脱硝优化控制系统研究与应用

杨 栋，郭景辉

（华电莱州发电有限公司，山东 莱州 261400）

脱硝优化控制系统研究与应用

杨 栋，郭景辉

（华电莱州发电有限公司，山东 莱州 261400）

烟气脱硝是现今电厂实现节能环保的重要措施之一。脱硝优化控制系统用于实现电厂烟气脱硝工作的智能优化控制。该系统以选择性催化还原法为基础，采用模型计算的方式对烟气中的NOx含量进行预估，利用闭环修正的方法得出氨氮摩尔比，实现氨流量的准确控制。系统测试结果表明，该系统可以根据出口NOx指标和氨逃逸情况及时修正脱硝效率设定值，保证了脱硝工作自动控制的准确性和稳定性，减少了氨耗量和氨逃逸，实现了综合优化脱硝控制。

烟气脱硝；控制系统；模型预估；氮氧化物；流量控制

0 引言

随着国民经济的不断发展，环保要求日益提高，火电厂大气污染物的排放规范也日渐完善。根据国家政策和环保局要求［1］，电厂发电机组安装了脱硝系统，实现烟气排放物的脱硝处理，使得电厂烟气排放物中NOx的含量符合国家环保部规定标准。现有的脱硝方法分为干法脱硝、湿法脱硝两大类［2-3］，其中干法脱硝又分为选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）和选择性非催化还原法（Selective Noncatalytic Reduction，SNCR）。 湿法脱硝需要复杂的设备装置，且存在废水处理等问题。SNCR脱硝法的脱硝效率不高，氨耗量大，且对温度控制的要求较高，脱硝系统装置多采用SCR选择性催化还原法实现。

1959年SCR技术在美国被提出，20世纪70年代日本首先利用SCR方法实现大型火电机组锅炉烟气的脱硝工作［4］。继而欧洲各国对SCR技术进行了改进优化。目前，SCR脱硝技术在欧美日等发达国家已经得到了全面推广，不仅应用于火力发电厂，而且在水泥、钢铁等其他化学处理厂也得到了广泛应用。在我国，SCR核心技术与设备大多来自于进口，且存在成本高、与国内环境不符等问题［5］。国内SCR技术也在不断地发展应用中，国家氮氧化物排放新标准的颁布，使得基于SCR技术的脱硝系统的普及和投运变得日趋重要［6］。

在理想情况下，成熟的SCR脱硝技术的脱硝效率能够达到90％以上［7］。SCR脱硝技术采用的还原剂是氨气。将氨气与空气充分混合后注入反应器中，与未脱硝前的烟气混合均匀，在较低温度下即可与烟气中的氮氧化物发生反应，生成无污染的氮气和水。化学反应方程式为

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

SCR脱硝装置安装于锅炉炉膛出口和空气预热器之间，其脱硝设备由氨区和反应器两个区域构成。反应器区域中的设备主要有：烟道、SCR反应器、吹灰系统、催化剂、灰斗、催化剂注入系统、氨供应系统。氨区的设备主要有：卸氨系统、蒸发系统、供氨系统、喷淋系统等。

1 脱硝系统现状

莱州电厂脱硝自动控制策略是基于脱硝效率设置的，根据原烟气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当前烟气流量情况下应该喷入脱硝装置的氨量，实现脱硝的自动控制。此策略使用PID实现闭环控制，只能适应烟气量的变化工况，且由于是闭环控制，稳态控制时在一定幅度和周期的波动和变工况动态情况下存在反应迟缓问题。

脱硝基本设计为固定摩尔比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。在该控制方式下，氨氮摩尔比被设定为固定值。控制系统根据当前的烟气流量、SCR入口NOx质量浓度和设定氨氮摩尔比计算出NH3流量需求，最终通过流量PID改变氨气阀开度来调节NH3实际流量。这种控制方式近似于开环控制，脱硝系统的NH3需求量仅根据静态物理特性计算得出，不符合现场实际情况。其次，脱硝系统的控制目标与环保考核目标不对应。环保考核烟囱入口处的NOx质量浓度，而现有系统控制的是SCR出口的NOx质量浓度，SCR出口NOx质量浓度与烟囱入口NOx质量浓度静态和动态关系均存在着较大的差别。再次，现有系统控制技术单一，难以控制复杂对象。脱硝系统的被控对象（NH3流量与烟囱入口NOx质量浓度）有大约3min的纯延迟响应时间，整个的响应过程在10min以上，被控对象呈典型大滞后现象；催化剂消耗过程对被控对象特性影响大，是时变非线性被控对象，常规PID控制策略在处理这类对象时过于简单。

针对上述问题，脱硝优化控制系统采用模块化图形组态方式编制方式，可完成常规控制、模糊控制、神经网络控制和专家控制等复杂人工智能算法和控制组态，可用于各种复杂系统的系统运行分析、仿真计算和优化控制，使得出口氮氧化物的浓度得到智能优化控制，并且减少氨逃逸量，减少对大气的污染。

2 脱硝优化控制系统

脱硝优化控制系统以“环保节能、经济安全”为设计理念，既保证脱硝烟气处理达到环保局要求，又考虑电厂运行的安全性、稳定性和经济性。系统在测得烟气NOx质量浓度基础上，经过燃烧分析，对此进行更准确的修正计算，通过全面考虑烟气流量、压力、烟气氧量，并结合氨空比、氨流量以及出口烟气氧量和NH3逃逸量等因素进行精确计算，然后结合脱硝效率和出口NOx质量浓度设定值对氨流量阀进行准确控制。

2.1 系统原理

脱硝优化控制系统原理如图1所示。

图1 系统原理

使用锅炉燃料模型，寻找出NOx质量浓度变化的预估值，得出一个软测量结果，克服NOx质量浓度测量仪表取样反应迟缓问题。同时又用NOx质量浓度测量的结果对软测量进行长期修正拟合，使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。

根据排放要求，计算出适当的脱硝效率设定值，并进行范围限制后，与运行人员设定的效率设定值取大值输出，得到系统最合理的脱硝效率最终优化设定值，这样运行人员设定的效率值实际上是一个安全的下限值，运行中不再随时根据锅炉运行工况改变脱硝效率设定值。

系统根据NOx质量浓度预估值和效率优化设定值，即时计算出系统优化喷氨流量值，将优化氨流量喷入烟气内进行脱硝反应，得到较为平稳的脱硝输出NOx质量浓度指标。

系统根据脱硝出口NOx质量浓度指标和氨逃逸情况，及时修正脱硝效率设定值。由于本系统是以开环控制为主，以长期参数闭环修正为辅，所以可以得到快速的调节速度而且不会产生振荡现象。

2.2 系统方案

在机组锅炉电子间安装脱硝优化控制系统控制器，设计DCS通信接口，完成控制系统保护、功能切换、数据转换和传输等功能。

建立针对锅炉燃烧和脱硝的物理模型，根据运行规程和总结运行人员经验建立脱硝经验模型。

在机组运行后，进行锅炉燃烧与脱硝控制相关数据采集，并进行离线仿真和数据分析，完善物理模型和经验模型。同时建立人工智能自学习模型，通过历史数据，进行离线训练，使最终控制模型尽可能接近被控系统。

建立锅炉脱硝控制评价体系，并通过现场历史数据进行验证和离线调试，证实实时评价体系的合理性，并给出脱硝优化控制目标。

将脱硝优化控制系统投入闭环运行，在闭环环境下，进一步在线调试和训练优化控制系统，以期达到最佳控制水平。

将脱硝控制目标作为系统优化控制定值，实现优化控制目标的在线闭环控制，实现机组脱硝优化控制。

2.3 系统配置

脱硝系统配置容量应该能满足锅炉脱硝要求，一次设备可保证通过脱硝后NOx质量浓度的达标排放。脱硝系统设备运行可靠。喷氨调节阀具有可调性，手动或自动运行时能调节喷氨量（不要求线性度很好）。NOx质量浓度测量装置运行可靠稳定。

脱硝优化控制系统配置如图2所示。采用独立的编程站（工程师站）和专用控制器，并和锅炉DCS控制系统选用Modbus通信协议（或其他协议）进行数据交换。专用控制器从DCS系统取得机组运行数据，经运算给出最优控制指令，并通过DCS系统控制相应的执行机构。为提高系统的控制可靠性，脱硝优化控制系统也可采用冗余配置。

图2 系统配置

3 系统测试

脱硝优化控制系统控制器安装后，与现有DCS系统以Modbus的通信方式建立连接。在此基础上添加需要通信的测点，利用通信软件进行系统测试。通信建立后，机组稳定运行，积累7~10d的历史数据，查看是否转化为脱硝优化控制系统的历史数据进行记录，对比DCS系统数据，验证数据记录的正确性。根据历史记录的大数据库，对各个工况下的数据进行分析、计算，初步建立锅炉氮氧化合物产生的模型机制，找出影响入口氮氧化合物、出口氮氧化合物浓度的因素，并进行归一化处理；分析喷氨流量调节阀门的阀门特性，精确找出阀门开度与流量的线性度；根据控制模型组态逻辑，利用历史数据离线回放，进一步修改逻辑。组态建立完整后，进行组态在线调试，结合运行实时数据，验证逻辑的合理性。

系统测试结果表明，脱硝优化控制系统不依赖DCS可实现控制需要的先进的控制算法，同时调试效率大大提高，调试过程安全性高。该系统的脱硝出口NOx质量浓度变化幅度小于30mg／m3。脱硝系统的优化控制能够减少氨逃逸量，从而减少炉内氨结晶引起的空预器堵塞，也能减少对大气的污染；能适应锅炉负荷急剧变化的工况，比如AGC自动增益控制投入时，出口NOx也不会超标；脱硝氨的消耗量减少了5％~10％，减少了脱硝过程的材料消耗；消除环保氮氧化物浓度测点和反应器出口氮氧化物浓度测点的偏差，实现综合优化脱硝控制。此外，使用该系统，运行人员的操作方式保持不变，控制方案之间可以实现无扰切换，系统灵活、安全。

4 结语

脱硝优化控制系统用于智能控制电厂的烟气脱硝工作。系统对测得的烟气NOx质量浓度进行模型计算，获得NOx质量浓度变化的预估值，实现烟气中NOx质量浓度的软测量，克服仪表测量反应迟缓问题。同时利用仪表测量数据对软测量结果进行修正拟合，保证了NOx质量浓度测量结果的及时性和准确性。根据参数变化进行智能控制氨流量阀，减少氨量过调现象，降低氨耗量，降低对空预器设备的损害，确保了电厂机组节能环保运行，提高了运行的经济性和安全性。

［1］ 杨冬，徐鸿.SCR烟气脱硝技术及其在燃煤电厂的应用［J］.电力环境保护，2007，23（1）：49-51.

［2］ 闫志勇，骆仲泱，高翔，等.NH3选择性催化还原NO数学模型［J］.浙江大学学报：工学版，2007，41（12）：2 093-2 097.

［3］ 孙克勤，钟秦，黄丽娜，等.OI2-SCR烟气脱硝技术在改造工程中的应用［J］.中国电力，2007，40（2）：67-70.

［4］ 杨超.脱硝装置控制系统的整合和优化［D］.杭州：浙江大学，2015.

［5］ 朱林，吴碧君.SCR烟气脱硝催化剂生产与应用现状［J］.中国电力，2009，42（8）：61-64.

［6］ 孙克勤.火电厂烟气脱硝技术及工程应用［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［7］ 刘文平.基于DCS的烟气脱硝控制系统设计及应用［D］.北京：华北电力大学，2014.

Research and Application of Denitrification Optimization Control System

YANG Dong，GUO Jinghui
（Huadian Laizhou power generation Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China）

Flue gas denitration is one of the important measures for achieving energy conservation and environment protection in power plants now.A denitrification optimization control system is proposed in this paper for denitrification intelligent optimization control in power plant.This system models the selective catalytic reduction process and predicts NOxcontent in the flue gas by calculation.The ammonia nitrogen mole ratio is calculated by closed-loop correction for controlling the ammonia flow accurately.The system test results show that the system modifies the denitration efficiency value accurately and swiftly based on the export of NOxcontent and NH3escape.This ensures the accuracy and the stability of flue gas denitration.It improves the efficiency of the use of NH3and achieves flue gas denitration control more synthetically and optimized.

flue gas denitrification technology；control system；model predictive control；NOx；flow control

TM621

：B

：1007－9904（2017）07－0061－04

2017-03-29

杨 栋（1987），男，从事热工设备维护工作。