某電廠2×660MW超臨界燃煤機(jī)組，為滿足大氣污染物環(huán)保排放要求，先后對(duì)2臺(tái)機(jī)組實(shí)施了脫硝改造，采用選擇性催化還原(SCR)法進(jìn)行脫硝，控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)控制，接入輔網(wǎng)進(jìn)行操作調(diào)整。

2臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)在投入運(yùn)行的過程中，由于PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自動(dòng)控制的局限性，加之現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及脫硝噴氨自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的不完善，導(dǎo)致噴氨自動(dòng)無法正常投入，完全依靠運(yùn)行人員手動(dòng)控制，無法精確控制脫硝出口NOx排放濃度，也增大了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。下面對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行深入分析并優(yōu)化。

1 SCR脫硝基本原理

燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生的NOx主要來源于燃料型NOx和熱力型NOx。根據(jù)NOx生成機(jī)理，控制NOx的技術(shù)主要包括燃燒時(shí)盡量避免NOx的生成技術(shù)和NOx生成后的煙氣脫除技術(shù)。SCR技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，采用NH3作還原劑，煙氣中NOx在經(jīng)過SCR反應(yīng)器時(shí)，在催化劑的作用下被還原成無害的N2和H2O。煙氣中的NOx主要有NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2。

要實(shí)現(xiàn)高效率脫硝，噴氨流量的控制至關(guān)重要。若噴氨量超過需求量，則NH3氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速率將增大，降低NOx的脫除效率，同時(shí)形成有害的副產(chǎn)品，即硫酸銨(NH4)2SO4和硫酸氫銨NH4HSO4，加劇對(duì)空氣預(yù)熱器換熱元件的堵塞和腐蝕;若噴氨量小于需求量，則反應(yīng)不充分，造成NOx排放超標(biāo)。由于噴氨量主要由氨流量調(diào)節(jié)閥控制，因此為保證脫硝出口NOx排放濃度滿足環(huán)保要求，控制氨逃逸率低于3×10-6mg/m3，提高脫硝系統(tǒng)噴氨自動(dòng)控制的品質(zhì)尤為重要。

2初始噴氨自動(dòng)控制策略

該電廠原脫硝噴氨自動(dòng)控制策略是摩爾比串級(jí)回路控制，與單回路比例-積分-微分(PID)相比，摩爾比串級(jí)回路控制相對(duì)復(fù)雜，該串級(jí)控制回路由主調(diào)和副調(diào)控制回路組成。

a.主調(diào)控制回路。利用脫硝反應(yīng)時(shí)MNH3/MNOx摩爾比近似等于1的原理，使用煙氣進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量，再乘以二者摩爾比便可得到氨氣需求量，在滿足脫硝效率要求的情況下，設(shè)置二者摩爾比為0.84，同時(shí)進(jìn)行脫硝出口NOx對(duì)二者摩爾比的修正調(diào)節(jié)(依據(jù)出口NOx質(zhì)量濃度與設(shè)定值偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié))，此外，在操作員站上設(shè)有摩爾比偏置，提供了摩爾比的設(shè)定功能。

b.副調(diào)控制回路。根據(jù)修正的摩爾比計(jì)算得到所需要的氨氣流量，其作為副調(diào)的給定值與氨氣流量測(cè)量值的偏差經(jīng)過副調(diào)調(diào)節(jié)后輸出控制指令，控制噴氨流量調(diào)節(jié)閥開度，改變噴氨量大小，最終將出口NOx質(zhì)量濃度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。

3噴氨自動(dòng)控制影響因素分析及優(yōu)化

初始邏輯設(shè)計(jì)雖然采用了較為經(jīng)典的控制策略，但是設(shè)計(jì)不完善，沒有考慮更多的細(xì)節(jié)，同時(shí)由于PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，所以脫硝噴氨自動(dòng)一直無法正常投入，長(zhǎng)時(shí)間依靠運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，在負(fù)荷變化較大時(shí)，脫硝出口NOx質(zhì)量濃度得不到及時(shí)有效地控制，嚴(yán)重影響了NOx的達(dá)標(biāo)排放。為解決該問題，使噴氨自動(dòng)能夠有效投入，達(dá)到良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，全面分析噴氨自動(dòng)控制的影響因素，并對(duì)現(xiàn)有噴氨自動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.1影響因素分析

a.系統(tǒng)延遲性。由于脫硝反應(yīng)系統(tǒng)及取樣測(cè)量系統(tǒng)的延遲性，使噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的響應(yīng)延遲時(shí)間在2～3min，是典型的大滯后被控對(duì)象，這意味著噴氨調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后，出口NOx需要一段時(shí)間才會(huì)有變化，這使得調(diào)節(jié)的及時(shí)性受到制約。

b.入口NOx含量波動(dòng)大。受燃燒調(diào)整、煤質(zhì)變化、負(fù)荷變化頻繁及啟停磨等影響，脫硝入口NOx質(zhì)量濃度變化大、變化快，由于脫硝反應(yīng)區(qū)入口到出口的距離短，噴氨反應(yīng)有一定的時(shí)間滯后，所以反應(yīng)就不完全，出口NOx也會(huì)相應(yīng)快速上升，導(dǎo)致超調(diào)。

c.NOx測(cè)量數(shù)值異常。脫硝煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)取樣采用直抽法，系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，若取樣管路有泄漏，氧量測(cè)量就會(huì)失準(zhǔn)，導(dǎo)致經(jīng)過氧量折標(biāo)的NOx質(zhì)量濃度異常;取樣探頭及管線堵塞，取樣流量消失，分析儀表報(bào)故障，會(huì)使NOx數(shù)值失準(zhǔn);分析儀表吹掃/標(biāo)定期間，NOx數(shù)值將保持不變，這些都會(huì)影響噴氨自動(dòng)控制。

d.煙氣流量計(jì)算不準(zhǔn)。煙氣流量通過燃料量計(jì)算而來，由于其參與噴氨需求量的計(jì)算，其計(jì)算的準(zhǔn)確程度，將決定計(jì)算所得噴氨需求量與實(shí)際需求量偏差的大小，偏差太大，主調(diào)修正回路無法進(jìn)行有效地修正調(diào)節(jié)，從而影響噴氨自動(dòng)的投入及調(diào)節(jié)效果。

e.噴氨流量的穩(wěn)定性差。噴氨流量采用節(jié)流孔板的方式測(cè)量，其測(cè)量數(shù)值受到孔板特性的影響，同時(shí)受到氨區(qū)供氨壓力的影響，供氨壓力通過機(jī)械減壓閥和穩(wěn)壓罐調(diào)節(jié)，供氨壓力不穩(wěn)，波動(dòng)較大，使噴氨流量測(cè)量值頻繁發(fā)生變化，與閥門開度對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性差，對(duì)調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生擾動(dòng)，影響調(diào)節(jié)效果。

f.噴氨不均勻。噴氨不均勻會(huì)引起反應(yīng)器出口NOx含量分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致出口NOx測(cè)量值不具有代表性，從而影響噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)效果;脫硝CEMS取樣測(cè)點(diǎn)位置選取不當(dāng)，可能使取樣探頭處于渦流區(qū)，NOx測(cè)量數(shù)值不能正確反應(yīng)實(shí)際變化，這些也影響噴氨自動(dòng)的調(diào)節(jié)效果。

g.控制邏輯設(shè)計(jì)不完善。PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，原有邏輯回路無前饋信號(hào)，沒有對(duì)大延遲屬性進(jìn)行有針對(duì)性地優(yōu)化;原有邏輯對(duì)摩爾比進(jìn)行偏置，對(duì)運(yùn)行人員來說，畫面中無摩爾比顯示，偏置調(diào)整不直觀。

3.2優(yōu)化方法

3.2.1脫硝噴氨自動(dòng)控制的優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化現(xiàn)有的脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)脫硝進(jìn)出口CEMS系統(tǒng)全面細(xì)致檢查，測(cè)點(diǎn)選取不當(dāng)?shù)倪M(jìn)行移位改造;合理調(diào)整自動(dòng)吹掃/標(biāo)定時(shí)間及間隔時(shí)間，防止脫硝進(jìn)出口CEMS裝置的吹掃時(shí)間重合，最大程度保證接收的NOx、O2含量等參數(shù)的真實(shí)性;通過噴氨格柵(AIG)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，調(diào)整每路進(jìn)氨支管手閥的開度，調(diào)整不同區(qū)域的噴氨量，最終達(dá)到噴氨均勻;對(duì)噴氨調(diào)節(jié)閥進(jìn)行檢修，并重新調(diào)試定位，使兩側(cè)閥門開度與流量特性盡量一致，并在分布式控制系統(tǒng)(DCS)中利用函數(shù)修正閥門特性。

此外，也優(yōu)化了控制系統(tǒng)邏輯，由于PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，利用電流信號(hào)隔離器，將與噴氨自動(dòng)相關(guān)的參數(shù)測(cè)點(diǎn)同時(shí)引入PLC與DCS中，并在DCS中對(duì)噴氨自動(dòng)控制進(jìn)行邏輯組態(tài)，然后將調(diào)節(jié)閥自動(dòng)指令再送回PLC輸出，脫硝噴氨自動(dòng)的投切、給定值設(shè)定、流量偏置等與自動(dòng)相關(guān)的操作仍在原輔網(wǎng)畫面進(jìn)行，僅在DCS中進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

將控制邏輯引入DCS后，對(duì)噴氨自動(dòng)控制策略優(yōu)化，優(yōu)化后主體仍采用串級(jí)回路控制，基于出口的串級(jí)控制方式見圖1。

3.2.2主調(diào)及副調(diào)控制回路的優(yōu)化

主調(diào)控制回路不再修正摩爾比，而是根據(jù)出口NOx質(zhì)量濃度與其設(shè)定值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出，直接對(duì)計(jì)算出理論所需的噴氨流量進(jìn)行修正(修正范圍0.7～1.3)。理論所需的噴氨流量則是由燃料量所計(jì)算出的煙氣量乘以入口NOx質(zhì)量濃度與出口NOx設(shè)定值之差，再乘以二者摩爾比得到氨氣需求量。

副調(diào)控制回路由主調(diào)回路修正后得到的噴氨流量，加上運(yùn)行人員手動(dòng)偏置量，作為副調(diào)的給定值，與噴氨流量測(cè)量值的偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后輸出自動(dòng)控制指令，控制噴氨流量調(diào)節(jié)閥開度，改變噴氨量大小。為了減小系統(tǒng)遲延的影響，在控制系統(tǒng)中引入了變負(fù)荷前饋;另外，由于燃燒工況的變化會(huì)影響入口NOx質(zhì)量濃度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)入口NOx質(zhì)量濃度迅速上升，出口NOx質(zhì)量濃度超過設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)已來不及，觀察發(fā)現(xiàn)尾部煙道處煙氣氧量測(cè)點(diǎn)，能提前反應(yīng)入口NOx質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，引入氧量信號(hào)作為前饋，來減少遲延與超調(diào)。

正常情況下通過脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度來調(diào)節(jié)噴氨調(diào)門開度，從而調(diào)節(jié)噴氨流量，當(dāng)出口分析儀進(jìn)行吹掃/標(biāo)定時(shí)，閉鎖主調(diào)PID運(yùn)算，保持原輸出，減少超調(diào);當(dāng)氨逃逸率超過2×10-6mg/m3，副調(diào)回路閉鎖，防止過量氨的噴入。

在噴氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，通過觀察曲線發(fā)現(xiàn)，噴氨調(diào)門開度基本在25%～55%就能滿足不同負(fù)荷下脫硝效率的要求，結(jié)合閥門流量特性，同時(shí)為防止測(cè)點(diǎn)反應(yīng)遲緩，造成調(diào)節(jié)閥過開或過關(guān)，所以限制噴氨調(diào)節(jié)閥開度自動(dòng)指令在20%～70%進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免超調(diào);手動(dòng)操作時(shí)調(diào)門無開度限制，可在0～100%操作。

4優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后的脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)有了明顯改善，基本滿足機(jī)組各種參數(shù)運(yùn)行工況的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)可長(zhǎng)期投入，出口NOx質(zhì)量濃度基本能穩(wěn)定在設(shè)定值的±20mg/m3范圍以內(nèi)，噴氨自動(dòng)控制能滿足運(yùn)行要求，氨的逃逸率控制在3×10-6mg/m3內(nèi)，減輕了運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，使NOx排放濃度滿足環(huán)保要求。

5結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)有噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)雖然有了明顯改善，但是隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，以及超低排放改造的實(shí)施，對(duì)脫硝噴氨這種大延遲自動(dòng)控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制將很難滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求，因此探索結(jié)合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、史密斯預(yù)估等先進(jìn)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，是今后學(xué)習(xí)工作的一個(gè)方向，以期找到合理的控制策略，提高控制品質(zhì)，滿足脫硝自動(dòng)控制的要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。