脱硝喷氨自动控制系统应用与分析

摘 要针对公司#4机组超低排放改造后，原常规的PID+前馈控制方式无法满足调节过程中的负荷变化、给煤机断煤、磨煤机切换等工况变化，造成控制品质下降、调节滞后等问题。采用集成了预测控制和神经网络等先进控制技术的INFIT优化控制系统，以考核指标作为控制目标，应用以来不仅可满足环保排放指标要求，同时提高了脱硝控制品质。

【关键词】控制策略 控制品质 预测控制 INFIT NOx

1 引言

目前国内大型火电机组的SCR脱硝控制系统由于控制策略设计不完善、控制目标不够明确、现場测量条件限制等问题，系统的自动投入率和投入效果较差，使得整个脱硝系统的运行性能受到明显影响。我公司#4机组在进行过超低排放改造后，根据环保要求，烟囱入口氮氧化物NOX浓度控制要求将不超过50mg/Nm3，比原有控制要求在100mg/Nm3以下减小了一倍，烟囱入口氮氧化物NOx浓度可调节范围变小，喷氨量变大。通过对喷氨自动控制系统升级改造，取得较好的调节品质。

2 目前脱硝喷氨自动控制系统现状及分析

目前SCR脱硝闭环控制策略，基本设计为固定摩尔比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。该控制方式下的设定值为氨氮摩尔比或者脱硝效率，控制系统根据当前的烟气流量、SCR入口NOx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，这种控制方式较简单；部分电厂总结固定摩尔比控制方式的不足，采取了固定SCR出口NOx浓度控制方式，此时系统设定值为SCR出口NOx浓度，并根据其与实际出口NOx浓度的偏差来动态修正氨氮摩尔比，达到闭环控制SCR出口浓度的效果。但不论上述何种控制方案，在正常运行中均表现出如下问题：

2.1 控制目标不与考核目标对应

环保部门最终对电厂进行考核核算的指标是烟囱入口处的NOx浓度测量值（由CEMS表计测得）。而目前自动调节控制目标是SCR出口的NOx，由于SCR出口NOx浓度与烟囱入口NOx浓度不论在静态关系还是动态特性上均存在着较大的差别，也使得电厂的最终环保考核结果不佳。

2.2 控制策略设计过于简单，与脱硝被控对象不相适应

根据试验情况，脱硝被控对象（NH3流量→烟囱入口NOx浓度）的响应纯延迟时间接近3分钟，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象，控制系统想要获得良好的控制品质，必须以基于大滞后被控对象的设计思路进行优化。而目前普遍应用的控制策略均采用简单的PID+前馈的方案，必然无法获得良好的控制品质。

2.3 控制系统的运行过分依赖于现场测点的完好性

SCR进、出口的NOx、O2测量仪表由于长期运行在灰、尘较高的环境下，容易出现部分或整体失真的情况，且仪表的定期吹扫、标定也会使测量值瞬间突变。目前国内应用的脱硝控制策略对上述问题均无相应应对，一旦某个测点失灵特别是出口NOX测量仪表故障时，整个控制系统即处于瘫痪，系统的长期可用性明显受到影响。

出现上述问题的主要原因是：目前国内的脱硝控制策略过于简单，对于煤种多变、机组负荷受AGC频繁调度、测量仪表存在失真的脱硝运行环境，则应将先进的控制技术如：预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等技术应用到脱硝优化控制中来，才能获得满意的控制品质。

3 INFIT脱硝喷氨自动控制系统控制策略及特点

3.1 INFIT自动控制系统总体配置

INFIT控制系统是独立于DCS系统以外的一套软、硬件一体化的控制系统，可通过DCS系统的通讯模块融入到DCS系统中。与DCS通过MODBUS通讯方式进行信号传输。INFIT控制系统以PLC作为硬件平台，采用SCL、STL语言（汇编语言）开发了所有的高级控制算法模块，并通过面向对象的封装技术，建立了类似一般DCS系统组态的函数库，通过函数调用完成机组优化控制工程。与DCS系统通过MODBUS通讯方式交换数据，取得机组负荷、NOx浓度、NOx设定值、AGC指令、标定信息等数据，并将PLC内部优化计算后的控制指令传送至DCS系统。

INFIT控制系统的应用无需改变DCS系统的原有控制功能，通过DCS操作画面上的投/切按钮，运行人员可以自由选择喷氨自动控制系统是受控于INFIT系统或者是原DCS系统。当发生通讯故障、INFIT系统故障、I/O信号故障时INFIT控制系统立即交出控制权，机组可平稳过渡到原DCS控制的合理运行方式下。

3.2 INFIT自动控制系统控制策略及特点

3.2.1 INFIT自动控制系统控制策略

针对公司#4机组SCR脱硝过程的特点，采用先进的预测控制和神经网络控制技术，提出了新型的脱硝喷氨自动控制方案，控制策略图如图1所示。

3.2.2 INFIT自动控制系统控制策略特点

（1）直接以考核指标作为控制目标。INFIT喷氨自动控制系统直接以烟囱排口的NOx浓度测量值作为调节目标，对控制效果的评估可以直接以环保考核指标为依据，同时也为正常运行中的运行调整带来极大的方便。

（2） 整个控制策略以预测控制为基础。采用针对SCR脱硝控制系统的大滞后特性，INFIT喷氨自动控制系统应用了目前国际上最前沿的预测控制技术，同时融合改进的状态变量控制、相位补偿控制技术，取代了原有的常规PID控制。采用这种技术能够提前预测被调量的未来变化趋势，而后根据被调量的未来变化量进行控制，有效提前调节过程，从而大幅提高了脱硝系统的闭环稳定性和抗扰动能力。

（3）进行实时的动态特性校正和补偿。采用智能前馈技术对脱硝控制系统的各种扰动因素进行动态补偿，从反应源头及时消除烟囱排口NOx浓度的波动。同时INFIT喷氨自动控制系统采用竞争型的神经网络学习算法来实时校正上述动态补偿算法中的各项特性参数，使得整个系统始终处于在线学习的状态，控制性能不断向最优目标逼近。

（4）增加针对AGC指令多变情况下的特别节氨算法。国内机组AGC运行的特点是指令变化频繁，此时NOx浓度也将受影响而反复波动，此时控制系统若仍采用常规控制策略，极易因反馈调节作用与AGC指令变化同相位而造成叠加振荡情况，使控制性能明显变差，增加氨气消耗量。INFIT喷氨自动控制系统根据机组AGC指令的变化规律，实时预测NOx浓度的波动，调整控制算法始终保持与AGC指令变化反相位，从而减少不必要的控制调节，使氨气消耗明显减少。

（5） 对个测量仪表数据在线评估，实时调整控制权重。INFIT喷氨自动控制系统根据机组运行的实时参数，不断对各NOx测量仪表的数值进行在线评估，发现失真现象后立即调整该测量参数在控制系统中的权重占比，将部分测量值失真给控制系统造成的影响降至最低，从而保证脱硝控制系统的长期可靠运行。

4 INFIT脱硝喷氨自动控制系统现场应用分析

在DCS脱硝画面中增加INFIT喷氨自动投退按钮、烟囱运行模式投切按钮，投入INFIT控制按钮后，如将烟囱运行模式按钮投入时系统实现INFIT控制系统对烟囱排口氮氧货物的控制，如烟囱运行模式按钮未投入则对A、B侧脱硝出口氮氧化物自动控制。INFIT喷氨自动控制系统投入与退出均可实现系统无扰切换，如图2、图3所示。

INFIT控制系统投运以来，脱硝喷氨自动投入率、出口NOx控制品质明显改善，在变负荷工况时，入口NOx大幅波动，但烟囱排口均在设定值范围内波动，上下波动范围不超过10mg/m3，控制品质及系统稳定明显提高，如图4所示。

5 结束语

通过近半年多时间的现场应用，INFIT控制系统技术先进，性能可靠，控制品质好；调节较灵敏，系统抗干扰能力强，能适应机组负荷大幅度变化及制粉系统磨煤机切换等工况变化。采用针对机组AGC运行方式下的特别优化算法，使得烟囱入口的NOx浓度波动幅度更小，NOx控制目标的设定数值可以更加接近于环保考核值，脱硝系统的氨气消耗量将明显降低，同时当INFIT控制系统出现参数监测异常或系统故障时，可无扰切换至常规控制有利于机组安全和经济性运行要求。在满足国家环保要求的前提了提高了机组的自动化水平，有着广阔的运用前景。

参考文献

[1]马瑞，黎明.脱硝喷氨自动控制在大型火电厂中应用案例分析[C].2015年全国发电厂热工自动化专业年会及热控专业技术培训论文集，2015.

[2]吕剑虹。预测控制在热工过程控制中的应用研究[D].东南大学，1990.

[3]南京英纳维特自动化工程有限公司[C].现代火电机组SCR脱硝控制的先进解决方案，2011.

作者简介

田猛（1984-），男，工程師，从事电厂热工设备维护及技术管理工作。

作者单位

淮阴发电有限责任公司安全生产部 江苏省淮安市 223002