热工控制优化在脱硝控制中的应用

曹发扬 刘晓莉 吕馥丞 丁 鹏 李延森

（1. 华电青岛发电有限公司，山东 青岛 266011；2. 西安格瑞电力科技有限公司，陕西 西安 710049）

0 引言

随着我国环保政策的日益趋严，各燃煤电厂先后进行了超低排放改造。常规脱硝方法如空气分级燃烧、燃料分级燃烧和低NOx燃烧器技术等已无法满足环保政策的超高排放标准（氧量基准6%：烟尘< 10mg/m3、SO2<35mg/m3、NOx<50mg/m3）。SCR（选择性催化还原）方法在烟气侧脱除NOx，具有效率高、成本低和污染率小等特点，被广泛应用于燃煤电厂。但SCR脱硝系统在实际应用过程中仍存在不少问题。刘锋等[1]发现某1000MW超超临界机组SCR脱硝系统存在烟气出口NOx浓度波动大、测量参数准确度低、喷氨调节阀特性差等问题。王镇、郑志勇等[2,3]通过调研发现我国各燃煤机组喷氨脱硝系统均存在系统控制策略设计不完善、控制不准确、现场测量条件差等问题。陈磊等[4]对40余台燃煤电厂SCR脱硝系统进行了现场调研，发现SCR脱硝系统出口的NOx浓度不均匀、喷氨量不准确导致的空气预热器堵塞、催化剂寿命周期短、脱硝系统流场分布不均匀等问题。此外，由于我国燃煤电站频繁参与电网调峰，机组的变负荷运行加剧了SCR脱硝系统的不稳定，因此需要着重研究变负荷条件下SCR脱硝系统的运行特性。本文对各燃煤电厂SCR脱硝系统普遍出现的问题进行归纳整合并进行分析，提出了解决措施，旨在为SCR脱硝系统的安全稳定运行提供理论指导。

1 主要存在的问题

1.1 烟气在线分析系统(CEMS)高频率反吹和标定干扰系统自动调节

通常，在SCR脱硝系统的出入口都会设置NOx和O2的测量仪表，由于出口烟气含尘量高，测量仪表的取样管路会经常发生堵塞，因此系统需要定时自动反吹和标定。系统的反吹和标定的时间一般为5～8min，在这期间，系统会指定反吹和标定前的NOx和O2测量值，导致系统在高频率反吹和标定过程中，自动调节系统无法实时根据脱硝系统内部NOx和O2的变化量调节喷氨量，出现超调问题，脱硝系统内部出现喷氨量过少和过多情况，造成调节系统波荡，甚至震荡发散，这一问题在燃煤机组深度参与电网调峰时尤为明显，脱硝系统出口经常会出现NOx瞬时超标和氨过量的现象，严重降低脱硝系统的脱硝效率。

现阶段燃煤电厂脱硝系统常用的解决办法是[5]：将脱硝系统的自动反吹和标定设定在不同的时间段，同时参考脱硝出入口和烟囱出口NOx值，在入口（出口）NOx出现测量信号时，可以参考出口（入口）或者烟囱出口的NOx值的变化情况来控制脱硝系统中的自动调节系统。虽然该措施可以使CEMS系统实时反应脱硝系统内部NOx和O2浓度，但是在机组深度参与调峰时，由于反吹和标定的时间较长，自动调节系统仍会出现延时效应，另外煤种的变化也会造成差品质的自动调节。

1.2 单一指标的PID控制系统

PID控制系统的控制规律为比例、积分、微分控制，因其结构简单、稳定性好、调整方便从而被广泛应用于燃煤电厂脱硝控制系统。电厂脱硝系统常规的控制方式为以脱硝效率为单一指标的简单的PID控制系统。该控制方式以脱硝效率作为设定值计算与实际脱硝效率的差值，然后通过PID控制喷氨调节阀开度，调整喷氨量从而使烟气脱硝系统出口NOx达到排放标准[6]。脱硝效率设定值如式（1）所示：

其中：C1为脱硝系统入口NOx浓度；C2为脱硝反应器设定出口浓度；C3为脱硝反应器出口实际NOx浓度。

实际脱硝效率如式（2）所示，该过程受到很多因素影响，其中包括煤质的变化、机组负荷变化、炉内燃烧情况等。其中由于电厂深度参与电网调峰造成机组负荷变化频率较快从而导致脱硝效率不准确，另外PID控制方式过于简单，一旦出现上述任意一种情况，都会导致自动调节系统目标不准确，喷氨调节阀开度过大或者过小，造成喷氨过量或NOx浓度超标，因此在实际生产过程中只以脱硝效率单一指标作为PID控制系统的调节指标是不可取的，需要综合考虑其他因素的影响。

1.3 脱硝系统中前馈-反馈控制的延时性

为了解决CEMS测量系统和PID控制方式的喷氨过少和超调问题，一般脱硝自动调节系统会设置前馈-反馈控制方式，从而实现智能化控制[7]。但由于喷氨到NH3与NOx发生还原反应到CEMS测量系统有2～5min的延时，从SCR脱硝系统出口到烟囱有1～2min的延时，系统至少有3min的延时使得前馈控制系统不能及时预判，当SCR脱硝系统入口NOx浓度变化幅度较大时，控制系统不能及时响应，导致脱硝系统出口NOx浓度超标，这是热工控制系统自身的短板，不能对SCR脱硝系统入口NOx的浓度变化做出敏锐的反应。煤质变化、机组负荷变化、炉内燃烧情况变化都会导致脱硝系统入口NOx浓度变化幅度过大，而脱硝系统中前馈-反馈控制的延时性造成了NOx排放超标。另外CEMS测量系统测量的是烟气中NO的浓度，而PID控制方式的脱硝效率设定值和实际值（式1，式2）用到的是NOx浓度，因此需要转换计算，造成一定的延时。

1.4 喷氨调节阀品质特性差

喷氨调节阀是控制喷氨量的关键设备，其可靠性和准确性严重影响脱硝效率，喷氨调节阀常出现的问题有：线性差、反应迟缓、调节死区大。喷氨调节阀线性差，无法准确控制喷氨量，不同调节阀门开度出现不同喷氨量，喷氨流量与调节阀特性曲线不统一，甚至出现阀门开度为50%时就已达到最大喷氨量。喷氨调节阀反应迟缓，不能及时供给准确的喷氨量，在机组负荷变化时，阀门开度变化频率快，反应迟缓会导致喷氨过量或脱硝系统出口NOx浓度超标。另外，喷氨调节阀的调节范围以机组负荷稳定时需要的喷氨量为标准，通常在5%～20%，调节范围过小，当脱硝系统入口NOx浓度过高时，调节阀门开度即便达到最大也不能提供符合要求的喷氨量，导致NOx浓度超标。喷氨调节阀的品质差，会造成脱硝自动调节系统难以达到要求。

2 脱硝热工系统的控制优化和改进

热工控制系统作为脱硝系统的重要组成部分，通常在设计、安装和调试的过程中，工程师将注意力主要集中在如何满足现有工艺系统以及超高排放标准上，没有对设备本身进行全面检查和校准，而可靠的热工设备是保证整个脱硝系统安全稳定运行的关键，因此对于脱硝系统的热工设备和控制逻辑需要进行全面优化和改进。

2.1 引入新的容错逻辑思想

现有脱硝系统的保护条件是“当SCR脱硝系统入口NOx出现测量坏值时，就即时关闭对应的喷氨控制阀，并切换到手动调节，由人工根据实际运行标准进行操控”[9]，在机组负参与深度调峰时，CEMS系统测量坏值出现次数明显增多，需要运行操作人员进行长时间的手动干预，由于人工操作做不到精准调控，所以时常出现氨过量或者NOx超标。因此，当脱硝系统出现如测量坏值的情况时，需要考虑到保护系统的容错，保持系统持续运行。现有的喷氨区域保护条件是以喷氨区域到SCR脱硝系统供氨母管之间的压力为先决条件，应增加辅助确认条件，即氨气缓冲槽罐内压力判断，防止供氨母管源头压力过低造成喷氨调节阀关闭。

另外，单点测量信号容易失真，应尽量采用多点测量取均值，对于不得不采取单点测量式，也应增加辅助确认信号，避免单一测量坏值影响脱硝系统运行。

2.2 不同负荷下PID控制方式的自适应调节优化

由煤质变化、炉内燃烧情况变化和深度参与电网调峰等造成的机组负荷变化会影响PID自动控制，为防止PID控制方式积分饱和带来的影响，可重新设定PID控制信号输出的上下限，即采用抗饱和积分的控制器，能够及时调整输出信号保证喷氨调节阀正常运行，减少喷氨量过多或过少的情况。另外，由于机组负荷变化时，脱硝系统入口NOx变化幅度大，变化频率高，可设计NOx浓度高低两种调节逻辑，通过NOx经验值判断，避免出现调节死区，两种调节逻辑可自行选择，方便喷氨自动调节，使其达到最优状态。

另外，可根据脱硝系统运行过程的喷氨量、进出口NOx浓度等历史数据，用多因素非线性拟合方法建立脱硝系统入口的NOx浓度预测模型，同时还可结合模型专属控制器进行优化控制，保证自动调节系统的实时控制和持续稳定运行[10]。

2.3 增加自动调节系统实时动态特性校正和补偿

脱硝系统前馈-反馈系统由于其延时特征在自动控制系统中的应用局限，需要引入智能前馈-反馈技术，前文提到的建立脱硝系统入口NOx浓度预测模型只是前馈系统的一种，对于及时校正和补偿的反馈系统可采用神经网络学习算法，自动在线校准和补偿各项特性参数，具有竞争特性的神经网络学习算法，可使整个自动调节系统处在不断学习状态，实时监测和控制脱硝系统中各热工设备的参数，使脱硝系统的脱硝效率处在最优值，并同时保证系统的稳定性和持续性。

2.4 CEMS测量系统优化

CEMS测量系统的自动反吹和校准会干扰自动调节系统，其中主要的原因是反吹和校准时间长和频率高，为进一步缩短测量校准时间，可尽量减少CEMS测量系统的取样管路长度和弯曲，保证延期测量仪器能够高效、快速反应。另外，CEMS测量系统长时间在高温、高含尘量环境下工作易老化，影响烟气分析速率，需要定期检修维护。高尘环境下取样管辂容易发生堵塞，可采用多级旋风分离除尘改造取样管路、增加滤网等方法，定期检修。

CEMS测量系统测量值锁定为反吹前的NOx和O2浓度，测量信号容易失真，可加入反吹时吹扫状态测量信号，可以多次试验根据经验值和吹扫时间确定反吹后NOX浓度，保证测量值的真实性，另外，还可加入手动操作条件，当出现测量坏值、喷氨调节阀偏差大、系统出入口NOx浓度坏值、出入口O2坏值等情况，切换为手动操作，方便运行人员及时检查处理。

2.5 喷氨调节阀优化

CEMS测量值直接影响喷氨调节阀开度，测量值的准确性是保证精准喷氨量的前提，而现CEMS采样系统往往采用单点测量方法，测量数据不具有普适性，因此需要根据脱硝系统入口烟道NOx浓度分布设置多点取样，此外，可将喷氨系统喷嘴根据NOx浓度大小改为多样化布置方式，独立控制，将系统入口烟道划分为若干区域测量值与喷嘴一对一控制，同时可根据机组不同负荷、煤质、燃烧状况进行神经网络建模，找出入口NOx浓度分布规律，方便提前预测各喷氨区域的喷氨量，起到精准喷氨的效果。

对于喷氨设备本身，需要对喷嘴进行优化改造，对其喷氨方式和尺寸进行再设计，加入智能调节控制器，保证其线性品质好，调节范围大和反应灵敏。

3 结语

本文就燃煤机组热工控制系统普遍出现的问题进行归纳总结分析，阐述了喷氨脱硝系统多因素控制的复杂性，并列出了诸如CEMS测量系统的延迟性、PID控制方式的单一性、喷氨调节阀的品质差和自动调节系统保护逻辑的局限性等问题，表明传统脱硝喷氨系统已无法满足现有环保指标的要求。本文结合先进神经网络学习技术、多因素线性拟合技术给出了如下解决措施：（1）脱硝自动调节保护系统引入容错逻辑思想，将多个影响因素纳入判断指标，确保脱硝系统长期稳定运行；（2）燃煤机组深度参与电网调峰是脱硝系统面临的又一大挑战，在原有前馈-反馈自动调节系统中加入了自动调节系统实时动态特性校正和补偿，优化了PID控制方式的自适应调节，提出了NOx浓度高低两种调节逻辑，有效控制了喷氨过量和NOx浓度超标问题；（3）对于CEMS测量系统的延时特性进行了深度优化，减少了反吹和校准时间，同时减少了测量系统的反应时间，引入了测量信号和喷氨控制信号一对一单独控制，划分喷氨区域，喷氨量更加精确，有效控制NOx浓度超标；（4）对于喷氨调节阀进行优化，包括布置方式多样化、一对一控制方式、智能调节控制器，保证了其线性品质好，调节范围大和反应灵敏。