脫硝噴氨自動控制系統應用與分析

摘 要針對公司#4機組超低排放改造后，原常規的PID+前饋控制方式無法滿足調節過程中的負荷變化、給煤機斷煤、磨煤機切換等工況變化，造成控制品質下降、調節滯后等問題。采用集成了預測控制和神經網絡等先進控制技術的INFIT優化控制系統，以考核指標作為控制目標，應用以來不僅可滿足環保排放指標要求，同時提高了脫硝控制品質。

【關鍵詞】控制策略 控制品質 預測控制 INFIT NOx

1 引言

目前國內大型火電機組的SCR脫硝控制系統由于控制策略設計不完善、控制目標不夠明確、現場測量條件限制等問題，系統的自動投入率和投入效果較差，使得整個脫硝系統的運行性能受到明顯影響。我公司#4機組在進行過超低排放改造后，根據環保要求，煙囪入口氮氧化物NOX濃度控制要求將不超過50mg/Nm3，比原有控制要求在100mg/Nm3以下減小了一倍，煙囪入口氮氧化物NOx濃度可調節范圍變小，噴氨量變大。通過對噴氨自動控制系統升級改造，取得較好的調節品質。

2 目前脫硝噴氨自動控制系統現狀及分析

目前SCR脫硝閉環控制策略，基本設計為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。該控制方式下的設定值為氨氮摩爾比或者脫硝效率，控制系統根據當前的煙氣流量、SCR入口NOx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，這種控制方式較簡單；部分電廠總結固定摩爾比控制方式的不足，采取了固定SCR出口NOx濃度控制方式，此時系統設定值為SCR出口NOx濃度，并根據其與實際出口NOx濃度的偏差來動態修正氨氮摩爾比，達到閉環控制SCR出口濃度的效果。但不論上述何種控制方案，在正常運行中均表現出如下問題：

2.1 控制目標不與考核目標對應

環保部門最終對電廠進行考核核算的指標是煙囪入口處的NOx濃度測量值（由CEMS表計測得）。而目前自動調節控制目標是SCR出口的NOx，由于SCR出口NOx濃度與煙囪入口NOx濃度不論在靜態關系還是動態特性上均存在著較大的差別，也使得電廠的最終環保考核結果不佳。

2.2 控制策略設計過于簡單，與脫硝被控對象不相適應

根據試驗情況，脫硝被控對象（NH3流量→煙囪入口NOx濃度）的響應純延遲時間接近3分鐘，整個響應過程達十幾分鐘，是典型的大滯后被控對象，控制系統想要獲得良好的控制品質，必須以基于大滯后被控對象的設計思路進行優化。而目前普遍應用的控制策略均采用簡單的PID+前饋的方案，必然無法獲得良好的控制品質。

2.3 控制系統的運行過分依賴于現場測點的完好性

SCR進、出口的NOx、O2測量儀表由于長期運行在灰、塵較高的環境下，容易出現部分或整體失真的情況，且儀表的定期吹掃、標定也會使測量值瞬間突變。目前國內應用的脫硝控制策略對上述問題均無相應應對，一旦某個測點失靈特別是出口NOX測量儀表故障時，整個控制系統即處于癱瘓，系統的長期可用性明顯受到影響。

出現上述問題的主要原因是：目前國內的脫硝控制策略過于簡單，對于煤種多變、機組負荷受AGC頻繁調度、測量儀表存在失真的脫硝運行環境，則應將先進的控制技術如：預測控制、神經網絡控制、自適應控制、模糊控制等技術應用到脫硝優化控制中來，才能獲得滿意的控制品質。

3 INFIT脫硝噴氨自動控制系統控制策略及特點

3.1 INFIT自動控制系統總體配置

INFIT控制系統是獨立于DCS系統以外的一套軟、硬件一體化的控制系統，可通過DCS系統的通訊模塊融入到DCS系統中。與DCS通過MODBUS通訊方式進行信號傳輸。INFIT控制系統以PLC作為硬件平臺，采用SCL、STL語言（匯編語言）開發了所有的高級控制算法模塊，并通過面向對象的封裝技術，建立了類似一般DCS系統組態的函數庫，通過函數調用完成機組優化控制工程。與DCS系統通過MODBUS通訊方式交換數據，取得機組負荷、NOx濃度、NOx設定值、AGC指令、標定信息等數據，并將PLC內部優化計算后的控制指令傳送至DCS系統。

INFIT控制系統的應用無需改變DCS系統的原有控制功能，通過DCS操作畫面上的投/切按鈕，運行人員可以自由選擇噴氨自動控制系統是受控于INFIT系統或者是原DCS系統。當發生通訊故障、INFIT系統故障、I/O信號故障時INFIT控制系統立即交出控制權，機組可平穩過渡到原DCS控制的合理運行方式下。

3.2 INFIT自動控制系統控制策略及特點

3.2.1 INFIT自動控制系統控制策略

針對公司#4機組SCR脫硝過程的特點，采用先進的預測控制和神經網絡控制技術，提出了新型的脫硝噴氨自動控制方案，控制策略圖如圖1所示。

3.2.2 INFIT自動控制系統控制策略特點

（1）直接以考核指標作為控制目標。INFIT噴氨自動控制系統直接以煙囪排口的NOx濃度測量值作為調節目標，對控制效果的評估可以直接以環保考核指標為依據，同時也為正常運行中的運行調整帶來極大的方便。

（2） 整個控制策略以預測控制為基礎。采用針對SCR脫硝控制系統的大滯后特性，INFIT噴氨自動控制系統應用了目前國際上最前沿的預測控制技術，同時融合改進的狀態變量控制、相位補償控制技術，取代了原有的常規PID控制。采用這種技術能夠提前預測被調量的未來變化趨勢，而后根據被調量的未來變化量進行控制，有效提前調節過程，從而大幅提高了脫硝系統的閉環穩定性和抗擾動能力。

（3）進行實時的動態特性校正和補償。采用智能前饋技術對脫硝控制系統的各種擾動因素進行動態補償，從反應源頭及時消除煙囪排口NOx濃度的波動。同時INFIT噴氨自動控制系統采用競爭型的神經網絡學習算法來實時校正上述動態補償算法中的各項特性參數，使得整個系統始終處于在線學習的狀態，控制性能不斷向最優目標逼近。

（4）增加針對AGC指令多變情況下的特別節氨算法。國內機組AGC運行的特點是指令變化頻繁，此時NOx濃度也將受影響而反復波動，此時控制系統若仍采用常規控制策略，極易因反饋調節作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩情況，使控制性能明顯變差，增加氨氣消耗量。INFIT噴氨自動控制系統根據機組AGC指令的變化規律，實時預測NOx濃度的波動，調整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，從而減少不必要的控制調節，使氨氣消耗明顯減少。

（5） 對個測量儀表數據在線評估，實時調整控制權重。INFIT噴氨自動控制系統根據機組運行的實時參數，不斷對各NOx測量儀表的數值進行在線評估，發現失真現象后立即調整該測量參數在控制系統中的權重占比，將部分測量值失真給控制系統造成的影響降至最低，從而保證脫硝控制系統的長期可靠運行。

4 INFIT脫硝噴氨自動控制系統現場應用分析

在DCS脫硝畫面中增加INFIT噴氨自動投退按鈕、煙囪運行模式投切按鈕，投入INFIT控制按鈕后，如將煙囪運行模式按鈕投入時系統實現INFIT控制系統對煙囪排口氮氧貨物的控制，如煙囪運行模式按鈕未投入則對A、B側脫硝出口氮氧化物自動控制。INFIT噴氨自動控制系統投入與退出均可實現系統無擾切換，如圖2、圖3所示。

INFIT控制系統投運以來，脫硝噴氨自動投入率、出口NOx控制品質明顯改善，在變負荷工況時，入口NOx大幅波動，但煙囪排口均在設定值范圍內波動，上下波動范圍不超過10mg/m3，控制品質及系統穩定明顯提高，如圖4所示。

5 結束語

通過近半年多時間的現場應用，INFIT控制系統技術先進，性能可靠，控制品質好；調節較靈敏，系統抗干擾能力強，能適應機組負荷大幅度變化及制粉系統磨煤機切換等工況變化。采用針對機組AGC運行方式下的特別優化算法，使得煙囪入口的NOx濃度波動幅度更小，NOx控制目標的設定數值可以更加接近于環保考核值，脫硝系統的氨氣消耗量將明顯降低，同時當INFIT控制系統出現參數監測異常或系統故障時，可無擾切換至常規控制有利于機組安全和經濟性運行要求。在滿足國家環保要求的前提了提高了機組的自動化水平，有著廣闊的運用前景。

參考文獻

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作者簡介

田猛（1984-），男，工程師，從事電廠熱工設備維護及技術管理工作。

作者單位

淮陰發電有限責任公司安全生產部 江蘇省淮安市 223002