燃煤電廠脫硝NOx的軟測量技術和自動控制優化

陳榮超

(浙江浙能鎮海發電有限責任公司,浙江寧波315208)

燃煤電廠脫硝NOx的軟測量技術和自動控制優化

陳榮超

(浙江浙能鎮海發電有限責任公司,浙江寧波315208)

為了解決脫硝NOx測量不準和控制不穩定的問題，簡要介紹了SCR脫硝法的基本原理和工藝，分析了當前脫硝NOx測量技術和脫硝自動控制的特點，接著重點提出了一種基于鍋爐燃燒模型的脫硝NOx軟測量技術，以及基于NOx軟測量技術的脫硝自動控制優化方法，通過在某臺機組上的實際應用表明，該方法可行且有效。

NOx；軟測量；多變量；優化

0 引言

根據《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)，自2014年7月1日起，燃煤鍋爐煙塵排放中NOx限值在重點地區為100 mg/Nm3。燃煤火電廠通過脫硝技術改造后的機組，要實現穩定的小于100 mg/Nm3的NOx排放目標，同時又要保證脫硝工藝的效率滿足環保考核要求，防止氨氣過量。在排放和效率達標的前提下少噴氨，減少經濟投入，同時防止進入大氣中形成對大氣的氨污染以及對空預器通道的堵塞影響，需要一套完善的脫硝NOx測量技術和自動控制系統。

1 SCR法脫硝工藝簡述

SCR煙氣脫硝法是火電機組控制氮氧化物排放最可靠的手段[1]。SCR法脫硝是將液氨蒸發器后一定濃度的氨通過噴氨格柵噴入鍋爐省煤器后的煙氣中，混合后的煙氣通過SCR反應器，在反應器中的催化劑作用下，NH3與NOx發生化學反應，將煙氣中的NOx轉化為氮氣和水，從而除掉氮氧化物的方法。脫硝SCR法裝置中，一般配置有兩個獨立的SCR反應器、兩套噴氨格柵、兩套聲波吹掃裝置、兩臺稀釋風機(一用一備，兩側公用)、兩個氨/空氣混合器、兩套氨蒸氣供應管路、兩套稀釋空氣供應管路及配套的閥門、管道、儀控測量設備等。

2 優化前的脫硝NOx測量和自動控制方法

一般的脫硝控制系統首先測量出實際的煙氣量、煙氣入口和出口的NOx含量等，接著再結合預先設定的脫硝效率計算出需要的噴氨量，計算出的噴氨量與實際氨流量進行比較后作為噴氨調節閥的控制指令，以合理的閥門開度維持合適的氨流量。

2.1 優化前的脫硝NOx測量

煙氣入口和出口NOx的檢測是脫硝控制系統構成的關鍵部分。NOx是通過精密分析儀使用紅外線光學法來測定濃度的，由于分析儀對安裝環境(包括振動、溫度、濕度)等的要求，不能直接安裝在鍋爐煙道上，而是通常采用數十米長的采樣管將樣氣引導到CEMS小室再進行分析，圖1是NOx分析儀的測量過程示意圖。圖1中D指的是就地采樣探頭到分析儀控制柜的采樣管路的長度，通常在30～40 m之間。分析儀的煙氣流量在60～80 ml/h，根據采樣管的直徑來計算，從煙氣樣氣的抽取，到分析儀分析出數據，再根據數據計算出噴氨閥的控制指令，一般需要40～60 s的時間。而流速在15 m/s左右的煙氣從經過入口NOx到出口NOx不到3 s的時間，顯然出口NOx得出的數據不能實際驗證根據入口NOx數據計算出的自動噴氨需求量，尤其是機組的負荷或燃燒工況隨時變動、入口NOx數據波動的情況下更加難以控制。因此直接用分析儀得到的煙氣出、人口NOx進行控制難以實現系統的穩態控制。

圖1 NOx分析儀測量過程圖

2.2 優化前的脫硝自動控制方法

圖2 基本控制邏輯圖

脫硝控制是一個典型的大延遲時間過程，目前的脫硝自動控制策略是基于脫硝效率設置的。該控制策略根據原煙氣入口NOx情況，由運行人員設置一個合適的脫硝效率，系統根據此效率計算出當前煙氣流量所需的氨量，從而實現脫硝的自動控制，如圖2。從控制邏輯中可以看出，從煙氣量和入口NOx計算出的氨的需求作為前饋量，在鍋爐負荷不變及燃燒穩定的情況下能有較好的控制效果，但沒有解決延遲時間問題。在鍋爐負荷變化或燃燒調整時，會導致噴氨量的過量或不足。另外，此策略使用PID實現閉環控制，在使用中變量較單一，只能適應鍋爐負荷不變，煙氣量穩定的工況。

3 脫硝NOx軟測量和自動控制優化

為消除鍋爐負荷或燃燒波動時對脫硝控制系統的擾動，在基本控制邏輯中增加了鍋爐負荷變化的微分值，同時，將排粉機和上層給粉機等對鍋爐煙氣氧量變化影響較大的設備的啟停信號引入控制系統。在進行上述的優化后，脫硝控制系統仍然不能達到預期的完全控制，在實際運行中，運行人員需要頻繁撤出脫硝自動，進行手動干預。

有技術人員通過在出口NOx濃度控制策略的基礎上使用粒子群算法對該系統進行優化[2]，能有效抑制內擾，但不能克服鍋爐燃燒不穩定帶來的擾動，且算法過于復雜。通過軟測量技術進行NOx的預測能很好解決該系統測量滯后大的問題，再通過引進多變量參數，用于自動控制系統的性能優化，從而使得脫硝NOx自動控制系統穩定、適應各種變負荷工況。

3.1 脫硝NOx的軟測量方法

軟測量技術是一門新興的工業應用技術，軟測量的核心問題是對象模型的建立。有技術人員根據軟測量技術準確測定出入爐煤質[3]，文獻[4]進行了基于支持向量機的NOx測量模型研究;文獻[5]還利用RBF神經網絡建立了NOx的預測模型，都取得了一些效果。在熟悉工藝流程的基礎上，軟測量通過監測一些容易且沒有時滯的輔助變量，然后再通過某種數學關系進行估計、計算來得出需要的主變量。煙氣入口NOx與鍋爐中輸入的燃料量、風量以及各種燃燒工況有很強的因果關系，影響NOx生成的鍋爐燃燒過程也是相對較為清楚的工藝過程，因此通過分析鍋爐燃燒中熱量平衡和物料平衡來建立NOx的測量模型是一種更為簡便、易于實現的軟測量方法。

NOx軟測量技術使用鍋爐燃料模型計算的方式，尋找出NOx變化的預估值，從鍋爐的各種輸入量中得出煙氣入口NOx量的模型，從而能提前并準確得計算出入口NOx，克服NOx測量儀表取樣測量反應遲緩問題。同時又用NOx測量的結果對軟測量進行長期修正擬合，使得軟測量結果用硬測量結果進行印證和修正，遞歸出一個較準確和及時的軟測量結果。經理論分析和實際測量統計顯示，鍋爐出口NOx含量首先與鍋爐內燃燒過程中的過剩空氣系數有密切關系，過剩空氣系數增加時NOx含量增加，過剩空氣系數減少時NOx相應減少；其次，與鍋爐內燃盡風占總風量的比例也有密切關系，在一定比例范圍下燃盡風占總風量的比例增加時鍋爐出口NOx減少，燃盡風占總風量的比例減少時鍋爐出口NOx增加。由于這兩個因素的存在，可以擬合出如式(1)的一個函數：

F(x)=G(Q2)+G(Ksofa)

(1)

式中：G(O2)是鍋爐燃燒結束后氧量與NOx相關的函數，函數是通過歷史數據統計擬合得來的一個非線性函數,G(Ksofa)是鍋爐燃盡風與NOx相關的函數。由于測點布置和鍋爐結構的關系，需要根據鍋爐負荷風量變化加入50～90 s的數據延時，從而使之適應脫硝入口的工藝時序要求。圖3是軟測量的具體算法組態。

圖3 脫硝NOx軟測量算法組態

3.2 脫硝自動控制優化

軟測量得到數據是通過大量的實測數據間接得到的，實測數據的誤差會導致軟測量結果的誤差。要縮小甚至消除NOx軟測量結果與實際的NOx數據的偏差，必須使用脫硝原煙氣NOx的長期統計值對之進行遞歸修正，需要用實際NOx測量數據來對軟測量結果進行實時校正。圖4是NOx校正算法組態。

圖4 脫硝NOx校正算法組態

脫硝系統自動調節過程中，調節氨氣流量時，會同時影響到脫硝效率和凈煙氣NOx含量兩個參數，這兩個參數都只要在一個合理的范圍內就行，在這個范圍內并不要求必須控制在某個具體值。對于一個具體運行中的脫硝系統，存在一個合理的脫硝效率區間和一個合理的凈煙氣NOx含量參數區間。對于脫硝效率，應該是不低于70%以滿足環保指標要求，高限則是不可在凈煙氣中有過量的逃逸氨氣為原則。而對于煙氣出口NOx含量，高限應該是不超過環保排放要求的100 mg/ Nm3，而低限則是不應該在凈煙氣中測量到逃逸氨氣。因此，優化后的脫硝自動控制系統可以通過設置一個函數區間來作為控到目標值。

優化后的脫硝自動控制系統將設置氨逃逸量、脫硝率>70%和凈煙氣出口NOx含量<100 mg/Nm3等三個限制條件，以有效減少凈煙氣氨逃逸，控制策略框圖如圖5。如圖5所示，煙氣流量測量值需進行溫度壓力等修正，脫硝率則經過凈煙氣折算值和逃逸量修正及限制后，再送入氨需求計算回路，計算出理論需求氨氣量，再用氨氣實際流量進行濃度修正，這樣可以克服流量測量的漂移。整個回路以理論計算為依據，并通過實測值進行折算修正，使得此算法能適應現場閥門設備特性的變化。

圖5 多變量控制算法框圖

3.3 優化前后的效果比較

控制策略修改后，經過投入6號機組脫硝自動的實際使用及優化前后的趨勢對比，證明了基于軟測量及多變量技術的脫硝自動優化是有效的。圖6、圖7分別是該機組甲側脫硝自動優化前、后24 h的各主要參數的變化趨勢圖。圖6為甲側出口NOx數據在負荷穩定時振蕩，在負荷變動時的排放時常超過100 mg/ Nm3;圖7是優化后的甲側趨勢圖。顯然，出口NOx數據在負荷穩定時無振蕩，負荷變動時排放能控制在60～80 mg/ Nm3之間。

圖6 優化前主要參數的24 h變化趨勢

圖7 優化后主要參數的24 h變化趨勢

4 結論

優化后的控制趨勢，可以看出，采用軟測量和多變量技術的脫硝控制優化達到了預期目標。優化控制結果穩定，無振蕩，適應各種工況變化無需運行人員的手動干預。經過脫硝自動優化后，提高了凈煙氣出口NOx的合格率并減少了波動，將NOx排放控制在合理值上。另外，在優化控制下，消除了出現不合理的超低出口NOx現象，避免大量的氨逃逸問題，減少對煙氣后級設備的影響和對空氣的氨污染。

[1]張志強,宋國升，陳崇明，等.某電廠600 MW機組SCR脫硝過程氨逃逸原因分析[J].電力建設, 2012, 33(6): 67-70.

[2]王瑾,董澤. 基于粒子群優化的選擇性催化還原脫硝控制系統仿真[J].電力科學與工程, 2014, 30(3): 25-28.

[3]蘇保光,田亮，王琪，等.一種在線煤質軟測量方法[J].電力科學與工程, 2011, 27(7): 32-36.

[4]王雅彬，李曉敏，邊澤楠，等.基于支持向量機的電站鍋爐NOx排放軟測量模型[J]. 電力科學與工程, 2012, 28(4): 55-59.

[5]李勤道.基于爐內參數的燃燒系統優化運行理論與技術的研究[D].保定:華北電力大學博士論文,2013:51-52.

NOxSoft-sensing Techniques and Denitration Auto-controlOptimization of Coal-fired Power Plant

Chen Rongchao

(Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Co.,Ltd.,Ningbo 315208,China)

To cope with the instability of NOxmeasurement and control,the basic principle of SCR denitration method and process is introduced in this paper. Then the advantages and disadvantages of basic denitration auto control are analyzed. Finally, NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control of SCR denitration have expounded. The application shows that NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control are effective and feasible.

NOx; soft-sensing; auto-control; optimization

2014-06-23。

陳榮超(1972-)，男，高級工程師，從事電廠熱工專業DCS、DEH、PLC系統和設備的技術管理、維護工作,E-mail:crczj@163.com。

TK323

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.004