一種可擴展的小型SCR煙氣脫硝噴氨控制系統(tǒng)及優(yōu)化控制方法

昝小舒，李宇建，馬　標，張海鳳，馮大川

(中國礦業(yè)大學 電力工程學院，江蘇 徐州 221116)

一種可擴展的小型SCR煙氣脫硝噴氨控制系統(tǒng)及優(yōu)化控制方法

昝小舒，李宇建，馬標，張海鳳，馮大川

(中國礦業(yè)大學 電力工程學院，江蘇 徐州 221116)

摘要：噴氨控制系統(tǒng)在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。針對小型燃煤鍋爐，提出了一種可擴展的小型SCR煙氣脫硝噴氨控制系統(tǒng)及其控制方法優(yōu)化方案。對可擴展噴氨控制系統(tǒng)的硬件電路進行了設計，包括以DSP為核心的主控電路和以單片機為核心的功能控制模塊等。采用基于負荷前饋的模糊PI控制方法完成了噴氨器控制方法優(yōu)化，采用區(qū)域多點測量與算術平均、中值組合的濾波方法完成了氮氧化物數(shù)據(jù)檢測，完成了級聯(lián)多噴頭噴氨控制方法的優(yōu)化。通過仿真實驗，驗證了提出的控制優(yōu)化方法的有效性。提出的控制系統(tǒng)及優(yōu)化方法可以有效完成氮氧化物排放濃度的控制，減少氨氣的使用量，降低脫硝運行成本，具有實際的推廣應用價值。

關鍵詞：選擇性催化還原；噴氨系統(tǒng)；模糊PI控制；方法優(yōu)化

隨著環(huán)境污染的日益嚴重，國家制定了一系列法律法規(guī)來嚴格要求燃煤火電排放[1-2]。燃煤火電廠排放的有害物質(zhì)主要是氮氧化物(簡稱NOX)，其過度排放會造成環(huán)境污染，導致酸雨，破壞臭氧層以及直接危害人的身體健康。目前，火電廠中主要采取的脫硝技術是選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)方法。SCR技術主要是對二次煙氣進行凈化，在煙氣尾部加裝脫硝裝置，利用還原劑氨氣與NOX反應生成無害的氮氣和水，其脫硝效率可以達到80%以上[3-4]?，F(xiàn)有的SCR脫硝技術還存在著以下不足和問題。

1)SCR脫硝系統(tǒng)由于氨氣流量、氨氣濃度、反應溫度、反應容器結構和噴射區(qū)域不同，是一個復雜非線性系統(tǒng)，同時受到負荷擾動，需要較強的抗擾動能力；而實際應用采用的控制方法主要還是以經(jīng)典的PID控制為主，當1臺鍋爐SCR系統(tǒng)安裝完畢后，PID的參數(shù)基本不會改變。傳統(tǒng)的PID控制方法雖然在線性控制系中有著很好的控制效果，但是在對煙氣與氨氣在催化劑作用下隨時間變化較大這種具有強非線性的脫硝系統(tǒng)，卻難以獲得很好的脫硝控制效果。文獻[5]提出了應用模型預測的方法對噴氨器進行控制，但控制效果受模型精確程度的影響較大；文獻[6-7]提出了應用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對SCR系統(tǒng)的控制，但是神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練需要較多的數(shù)據(jù)，對控制器的要求也較高，實用較難。

2)現(xiàn)有煙氣出口的煙氣量的測量方法具有較大的誤差和延時，難以滿足實時與精確控制的要求。如對多個煙氣出口一般只采用1個傳感器，忽略區(qū)域NOX的分布不均勻性，很容易出現(xiàn)測量誤差，而影響最終的SCR的控制效果。

3)SCR脫硝系統(tǒng)一般都針對大型燃煤電廠，在DCS基礎上進行數(shù)據(jù)的采集和控制；而對于小型燃煤鍋爐，一般的DCS系統(tǒng)在復雜程度、成本上都超過了預期，急需性價比較高的SCR脫硝系統(tǒng)。

本文以小型燃煤鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象，采用高性能控制器為控制核心，設計一套可擴展的小型SCR煙氣脫硝噴氨控制系統(tǒng)，并針對現(xiàn)有SCR控制系統(tǒng)中的不足和缺點對其控制方法進行優(yōu)化。

1SCR脫硝技術原理

SCR脫硝的系統(tǒng)過程如圖1所示。鍋爐煙氣通過管道輸入到脫硝器中，液氨與空氣混合通過閥門控制噴入到脫硝器中。氨氣與煙氣中的NOX在一定催化劑的作用下反應，生成無害的氮氣和水，即除去了煙氣中的NOX，達到了脫硝的目的。具體的化學反應方程式如下：

4NO+4NH3+O2→5N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(4)

圖1　SCR脫硝的系統(tǒng)過程圖

脫硝系統(tǒng)由兩部分組成：1)脫硝原料供應系統(tǒng)，由液氨與空氣進行混合獲得一定濃度的氨氣，作為脫硝反應劑；2)脫硝反應器，該設備主要安裝在鍋爐的煙氣管道后面，氨氣通過閥門控制進入到脫硝反應器中的噴氨器，將氨氣噴出與煙氣反應，去除NOX。從圖1可以看出，噴氨流量控制閥的控制至關重要，如果氨氣流量與煙氣流量不匹配，就會造成污染。如果氨氣的流量不夠，煙氣中的NOX去除就會受到影響，煙氣出口的NOX濃度就會過高，從而不滿足脫硝的要求；如果氨氣的流量過大，煙氣中的NOX雖然去掉了，但是在煙氣中會遺留反應不完全的氨氣，過量的氨氣會同煙氣中的SO3反應生成硫酸氫氨和硫酸氨，會堵塞催化劑的表面，降低催化劑活性，多余的氨氣也會導致二次污染。

2小型SCR脫硝噴氨控制系統(tǒng)硬件設計

目前，大型電廠的脫硝控制都有較為成熟的技術，基本上都是基于DCS的脫硝控制系統(tǒng)，而對于小型燃煤鍋爐，還沒有較為成熟的脫硝控制系統(tǒng)。設計開發(fā)一套低成本、高性能的小型脫硝控制系統(tǒng)具有較好的研究意義與應用前景。脫硝控制系統(tǒng)中，噴氨控制系統(tǒng)的設計尤為重要，整個脫硝控制系統(tǒng)的性能優(yōu)越與否都與噴氨器的運行效果有關。

本文采用高性能的DSP2812作為整個噴氨控制系統(tǒng)的核心控制器，采用8位單片機STC15F2K60S2作為噴氨功能模塊控制器。具體的噴氨器控制系統(tǒng)如圖2所示，主控DSP2812連接著監(jiān)控計算機和底層的功能單片機控制模塊。監(jiān)控計算機可以對主控DSP控制器下達控制命令，包括脫硝系統(tǒng)的目標脫硝濃度、脫硝系統(tǒng)的各級參數(shù)的設定和噴氨器的控制方法設定、噴氨速度設定等；同時，監(jiān)控計算機接受來自主控DSP的各項噴氨控制系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，實時顯示各種運行情況，并且對噴氨過程進行預警與報警。主控DSP控制器通過485串口通信與底層各個噴氨器的功能控制模塊進行通信，主要給各個功能模塊單片機輸入目標NOX含量，噴氨的時間、噴氨的控制方法等，同時獲取各個功能模塊單片機的實際控制情況及各種參數(shù)情況。

圖2　噴氨器控制系統(tǒng)結構圖

圖3　功能單片機模塊結構圖

功能單片機模塊結構圖如圖3所示，該模塊主要由一塊8位單片機STC15F2K60S2作為控制核心，主要功能包括：1)對區(qū)域NOX含量的檢測并進行數(shù)據(jù)處理，可以檢測多達8路的傳感器輸入信號，可以對多路NOX含量輸入數(shù)據(jù)進行真?zhèn)伪鎰e和平均化處理，以獲得更加精確的NOX含量數(shù)據(jù)；2)具有3路PWM控制信號輸出，可以分別控制1個蒸汽調(diào)節(jié)閥、1個液氨調(diào)節(jié)閥以及1個氨氣流量調(diào)節(jié)閥，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥和液氨調(diào)節(jié)閥的匹配控制獲得需要的氨氣的濃度，而氨氣流量調(diào)節(jié)閥主要控制氨氣的流量大?。?)具有觸摸屏輸入輸出接口，可以與通用觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換；4)具有報警LED與蜂鳴器，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常及故障時，輸出報警聲光信號，提醒維護人員注意；5)具有多達8路的繼電器輸入與輸出模塊，可以對各種位置信號、報警信號等開關信號進行處理。功能單片機模塊通過通信級聯(lián)模塊與主控DSP控制器進行通信，完成各種數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

3控制方法的優(yōu)化

目前，國內(nèi)SCR脫硝主要采用的是固定摩爾比控制方法，這種方法是根據(jù)脫硝效率和催化劑脫硝能力來控制的，按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOX。這種控制方法主要采用設定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)，擁有控制回路簡單、易于調(diào)試和整定的優(yōu)點，但存在過度脫氮、氨量過大和運行成本過高的缺點。另外一種控制方法為固定出口NOX含量控制方式，這種方法控制煙氣出口的NOX濃度在排放要求以內(nèi)，同時可以控制氨氣用量，減少或者不產(chǎn)生逃逸氨氣排放，從而進一步提高脫硝效果，并且可以有效控制脫硝運行成本；但是這種方需要檢測多個變量，控制邏輯較復雜，目前應用得很少。為了獲得更好的控制效果，本文采用固定出口NOX含量控制方式。

3.1噴氨控制方法優(yōu)化

目前，在脫硝噴氨頭的控制中，多采用DCS系統(tǒng)中的PID控制方法。傳統(tǒng)的PID控制在線性系統(tǒng)中有著很好的應用效果；但脫硝噴氨系統(tǒng)是一個隨著負荷變化嚴重非線性，具有嚴重滯后和多擾動特點的控制系統(tǒng)，普通的PID控制很難獲得較為滿意的效果。為了提高控制的精度與動態(tài)響應，本文將模糊控制與數(shù)字PI控制方法相結合，將其應用到噴氨頭的控制中。隨著智能控制方法的發(fā)展，模糊控制越來越多的得到了實際的應用，并顯示出其優(yōu)越的控制效果。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，不需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型，設計簡單，便于應用。糊控控制對那些數(shù)學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制；但模糊控制在實際應用中具有一定的靜差，在接近控制目標時控制效果不夠精細。而數(shù)字PI控制在小范圍之內(nèi)的調(diào)整能力很強，因此將模糊控制和PI控制相結合起來的組合控制方法具有很好的控制效果。由于噴氨控制系統(tǒng)中，對于負荷的改變具有較大的延時，如果單純采用反饋控制方法，很難跟上系統(tǒng)的動態(tài)變化。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，本文采用煙氣流量作為噴氨控制系統(tǒng)的前饋控制信號。

噴氨控制過程框圖如圖4所示。通過數(shù)據(jù)接口控制模塊獲得變上位機給定的目標排放NOX濃度，通過流量傳感器獲得前饋負荷變化參數(shù)，通過多點NOX濃度傳感器獲得某個區(qū)域的NOX濃度，并進行數(shù)據(jù)處理變成實際煙氣排放口的NOX濃度；將目標NOX含量與實測NOX濃度進行比較，獲得控制模塊需要控制的NOX濃度差量；設定控制目標閾值，在NOX濃度差量比目標閾值大時，整個控制系統(tǒng)采用模糊自適應控制算法，以求在大范圍內(nèi)快速調(diào)整調(diào)節(jié)閥，使得NOX濃度差量迅速降低到一定范圍之內(nèi)；在NOX濃度差量比目標閾值小時，整個控制系統(tǒng)采用數(shù)字控制PID算法，使得系統(tǒng)在小范圍控制中獲得更加穩(wěn)定的控制效果；前饋信號獲得之后，通過模糊控制方法將其轉換為適當?shù)那梆佪斎肟刂菩盘?，加快由于負荷變化對系統(tǒng)脫硝效果的影響，提高系統(tǒng)的反應速度和響應能力。

圖4　噴氨控制過程框圖

前饋模糊控制器采用雙輸入、單輸出結構，以煙氣量變化及煙氣量變化的微分作為前饋模糊控制器的輸入，以噴氨調(diào)節(jié)閥的開度作為輸出變量。模糊子集選為最常用的{正大(PB)、正小(PS)、零(ZE)、負小(NS)、負大(NB)}五檔結構。前饋模糊控制決策表見表1。

表1　饋模糊控

NOX濃度模糊控制器同樣采用雙輸入、單輸出結構，以NOX濃度變化及NOX濃度變化的微分作為前饋模糊控制器的輸入，以噴氨調(diào)節(jié)閥的開度作為輸出變量。由于NOX濃度控制的精度要求高，所以模糊子集選{正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、負小(NS)、負中(NM)、負大(NB)}七檔結構。NOX濃度模糊控制決策表見表2，其中E為NOX濃度變化，EC為NOX濃度變化的微分，U為噴氨調(diào)節(jié)閥的開度變化。

表2　噴氨調(diào)節(jié)閥的開度變化

3.2NOX濃度監(jiān)測方法優(yōu)化

NOX濃度的測量是脫硝噴氨控制系統(tǒng)的基礎，不管何種控制方法，都需要精確的NOX濃度數(shù)據(jù)來支撐，因此，設計一種更加合理、高精度的NOX濃度測量方法是本系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)。在硬件設計中，單片機可以檢測最多8路10位傳感器信號，為NOX濃度的測量提供了多路檢測的基礎。為了提高測量精度，在實際的NOX濃度檢測中，在煙氣出口處安裝多路NOX濃度傳感器，同時對一段時間的多組數(shù)據(jù)進行處理。本文采用算術平均濾波和中值濾波組合方式，即先找出N個采樣值的最大值xmax和最小值xmin，然后獲得：

xmin≤xj(j=1,…，N-2)≤xmax

(5)

去掉了最大與最小值，然后對剩下的(N-2)個采樣值求算術平均值：

(6)

這樣，就可以很大程度上將可能的錯誤數(shù)據(jù)去除掉，增加采集數(shù)據(jù)的精度與準確性。

3.3級聯(lián)多噴頭噴氨控制方法優(yōu)化

在實際的脫硝過程中，煙氣出口可能有多個，或者為了提高脫硝的效果，采用多噴頭的系統(tǒng)對同一煙氣管道中的不同區(qū)域分別進行脫硝控制，這就需要通過級聯(lián)，采用多個功能單片機模塊，在DSP控制器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)之下完成噴氨控制系統(tǒng)的運行。具體的級聯(lián)多噴頭控制系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。系統(tǒng)首先進行初始化，系統(tǒng)正常后，通過上位機系統(tǒng)獲取當前需要達到的NOX目標濃度；然后對各功能單片機下達各區(qū)域控制NOX目標濃度，在一定延時之后，獲取各個不同區(qū)域的實際NOX濃度。根據(jù)不同的測量結果，對不同區(qū)域的功能控制單片機的控制參數(shù)進行調(diào)整，并再次下達各功能控制模塊的控制調(diào)整命令，直到各部分的NOX濃度都滿足要求。然后對總的出口煙氣的NOX濃度進行測量，如果NOX濃度滿足要求，就維持噴氨調(diào)節(jié)閥的開度，并不斷的監(jiān)測NOX濃度；如果NOX濃度不滿足要求，就需要重新進行上述控制步驟，直到滿足要求。

圖5　級聯(lián)多噴頭控制流程圖

4系統(tǒng)仿真實驗結果

圖6　噴氨控制系統(tǒng)階躍響應曲線

為驗證本文提出的優(yōu)化控制方法的性能，以噴氨脫硝系統(tǒng)為對象，分別進行了傳統(tǒng)PID控制及模糊PI控制方法下階躍響應仿真實驗的對比(見圖6)?？梢钥闯?，采用傳統(tǒng)PID控制器，在負荷階躍擾動下，系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定需要經(jīng)過多次振蕩，因此調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)時間長，系統(tǒng)動態(tài)響應差；而在模糊PI控制器的控制下，在負荷階躍擾動下，系統(tǒng)響應反應速度快，超調(diào)小，能夠很快達到穩(wěn)定。因此，本文提出的模糊PI控制方式，在噴氨控制系統(tǒng)中比傳統(tǒng)的PID控制具有更強的自適應能力和抗干擾性能力，具有較好的動態(tài)性能。

圖7　噴氨控制系統(tǒng)噴氨量曲線

系統(tǒng)噴氨量仿真曲線如圖7所示?？梢钥闯?，在不同的負荷情況下，采用模糊PI控制方法下的系統(tǒng)噴氨量比在傳統(tǒng)PID控制方法下的噴氨量要少。在本文提出的控制方法中，采用煙氣流量作為系統(tǒng)的前饋信號，能夠提高噴氨系統(tǒng)的反應速度，減小噴氨控制的時間滯后，有效降低了系統(tǒng)的噴氨量，這對于降低系統(tǒng)的成本和氨氣的逃逸量具有較好的作用。

5結語

本文提出了一種可擴展的小型SCR煙氣脫硝噴氨控制系統(tǒng)的設計及控制方法優(yōu)化方案。主要完成了如下內(nèi)容：1)可擴展的噴氨控制系統(tǒng)的硬件電路設計，包括DSP主控電路設計、功能控制模塊電路設計、通信系統(tǒng)設計和輸入輸出接口模塊設計等；2)利用進口煙氣流量及鍋爐負荷信號作為噴氨量的前饋信號，采用模糊控制規(guī)則進行預測，獲得了噴氨控制系統(tǒng)的前饋控制信號；3)采用區(qū)域多點測量方法，對出口煙氣NOX濃度進行測量，并進行數(shù)據(jù)處理；獲得了噴氨量的直接反饋信號，再采用模糊PI控制方法對噴氨量進行直接反饋控制；4)通過仿真和實驗對比驗證了本文提出的設計及控制方法的有效性。針對小型SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，采用可擴展模塊化單片機設計和自適應控制算法，可以獲得更加精確的NOX排放濃度，減少了氨氣使用量，降低了脫硝運行成本，具有實際的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 蔡麗萍, 郭國義,江志彬. 煙氣脫硝技術的應用與展望[J]. 工業(yè)爐, 2013, 35(5): 16-18.

[2] 趙瑩, 范麗. 我國SCR催化劑的技術現(xiàn)狀綜述[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2013, 56: 53-55.

An Extensible Small SCR Flue Gas Denitration Ammonia Injection Control

System and Optimization Control Method

ZAN Xiaoshu， LI Yujian， MA Biao， ZHANG Haifeng， FENG Dachuan

(School of Electric Power Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

Abstract：Ammonia injection control system plays a decisive role in the SCR flue gas denitration system. An extensible small flue gas denitrification device based on selective catalytic reduction (SCR) system and optimization scheme is put forward for the small coal-fired boiler. The ammonia injection control system hardware circuit is designed including the core control circuit design of DSP, function of control module design of single chip microcomputer, etc.. The fuzzy PI control method based on load feedforward is completed in the ammonia injection device control method. The NOXconcentration detection is finished using regional multipoint measurement combined with arithmetic average and median filtering method. Also the multi-cell joint control of ammonia injection control system is optimized too. Finally the effectiveness of the proposed control method is verified by the simulation experiments. The control system and the optimization method have practical application value for effectively completing the NOXemission concentration control, reducing the use amount of ammonia and denitration operation cost.

Key words:selective catalytic reduction (SCR)， ammonia injection system， fuzzy PI control， optimization method

中圖分類號：TK 32

文獻標志碼:A