300 MW燃煤机组SCR烟气脱硝喷氨自动控制策略优化

李峰，姜文堂，史忠军，张国，胡勇，丁少昆

(华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂，黑龙江 牡丹江 157015)

1 概述

华电能源股份有限公司牡丹江第二发电厂四期工程#8和#9国产机组，装机容量为2×300 MW，控制系统采用华电南自天元控制系统科技有限公司的TCS-3000 分散控制系统(DCS)。#8，#9机组分别于2016、2017年进行烟气脱硝系统超低排放改造，采用选择性催化还原法方式(SCR)脱硝，目的是将烟气排放中的NOx的含量控制在50 mg/m3以内，达到火电机组烟气NOx超低排放的标准[1]。

目前机组脱硝自动控制系统采用基于催化剂脱硝能力的脱硝效率控制方式，将脱硝效率[(入口NOx浓度-出口NOx浓度)/入口NOx浓度]作为给定值，按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOx，保持脱硝效率在设定范围内。该方法自动调节品质差，易造成过度喷氨，增加运行成本，无法满足系统正常运行需要。本文提出以固定出口NOx的串级控制方法代替脱硝效率的优化控制策略，实际应用效果显著。

2 脱硝效率控制方式

脱硝效率控制方式为单回路调节系统，给定目标值为脱硝效率。通过PID调节作用控制调节阀开度使脱硝效率跟踪设定值，控制原理如图1所示。

脱硝效率给定目标阶梯值是根据脱硝入口NOx含量值分段设定，这种控制策略的调节方式过于简单，对于喷氨量的调节过于粗疏，极易发生过调或欠调，耗氨量较大，脱硝效率较低。当在机组负荷稳定的条件下投入自动状态运行时，自动调节品质勉强合格(以氮氧化物含量为标准，NOx含量控制在±15 mg/m3内)，但当机组负荷变化或启停磨煤机时，自动调节品质严重超标，最大动态瞬时值超过100 mg/m3。

为克服调节系统的外扰，采取了在原单回路自动调节基础上逐项增加启停磨煤机前馈、氧量前馈、机组负荷前馈等调节控制策略，自动调节品质有了一定的改善(稳态调节有了一定的提高，NOx含量控制在±10 mg/m3内)，但还是不能完全克服外扰，自动调节品质在动态调节过程中依然存在超差现象。此后又使用折线函数修改设定目标值和增加脱硝前NOx浓度、减脱硝后NOx浓度作为前馈等方法，效果均不明显。

3 影响脱硝系统NOx参数稳定的主要原因

受燃烧调整(锅炉燃料量和风量的增、减和配比关系的变化)、煤质变化、负荷频繁变化及启停磨煤机等工况的影响，脱硝入口NOx浓度变化大、变化快。由于脱硝反应区入口到出口的距离较短，稀释后的氨气与烟气的催化还原化学反应又需要一定的时间，所以反应不完全，导致脱硝出口NOx浓度相应快速升高。

喷氨不均匀会引起SCR脱硝反应器出口NOx含量分布不均匀，从而导致出口NOx测量值不具有代表性(在SCR反应器内NOx整体浓度不均性较小时，测量NOx值尚具有一定的代表性；但在SCR反应器内NOx整体浓度分布不均性较大时，测量NOx值就可能存在较大偏差)，因此就会影响喷氨调节效果。通常SCR反应器内NOx测点的安装位置和数量决定了系统所测得的NOx浓度只能代表局部NOx浓度，如烟气在线监测系统(CEMS)取样测点位置选取不当，可能使取样探头处于涡流区，NOx测量数值不能正确反应实际变化，这也影响喷氨的调节效果。

图2 串级摩尔比自动控制方式原理

喷氨自动控制系统被控对象的响应延迟时间在4 min左右，是典型的大滞后被控对象，这意味着喷氨调节阀动作后，出口NOx需要一段时间才会有变化，这使得调节的及时性受到制约。

4 串级摩尔比控制方式

提高脱硝效率和降低氨耗量，并且减轻运行值班员的劳动量是优化的最终目标。串级摩尔比自动控制方式为串级控制，控制的主参数为脱硝出口烟道NOx含量，副参数为氨气流量。基准量为根据进口NOx的流量算出的基本氨气需求量。主回路PID输出用于调整摩尔比修正值，副回路PID输出用于控制调门开度，控制原理如图2所示。

采用串级摩尔比自动控制策略，通过反馈控制提供需氨量，保持出口NOx值在设定范围内，烟气进口NOx浓度和烟气流量的乘积得到基本的NOx含量，再乘以NH3/NOx摩尔比(取决于脱硝效率)便可得到氨气需求量，根据脱硝反应方程式，理论上1摩尔NH3与1摩尔NOx进行反应，假定所有氨均参与反应，则NH3/NOx摩尔比等于脱硝效率除以100、同时利用实际出口NOx浓度对NH3/NOx摩尔比加以修正(对氨气需求量的修正)并参与控制，最终得到氨气流量的设定值。SCR控制系统根据计算得出的氨气需求量信号通过控制氨气进口调节阀开度，实现脱硝系统自动控制[2]。这种控制方法同控制脱硝效率相比较，优点是能够进一步增强变负荷、变工况系统调节的快速性，同时可弥补反应器和烟气分析仪的时滞，自动调节品质好。

5 调试和投运中遇到的问题及解决方法

5.1 仪表自保持时间修改

(1)CEMS仪表的显示值不连续。原使用的CEMS仪表工作在反吹和标定等状态时无自保持功能，通过查阅DCS系统历史记录，可以看到NOx值在反吹和标定期间显示值归零。

(2)更换带有自保持功能的CEMS仪表。在反吹和标定过程中测量值会保持在吹扫前一刻的数值，使仪表的NOx参数显示值连续，但NOx参数值保持不变。

(3)CEMS仪表自保持时间的修改，仪表工作在反吹和标定时间的跨度不一致，时间范围在4～6 min左右。调试时将仪表的自保持时间跨度统一限制为3 min内。因CEMS仪表在自保持时，虽然DCS显示的NOx参数值不变，但在实际烟道中的NOx含量是实时变化的，当仪表数据自保持达到3min后恢复实际检测值时，NOx的含量参数可能对比保持前的数值变化很多(或大、或小)，所以自保持时间越短对自动调节越有利。

5.2 喷氨流量波动

流量仪表的特点是参数值波动相对比较大(对比温度和压力测量)，因选用串级摩尔比的自动调节策略是副调控制喷氨流量，流量数值波动大对自动调节不利，因此在DCS系统中加装惯性功能块对流量参数进行滤波处理[3]，减少流量波动对自动调节的影响。

5.3 喷氨不均匀

针对脱硝烟道内喷氨不均的情况，采取了在脱硝烟道A，B两侧的各8个试验取样口处，使用便携式CEMS分析仪进行不同插入深度逐点测量，根据NOx的多点测量值，再分别调整32个喷氨格栅的开度，经过多次测量和反复调整，最终使NOx浓度场分布比较均匀，测量的NOx数值基本能正确反应实际变化。

5.4 控制策略的调试

(1)将脱硝喷氨自动调节系统修改为串级摩尔比控制方式后，主调控制脱硝出口NOx值，副调控制喷氨流量，主调的输出为0.7～1.3的系数用来校正副调的喷氨流量。在投入自动运行初期，NOx含量虽然能保持在一定范围内(±10 mg/m3内)，但是NOx参数值是处于周期性的波动，尽管将主调的比例增益设定的很小(0.02左右)但还是不能消除周期性的参数波动。对此将主调的输出系数的控制策略进行修改，将主调输出0～100的值乘以0.6后除以100再加上0.7，进行“标幺”技术处理后，适当的修改自动调节参数后，才将自动调节的NOx参数值周期性波动的难题消除。

(2)自动调节回路中的整体系统修正。因在实际运行工况下，理论设计的烟气流量值和实际运行时的参数相差较大，控制回路中加入相应的系数修正烟气流量，来消除理论计算和实际应用中的偏差。

5.5 自动调节参数的修改

虽然脱硝喷氨自动调节A，B两侧的控制策略相同，但在实际烟道内两侧的NOx调节对象的动态特性是不一样的。经过多次观察控制曲线、分析动态调节参数超差和静态不稳定的原因，将A,B两侧的自动调节参数分别进行了精细化调试设置。因调节对象的动态特性不一致的原因，A,B两侧的比例增益参数竟然相差了10倍(A侧10，B侧1)。

6 脱硝自动优化后投运效果

优化后的脱硝喷氨自动调节品质有了明显改善，基本满足机组各种参数运行工况的变化，自动调节可长期投入。出口NOx质量浓度稳态时基本能稳定在设定值的±5 mg/m3范围以内，动态调节时最大瞬时值不超过±25 mg/m3[4]，氨逃逸率控制在3 mg/m3以内，喷氨自动控制满足运行要求。既减轻了运行值班员的操作强度，又使NOx排放浓度满足环保要求。

实际扰动情况验证:当启动E磨煤机(60 min以上)后再停止E磨煤机，脱硝入口NOx含量发生突升、突降100 mg/m3左右时，脱硝出口NOx参数能保持稳定。自动发电量控制(AGC)投入时，实际扰动为机组负荷变化30～40 MW，脱硝出口NOx参数能保持稳定。

7 结束语

脱硝SCR控制系统的控制策略优化应用基本的比例、积分控制方式，不仅参数整定方式清晰、对象识别速度快，而且充分利用随动关系对应NH3/NOx摩尔比，解决了出口NOx浓度因大惯性而难于控制的问题。经过实际运行参数的检验，达到了各项控制指标，较好地满足了SCR脱硝自动化控制要求，为脱硝系统的安全、稳定和经济运行提供了保障，对于SCR脱硝系统，具有较强的通用性和实用性。

参考文献：

[1]火电厂大气污染物排放标准：GB13223—2011[S].

[2]马孝纯，段跃非，朱亚波.锅炉脱硝SCR法的控制策略研究[J].电站系统工程,2013(1)：65-66.

[3]火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程：DL/T 657—2015[S].

[4]国电南自TCS3000分散控制系统组态手册[Z].南京：国电南自股份有限公司.