增强变负荷系统调节的及时性，同时可弥补反应器和烟气分析仪的时滞。

2.5.3切除自动逻辑

偏差大切除自动逻辑为每个自动控制系统必备的功能，以保证脱硝出口NOX长期出现过高和过低的时能及时切除自动，以便于检查出是否仪器仪表出现问题。

2.5.4脱硝入口氮氧化物浓度前馈系数

当脱硝入口NOX浓度变大时，若此时进行修每次阀门的开度，也能一定程度上起到超前动作功能。结合以上思路，基于日立H5000M系统，编制逻辑图如下：

经以上控制策略，在某种程度上改善了喷氨自动的状况。

三、结论

脱硝仪表的定期维护，使之显示准确，是该种控制策略可以使用的前提。结合低氮燃烧器和锅炉配风，也是降低锅炉出口NOX的重要措施。该种脱硝控制策略虽能达到控制脱硝出口浓度的目的，但也需要硬件相应的改造才能达到更好的效果。

如利用扰流件将氨气和烟气混合均匀，增加脱硝催化剂，一定程度上都能降低氨气的逃逸，防止空预器的堵塞。该种基于人工的控制模式的控制策略适合目前的状况，对于同类型机组有借鉴意义。当然目前的控制方法不一定是最好的。其他科研人员的研究结果表明，影响SCR 烟气脱硝效率的因素有：反应温度，烟气流量， NH3/NOx 摩尔比[1]，氧气浓度，氨气逃逸量等。

若现有先进的算法如神经网络，数学建模等应用在SCR上，可能脱硝NOX将会更容易控制在设定值范围内，具有更好的控制效果。

参考文献：

[1] 徐旭，应剑，王新龙.燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能实验[J] .动力工程学报， 2010 ，30（6）：439-443

[2]《R600C宏命令使用说明书》，北京日立华胜控制系统有限公司，2007