燃煤电厂SCR脱硝控制系统优化

李佩佩,薛方明,苏靖程,刘秀如,姚勇琦，尹佳锋，张漆玺

(1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.湖南华电常德发电有限公司，湖南 常德 415001)

1 引言

燃煤火电机组按照烟气超低排放要求，氮氧化物排放浓度控制在50mg/m3以内。电厂一般采用低氮燃烧技术控制炉内NOX的生成量，采用SCR(Selective Catalytic Reduction, SCR)方式作为炉后脱除技术。SCR脱硝控制系统一般采用固定氨氮摩尔比或固定SCR 反应器出口烟气中NOX质量浓度的控制方式喷[1,2]。受近年来全国电力消费增速放缓和新能源发电量快速增长等因素影响，火电机组利用小时数不断下降，大型机组参与深度调峰。控制系统具有大滞后性和大延时性，使得机组低负荷及变负荷运行时难以精确控制喷氨量。SCR脱硝系统的氨逃逸超标及其导致的催化剂寿命缩短、脱硝效率下降、空预器堵塞和设备低温腐蚀等问题日益突出[3,4]。本文通过分析现有SCR脱硝技术机理、脱硝控制系统原理及存在的问题，探讨先进脱硝控制技术，并以某电厂660M超超临界机组脱硝系统为例，采用先进的SCR模型预测控制策略，提前预测被调量未来变化趋势，改善脱硝控制系统的闭环稳定性和抗扰动能力，为脱硝控制系统改造提供参考。

2 脱硝控制技术

2.1 SCR反应原理

燃煤电厂烟气中产生的NOX主要来源于燃料型NOX和热力型NOX，其中NO占95%左右，其余的是NO2。SCR脱硝方案通过向SCR前面的烟道内喷入还原剂NH3，使烟气中NOX在经过SCR反应器时在催化剂的作用下被还原成无害的N2和H2O，这一过程中主要反应如下：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

(1-1)

4NH3+6NO=5N2+6H2O

(1-2)

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O

(1-3)

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

(1-4)

SCR脱硝系统的性能评价指标主要有脱硝效率和氨逃逸率。理论上讲，在最佳反应条件下，1 mol NOX完全被还原需要1 mol NH3。反应条件一定时，提高氨氮摩尔比，增加还原剂浓度，可以促进脱硝反应的进行，提高脱硝效率，但同时增加了氨气的逃逸率。氨逃逸率增加时，逃逸氨和烟气中的SO3和水蒸气生成副产物硫酸铵(NH4)2SO4和硫酸氢铵NH4HSO4，加剧空预器换热元件的堵塞和腐蚀[5,6]。因此，提高喷氨控制的品质对保证脱硝系统的高效稳定安全运行具有重要的理论和实践意义。

2.2 脱硝控制系统原理

脱硝控制系统常用的方法有固定氨氮摩尔比、固定出口NOX质量浓度和复合控制方法等[7]。固定氨氮摩尔比控制原理是依据脱硝效率，按照固定的氨氮摩尔比进行喷氨量控制。该控制方案中采用SCR反应器进口的NOX浓度乘以烟气流量得到NOX信号，该信号乘以氨氮摩尔比即为基本的氨气流量信号，该信号作为给定值输入PID控制器与实测的氨气流量信号进行比较，由PID控制器经运算后输出调节信号控制喷氨调门开度以调节氨气流量。

固定出口NOX质量浓度的控制方法是保持出口NOX值恒定，控制系统将设置的出口NOX浓度值与出口NOX实际测量值送入PID控制器进行比较，形成喷氨流量开度调节指令，将出口NOX浓度控制在一定范围内。该控制方案中，氨氮摩尔比是变值，为脱硝效率的函数，脱硝效率根据反应器入口NOX质量浓度和反应器出口NOX质量浓度设定值计算获得。

复合控制方案中引入SCR入口NOX浓度作为扰动变量反映煤质和燃烧状态对出口NOX浓度的影响，将锅炉负荷作为扰动变量反应为烟气流量对出口NOX浓度的影响[2]。典型的复合控制策略的逻辑图如图1所示[8]，控制系统根据烟气连续排放检测系统(CEMS)检测到的SCR反应器进口NOX浓度等信号制定反应器理论喷氨量，主PID控制器根据出口NOX浓度的测量值与设定值之间的偏差对喷氨量进行修正，副 PID 控制器根据修正后的喷氨信号与氨流量监测仪监测到的实际氨流量信号的偏差来控制喷氨阀开度，由此实现脱硝喷氨量的自动控制。

图1 脱硝系统喷氨控制逻辑图

2.3 脱硝控制系统存在的问题

以上脱硝控制方案具有PID参数易于调试和整定的优点。但是当机组运行过程中，进口浓度值波动大，将设置的出口浓度值偏低时，超出催化剂所能脱除氮氧化物能力，造成过度喷氨。

脱硝反应及取样测量系统存在延迟性，使喷氨自动控制系统被控对象的响应延迟时间在2～3min，是典型的大滞后被控对象，即当喷氨调节阀动作后，出口NOX需要一段时间才会发生变化，所以调节的及时性受到制约。

脱硝系统烟道具有较大截面，CEMS系统对NOX测量数值和烟气流量计算的准确性会影响喷氨需求量与实际需求量偏差的大小，进而影响喷氨自动调节效果，特别是在机组启停、变负荷运行和CHEM开机时，烟道内的流场变化较大，CEMS测量值与实际值偏差较大。

此外，SCR入口NOX含量受燃烧调整、煤质变化、负荷变化及启停磨煤机等影响而产生较大波动，叠加喷氨反应时间的滞后，出现超调现象。特别是调峰机组频繁变负荷运行时，SCR入口烟气量或NOX质量浓度急剧变化，烟囱入口NOX质量浓度瞬时值超标。因此，应该优化控制策略及控制参数，提高脱硝喷氨控制系统对机组负荷变动的及时跟随和响应，保证SCR出口NOX浓度值控制在要求的范围内。

3 新型脱硝控制技术

针对SCR脱硝控制系统的大滞后、大延时控制特性，许多专家和学者采用了不同的方法建立了不同的氮氧化物预测数学模型，开发了多种先进的控制技术，包括神经网络控制、遗传算法控制、模糊控制及模型预测控制等。

神经网络建模技术[9,10]是利用机组运行过程当中的氮氧化物生成质量浓度和运行参数的历史数据进行非线性拟合，建立NOX排放模型，利用神经网络技术的自学习能力，按照一定的性能指标和学习方法对PID控制器或被控对象模型参数进行寻优。

刘锋等人[11]通过研究基于不同煤种燃烧下脱硝控制优化策略、不同负荷参数下PID 参数适应性以及不同磨煤机组启停与入口NOX对应关系等，采取针对不同煤种燃烧及启停磨煤机时稳态调节后参数自适应方法，该方法在实际运行过程中取得了较好的控制效果。周鑫等人[12]将KPLS(核偏最小二乘方法)与GA(遗传算法)结合，提出了GA-KPLS建模方法，建立了SCR系统模型，该模型具有较好的学习及泛化能力，应用后显著提高了脱硝率，降低了氨逃逸率。

模糊控制技术[13]是在传统PID 控制系统中按照被控对象的实际输出与期望值的偏差及偏差变化率对控制器的 P、I、D 参数进行在线调整。根据参数自整定模糊PID控制原理，对PID参数进行实时校正，提高控制系统对参数变化的适应能力，达到系统所需的动态性能指标[14]。

模型预测控制以预测模型为基础，采用有限时域内的滚动优化策略，对于预测模型的输出预测和实际结果之间的偏差进行在线校正，并通过反馈环节，实现了闭环优化，提高预测控制的鲁棒性。研究实践证明，模型预测算法可有效提高了脱硝系统的控制品质[15,16]。灰箱[17]模型是指利用一定的模型约束，通过离线样本训练的方法最终建立NOX质量浓度的预测模型。王朔等人[18]建立了SCR系统的灰箱模型，并提出了一种基于神经网络逆模型的动态前馈控制策略。SMREKAR J[19]利用ARX(自回归模型)和外部输入自回归平均滑动模型构建了燃煤锅炉NOX预测模型。王林[20]采用主元分析和基于指数模型构建了NOX生成质量浓度预测方法，建立了入口NOX预测模型。

4 预测控制技术在实际电厂中的应用

某电厂为上海锅炉厂生产的660MW超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、Π型露天布置。机组采用现场总线技术，主机DCS系统采用艾默生公司的 Ovation 系统，完成机组的数据采集(DAS)、模拟量控制(MCS)、顺序控制(SCS)等功能。脱硝采用SCR技术，催化剂2+1布置，还原剂采用尿素热解制氨工艺。

机组脱硝控制系统采用常规PID复合控制策略，控制回路中没有设计根据出口NOX或脱硝效率的偏差对理论尿素量设定值的修正回路，控制结果不能通过反馈来加以检验，控制偏差也不能进行自动修正，烟气出口NOX排放虽然可达到超低排放指标，但在低负荷磨煤机启停时，入口NOX浓度偏高，对应的单侧出口的NOX浓度有超标风险，两侧脱硝效率相差较大，反应器单侧氨逃逸量偏高。此外，在尿素热解法系统中，尿素从计量与分配装置开始到通过氨喷射系统进入SCR反应器存在延时问题。因此需要制氨和喷氨系统快速响应满足负荷变化的需要。为减少控制系统的滞后性、时变性及不确定性对控制系统的影响，实现对控制量的精确调控，该电厂采用预测模型来预测控制系统未来输出，并通过反馈校正和滚动优化来修正预测模型输出，确定当前局部优化控制策略，其中NOX浓度预测模型采用如下受控自回归滑动平均模型建立[21]：

Ru(q-1Δu(t)=r(q)NOXNOXsp(t)-Ry(q-1)NOX(t)

其中NOXsp为NOX浓度设定值，u为喷氨调门开度指令，NOX实测NOX浓度，Ru(q-1)，Ry(q-1)和 r分别为预测控制器的各个参数多项式。

通过对机组运行数据和不同负荷下阀门开度实验，获得出口NOX浓度阶跃响应曲线及各参数值。根据运行数据分析，采用模型预测控制策略对喷氨控制系统进行优化设计。采用Matlab软件进行建模仿真实验，预测控制系统的组成主要包括预测模型、参考轨迹、在线矫正、滚动优化等几个方面，仿真结构见图2。

图2 模型预测控制仿真结构图

该电厂的SCR控制系统优化包括热解炉电加热功率控制系统、氨气量平衡控制系统以及尿素量控制系统。与原组态中的控制系统比较，热解炉的功率控制模块采用变参数控制，增加了外置微分回路和闭锁回路，并在反馈回路中增加了静、动态的前馈，改善反馈回路的控制品质，避免串接系统的积分饱和，保证在系统稳定性的前提条件下，加快喷氨调门开度的调节速度，有效地抑制在各种扰动情况下的 NOX动态偏差。

对实际机组脱硝控制系统进行改造，在DCS系统的监控室新增一台服务器，在DCS机柜间新增一台集成式操作站X800，操作站与监控室间采用以太网(RJ45)通讯电缆连接。

此外，对脱硝进出口CEMS系统进行全面检查，选取合适的代表点位置，并调整自动吹扫/标定时间及间隔时间，提高检测装置测试数据的真实性。检修喷氨调节阀，重新调试定位，使两侧阀门开度与流量特性尽量一致，在DCS中修正阀门特性函数，然后进行了喷氨格栅的优化调整试验，调整喷氨支管手动调节阀的开度，使不同区域的喷氨量达到均匀。

经过系统调试，机组运行后的 SCR 脱硝系统控制曲线见图3。由图可见，当SCR入口NOX浓度变化较小时，出口NOX浓度变化非常小，其动态偏差控制在 5 mg/Nm3之内；当大幅度变负荷运行时，出口NOX浓度与设定值的最大动态偏差在15mg/Nm3之内。此外，两个反应器脱硝一致性提高，单侧反应器氨逃逸量得到有效控制，平均氨逃逸率低于2.3 uL/L。

图3 脱硝控制改造后SCR 脱硝系统的控制曲线

5 结论

脱硝装置喷氨控制系统是保证脱硝效率并降低氨逃逸率的关键环节，传统控制策略具有滞后性和延时性，不能完全满足脱硝喷氨调节要求，通过预测模型提前预测被调量未来变化趋势，进行提前调节，提高脱硝系统闭环稳定性和抗扰动能力。实际机组应用结果表明采用模型预测技术优化脱硝控制系统，结合喷氨调平，能够实现喷氨量最优控制，保证NOX满足超低排放标准的同时显著减少氨逃逸率。