脫硝優化控制系統研究與應用

楊 棟，郭景輝

（華電萊州發電有限公司，山東 萊州 261400）

脫硝優化控制系統研究與應用

楊 棟，郭景輝

（華電萊州發電有限公司，山東 萊州 261400）

煙氣脫硝是現今電廠實現節能環保的重要措施之一。脫硝優化控制系統用于實現電廠煙氣脫硝工作的智能優化控制。該系統以選擇性催化還原法為基礎，采用模型計算的方式對煙氣中的NOx含量進行預估，利用閉環修正的方法得出氨氮摩爾比，實現氨流量的準確控制。系統測試結果表明，該系統可以根據出口NOx指標和氨逃逸情況及時修正脫硝效率設定值，保證了脫硝工作自動控制的準確性和穩定性，減少了氨耗量和氨逃逸，實現了綜合優化脫硝控制。

煙氣脫硝；控制系統；模型預估；氮氧化物；流量控制

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，環保要求日益提高，火電廠大氣污染物的排放規范也日漸完善。根據國家政策和環保局要求［1］，電廠發電機組安裝了脫硝系統，實現煙氣排放物的脫硝處理，使得電廠煙氣排放物中NOx的含量符合國家環保部規定標準。現有的脫硝方法分為干法脫硝、濕法脫硝兩大類［2-3］，其中干法脫硝又分為選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）和選擇性非催化還原法（Selective Noncatalytic Reduction，SNCR）。 濕法脫硝需要復雜的設備裝置，且存在廢水處理等問題。SNCR脫硝法的脫硝效率不高，氨耗量大，且對溫度控制的要求較高，脫硝系統裝置多采用SCR選擇性催化還原法實現。

1959年SCR技術在美國被提出，20世紀70年代日本首先利用SCR方法實現大型火電機組鍋爐煙氣的脫硝工作［4］。繼而歐洲各國對SCR技術進行了改進優化。目前，SCR脫硝技術在歐美日等發達國家已經得到了全面推廣，不僅應用于火力發電廠，而且在水泥、鋼鐵等其他化學處理廠也得到了廣泛應用。在我國，SCR核心技術與設備大多來自于進口，且存在成本高、與國內環境不符等問題［5］。國內SCR技術也在不斷地發展應用中，國家氮氧化物排放新標準的頒布，使得基于SCR技術的脫硝系統的普及和投運變得日趨重要［6］。

在理想情況下，成熟的SCR脫硝技術的脫硝效率能夠達到90％以上［7］。SCR脫硝技術采用的還原劑是氨氣。將氨氣與空氣充分混合后注入反應器中，與未脫硝前的煙氣混合均勻，在較低溫度下即可與煙氣中的氮氧化物發生反應，生成無污染的氮氣和水。化學反應方程式為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

SCR脫硝裝置安裝于鍋爐爐膛出口和空氣預熱器之間，其脫硝設備由氨區和反應器兩個區域構成。反應器區域中的設備主要有：煙道、SCR反應器、吹灰系統、催化劑、灰斗、催化劑注入系統、氨供應系統。氨區的設備主要有：卸氨系統、蒸發系統、供氨系統、噴淋系統等。

1 脫硝系統現狀

萊州電廠脫硝自動控制策略是基于脫硝效率設置的，根據原煙氣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當前煙氣流量情況下應該噴入脫硝裝置的氨量，實現脫硝的自動控制。此策略使用PID實現閉環控制，只能適應煙氣量的變化工況，且由于是閉環控制，穩態控制時在一定幅度和周期的波動和變工況動態情況下存在反應遲緩問題。

脫硝基本設計為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。在該控制方式下，氨氮摩爾比被設定為固定值。控制系統根據當前的煙氣流量、SCR入口NOx質量濃度和設定氨氮摩爾比計算出NH3流量需求，最終通過流量PID改變氨氣閥開度來調節NH3實際流量。這種控制方式近似于開環控制，脫硝系統的NH3需求量僅根據靜態物理特性計算得出，不符合現場實際情況。其次，脫硝系統的控制目標與環保考核目標不對應。環保考核煙囪入口處的NOx質量濃度，而現有系統控制的是SCR出口的NOx質量濃度，SCR出口NOx質量濃度與煙囪入口NOx質量濃度靜態和動態關系均存在著較大的差別。再次，現有系統控制技術單一，難以控制復雜對象。脫硝系統的被控對象（NH3流量與煙囪入口NOx質量濃度）有大約3min的純延遲響應時間，整個的響應過程在10min以上，被控對象呈典型大滯后現象；催化劑消耗過程對被控對象特性影響大，是時變非線性被控對象，常規PID控制策略在處理這類對象時過于簡單。

針對上述問題，脫硝優化控制系統采用模塊化圖形組態方式編制方式，可完成常規控制、模糊控制、神經網絡控制和專家控制等復雜人工智能算法和控制組態，可用于各種復雜系統的系統運行分析、仿真計算和優化控制，使得出口氮氧化物的濃度得到智能優化控制，并且減少氨逃逸量，減少對大氣的污染。

2 脫硝優化控制系統

脫硝優化控制系統以“環保節能、經濟安全”為設計理念，既保證脫硝煙氣處理達到環保局要求，又考慮電廠運行的安全性、穩定性和經濟性。系統在測得煙氣NOx質量濃度基礎上，經過燃燒分析，對此進行更準確的修正計算，通過全面考慮煙氣流量、壓力、煙氣氧量，并結合氨空比、氨流量以及出口煙氣氧量和NH3逃逸量等因素進行精確計算，然后結合脫硝效率和出口NOx質量濃度設定值對氨流量閥進行準確控制。

2.1 系統原理

脫硝優化控制系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理

使用鍋爐燃料模型，尋找出NOx質量濃度變化的預估值，得出一個軟測量結果，克服NOx質量濃度測量儀表取樣反應遲緩問題。同時又用NOx質量濃度測量的結果對軟測量進行長期修正擬合，使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。

根據排放要求，計算出適當的脫硝效率設定值，并進行范圍限制后，與運行人員設定的效率設定值取大值輸出，得到系統最合理的脫硝效率最終優化設定值，這樣運行人員設定的效率值實際上是一個安全的下限值，運行中不再隨時根據鍋爐運行工況改變脫硝效率設定值。

系統根據NOx質量濃度預估值和效率優化設定值，即時計算出系統優化噴氨流量值，將優化氨流量噴入煙氣內進行脫硝反應，得到較為平穩的脫硝輸出NOx質量濃度指標。

系統根據脫硝出口NOx質量濃度指標和氨逃逸情況，及時修正脫硝效率設定值。由于本系統是以開環控制為主，以長期參數閉環修正為輔，所以可以得到快速的調節速度而且不會產生振蕩現象。

2.2 系統方案

在機組鍋爐電子間安裝脫硝優化控制系統控制器，設計DCS通信接口，完成控制系統保護、功能切換、數據轉換和傳輸等功能。

建立針對鍋爐燃燒和脫硝的物理模型，根據運行規程和總結運行人員經驗建立脫硝經驗模型。

在機組運行后，進行鍋爐燃燒與脫硝控制相關數據采集，并進行離線仿真和數據分析，完善物理模型和經驗模型。同時建立人工智能自學習模型，通過歷史數據，進行離線訓練，使最終控制模型盡可能接近被控系統。

建立鍋爐脫硝控制評價體系，并通過現場歷史數據進行驗證和離線調試，證實實時評價體系的合理性，并給出脫硝優化控制目標。

將脫硝優化控制系統投入閉環運行，在閉環環境下，進一步在線調試和訓練優化控制系統，以期達到最佳控制水平。

將脫硝控制目標作為系統優化控制定值，實現優化控制目標的在線閉環控制，實現機組脫硝優化控制。

2.3 系統配置

脫硝系統配置容量應該能滿足鍋爐脫硝要求，一次設備可保證通過脫硝后NOx質量濃度的達標排放。脫硝系統設備運行可靠。噴氨調節閥具有可調性，手動或自動運行時能調節噴氨量（不要求線性度很好）。NOx質量濃度測量裝置運行可靠穩定。

脫硝優化控制系統配置如圖2所示。采用獨立的編程站（工程師站）和專用控制器，并和鍋爐DCS控制系統選用Modbus通信協議（或其他協議）進行數據交換。專用控制器從DCS系統取得機組運行數據，經運算給出最優控制指令，并通過DCS系統控制相應的執行機構。為提高系統的控制可靠性，脫硝優化控制系統也可采用冗余配置。

圖2 系統配置

3 系統測試

脫硝優化控制系統控制器安裝后，與現有DCS系統以Modbus的通信方式建立連接。在此基礎上添加需要通信的測點，利用通信軟件進行系統測試。通信建立后，機組穩定運行，積累7~10d的歷史數據，查看是否轉化為脫硝優化控制系統的歷史數據進行記錄，對比DCS系統數據，驗證數據記錄的正確性。根據歷史記錄的大數據庫，對各個工況下的數據進行分析、計算，初步建立鍋爐氮氧化合物產生的模型機制，找出影響入口氮氧化合物、出口氮氧化合物濃度的因素，并進行歸一化處理；分析噴氨流量調節閥門的閥門特性，精確找出閥門開度與流量的線性度；根據控制模型組態邏輯，利用歷史數據離線回放，進一步修改邏輯。組態建立完整后，進行組態在線調試，結合運行實時數據，驗證邏輯的合理性。

系統測試結果表明，脫硝優化控制系統不依賴DCS可實現控制需要的先進的控制算法，同時調試效率大大提高，調試過程安全性高。該系統的脫硝出口NOx質量濃度變化幅度小于30mg／m3。脫硝系統的優化控制能夠減少氨逃逸量，從而減少爐內氨結晶引起的空預器堵塞，也能減少對大氣的污染；能適應鍋爐負荷急劇變化的工況，比如AGC自動增益控制投入時，出口NOx也不會超標；脫硝氨的消耗量減少了5％~10％，減少了脫硝過程的材料消耗；消除環保氮氧化物濃度測點和反應器出口氮氧化物濃度測點的偏差，實現綜合優化脫硝控制。此外，使用該系統，運行人員的操作方式保持不變，控制方案之間可以實現無擾切換，系統靈活、安全。

4 結語

脫硝優化控制系統用于智能控制電廠的煙氣脫硝工作。系統對測得的煙氣NOx質量濃度進行模型計算，獲得NOx質量濃度變化的預估值，實現煙氣中NOx質量濃度的軟測量，克服儀表測量反應遲緩問題。同時利用儀表測量數據對軟測量結果進行修正擬合，保證了NOx質量濃度測量結果的及時性和準確性。根據參數變化進行智能控制氨流量閥，減少氨量過調現象，降低氨耗量，降低對空預器設備的損害，確保了電廠機組節能環保運行，提高了運行的經濟性和安全性。

［1］ 楊冬，徐鴻.SCR煙氣脫硝技術及其在燃煤電廠的應用［J］.電力環境保護，2007，23（1）：49-51.

［2］ 閆志勇，駱仲泱，高翔，等.NH3選擇性催化還原NO數學模型［J］.浙江大學學報：工學版，2007，41（12）：2 093-2 097.

［3］ 孫克勤，鐘秦，黃麗娜，等.OI2-SCR煙氣脫硝技術在改造工程中的應用［J］.中國電力，2007，40（2）：67-70.

［4］ 楊超.脫硝裝置控制系統的整合和優化［D］.杭州：浙江大學，2015.

［5］ 朱林，吳碧君.SCR煙氣脫硝催化劑生產與應用現狀［J］.中國電力，2009，42（8）：61-64.

［6］ 孫克勤.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［7］ 劉文平.基于DCS的煙氣脫硝控制系統設計及應用［D］.北京：華北電力大學，2014.

Research and Application of Denitrification Optimization Control System

YANG Dong，GUO Jinghui
（Huadian Laizhou power generation Co.，Ltd.，Laizhou 261400，China）

Flue gas denitration is one of the important measures for achieving energy conservation and environment protection in power plants now.A denitrification optimization control system is proposed in this paper for denitrification intelligent optimization control in power plant.This system models the selective catalytic reduction process and predicts NOxcontent in the flue gas by calculation.The ammonia nitrogen mole ratio is calculated by closed-loop correction for controlling the ammonia flow accurately.The system test results show that the system modifies the denitration efficiency value accurately and swiftly based on the export of NOxcontent and NH3escape.This ensures the accuracy and the stability of flue gas denitration.It improves the efficiency of the use of NH3and achieves flue gas denitration control more synthetically and optimized.

flue gas denitrification technology；control system；model predictive control；NOx；flow control

TM621

：B

：1007－9904（2017）07－0061－04

2017-03-29

楊 棟（1987），男，從事熱工設備維護工作。