300 MW燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝噴氨自動控制策略優(yōu)化

李峰，姜文堂，史忠軍，張國，胡勇，丁少昆

(華電能源股份有限公司牡丹江第二發(fā)電廠，黑龍江 牡丹江 157015)

1 概述

華電能源股份有限公司牡丹江第二發(fā)電廠四期工程#8和#9國產(chǎn)機(jī)組，裝機(jī)容量為2×300 MW，控制系統(tǒng)采用華電南自天元控制系統(tǒng)科技有限公司的TCS-3000 分散控制系統(tǒng)(DCS)。#8，#9機(jī)組分別于2016、2017年進(jìn)行煙氣脫硝系統(tǒng)超低排放改造，采用選擇性催化還原法方式(SCR)脫硝，目的是將煙氣排放中的NOx的含量控制在50 mg/m3以內(nèi)，達(dá)到火電機(jī)組煙氣NOx超低排放的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

目前機(jī)組脫硝自動控制系統(tǒng)采用基于催化劑脫硝能力的脫硝效率控制方式，將脫硝效率[(入口NOx濃度-出口NOx濃度)/入口NOx濃度]作為給定值，按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx，保持脫硝效率在設(shè)定范圍內(nèi)。該方法自動調(diào)節(jié)品質(zhì)差，易造成過度噴氨，增加運(yùn)行成本，無法滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行需要。本文提出以固定出口NOx的串級控制方法代替脫硝效率的優(yōu)化控制策略，實(shí)際應(yīng)用效果顯著。

2 脫硝效率控制方式

脫硝效率控制方式為單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，給定目標(biāo)值為脫硝效率。通過PID調(diào)節(jié)作用控制調(diào)節(jié)閥開度使脫硝效率跟蹤設(shè)定值，控制原理如圖1所示。

脫硝效率給定目標(biāo)階梯值是根據(jù)脫硝入口NOx含量值分段設(shè)定，這種控制策略的調(diào)節(jié)方式過于簡單，對于噴氨量的調(diào)節(jié)過于粗疏，極易發(fā)生過調(diào)或欠調(diào)，耗氨量較大，脫硝效率較低。當(dāng)在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定的條件下投入自動狀態(tài)運(yùn)行時，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)勉強(qiáng)合格(以氮氧化物含量為標(biāo)準(zhǔn)，NOx含量控制在±15 mg/m3內(nèi))，但當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化或啟停磨煤機(jī)時，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，最大動態(tài)瞬時值超過100 mg/m3。

為克服調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外擾，采取了在原單回路自動調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上逐項(xiàng)增加啟停磨煤機(jī)前饋、氧量前饋、機(jī)組負(fù)荷前饋等調(diào)節(jié)控制策略，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)有了一定的改善(穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)有了一定的提高，NOx含量控制在±10 mg/m3內(nèi))，但還是不能完全克服外擾，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中依然存在超差現(xiàn)象。此后又使用折線函數(shù)修改設(shè)定目標(biāo)值和增加脫硝前NOx濃度、減脫硝后NOx濃度作為前饋等方法，效果均不明顯。

3 影響脫硝系統(tǒng)NOx參數(shù)穩(wěn)定的主要原因

受燃燒調(diào)整(鍋爐燃料量和風(fēng)量的增、減和配比關(guān)系的變化)、煤質(zhì)變化、負(fù)荷頻繁變化及啟停磨煤機(jī)等工況的影響，脫硝入口NOx濃度變化大、變化快。由于脫硝反應(yīng)區(qū)入口到出口的距離較短，稀釋后的氨氣與煙氣的催化還原化學(xué)反應(yīng)又需要一定的時間，所以反應(yīng)不完全，導(dǎo)致脫硝出口NOx濃度相應(yīng)快速升高。

噴氨不均勻會引起SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx含量分布不均勻，從而導(dǎo)致出口NOx測量值不具有代表性(在SCR反應(yīng)器內(nèi)NOx整體濃度不均性較小時，測量NOx值尚具有一定的代表性；但在SCR反應(yīng)器內(nèi)NOx整體濃度分布不均性較大時，測量NOx值就可能存在較大偏差)，因此就會影響噴氨調(diào)節(jié)效果。通常SCR反應(yīng)器內(nèi)NOx測點(diǎn)的安裝位置和數(shù)量決定了系統(tǒng)所測得的NOx濃度只能代表局部NOx濃度，如煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)取樣測點(diǎn)位置選取不當(dāng)，可能使取樣探頭處于渦流區(qū)，NOx測量數(shù)值不能正確反應(yīng)實(shí)際變化，這也影響噴氨的調(diào)節(jié)效果。

圖2 串級摩爾比自動控制方式原理

噴氨自動控制系統(tǒng)被控對象的響應(yīng)延遲時間在4 min左右，是典型的大滯后被控對象，這意味著噴氨調(diào)節(jié)閥動作后，出口NOx需要一段時間才會有變化，這使得調(diào)節(jié)的及時性受到制約。

4 串級摩爾比控制方式

提高脫硝效率和降低氨耗量，并且減輕運(yùn)行值班員的勞動量是優(yōu)化的最終目標(biāo)。串級摩爾比自動控制方式為串級控制，控制的主參數(shù)為脫硝出口煙道NOx含量，副參數(shù)為氨氣流量。基準(zhǔn)量為根據(jù)進(jìn)口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID輸出用于調(diào)整摩爾比修正值，副回路PID輸出用于控制調(diào)門開度，控制原理如圖2所示。

采用串級摩爾比自動控制策略，通過反饋控制提供需氨量，保持出口NOx值在設(shè)定范圍內(nèi)，煙氣進(jìn)口NOx濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量，再乘以NH3/NOx摩爾比(取決于脫硝效率)便可得到氨氣需求量，根據(jù)脫硝反應(yīng)方程式，理論上1摩爾NH3與1摩爾NOx進(jìn)行反應(yīng)，假定所有氨均參與反應(yīng)，則NH3/NOx摩爾比等于脫硝效率除以100、同時利用實(shí)際出口NOx濃度對NH3/NOx摩爾比加以修正(對氨氣需求量的修正)并參與控制，最終得到氨氣流量的設(shè)定值。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算得出的氨氣需求量信號通過控制氨氣進(jìn)口調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)自動控制[2]。這種控制方法同控制脫硝效率相比較，優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)一步增強(qiáng)變負(fù)荷、變工況系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，同時可彌補(bǔ)反應(yīng)器和煙氣分析儀的時滯，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)好。

5 調(diào)試和投運(yùn)中遇到的問題及解決方法

5.1 儀表自保持時間修改

(1)CEMS儀表的顯示值不連續(xù)。原使用的CEMS儀表工作在反吹和標(biāo)定等狀態(tài)時無自保持功能，通過查閱DCS系統(tǒng)歷史記錄，可以看到NOx值在反吹和標(biāo)定期間顯示值歸零。

(2)更換帶有自保持功能的CEMS儀表。在反吹和標(biāo)定過程中測量值會保持在吹掃前一刻的數(shù)值，使儀表的NOx參數(shù)顯示值連續(xù)，但NOx參數(shù)值保持不變。

(3)CEMS儀表自保持時間的修改，儀表工作在反吹和標(biāo)定時間的跨度不一致，時間范圍在4～6 min左右。調(diào)試時將儀表的自保持時間跨度統(tǒng)一限制為3 min內(nèi)。因CEMS儀表在自保持時，雖然DCS顯示的NOx參數(shù)值不變，但在實(shí)際煙道中的NOx含量是實(shí)時變化的，當(dāng)儀表數(shù)據(jù)自保持達(dá)到3min后恢復(fù)實(shí)際檢測值時，NOx的含量參數(shù)可能對比保持前的數(shù)值變化很多(或大、或小)，所以自保持時間越短對自動調(diào)節(jié)越有利。

5.2 噴氨流量波動

流量儀表的特點(diǎn)是參數(shù)值波動相對比較大(對比溫度和壓力測量)，因選用串級摩爾比的自動調(diào)節(jié)策略是副調(diào)控制噴氨流量，流量數(shù)值波動大對自動調(diào)節(jié)不利，因此在DCS系統(tǒng)中加裝慣性功能塊對流量參數(shù)進(jìn)行濾波處理[3]，減少流量波動對自動調(diào)節(jié)的影響。

5.3 噴氨不均勻

針對脫硝煙道內(nèi)噴氨不均的情況，采取了在脫硝煙道A，B兩側(cè)的各8個試驗(yàn)取樣口處，使用便攜式CEMS分析儀進(jìn)行不同插入深度逐點(diǎn)測量，根據(jù)NOx的多點(diǎn)測量值，再分別調(diào)整32個噴氨格柵的開度，經(jīng)過多次測量和反復(fù)調(diào)整，最終使NOx濃度場分布比較均勻，測量的NOx數(shù)值基本能正確反應(yīng)實(shí)際變化。

5.4 控制策略的調(diào)試

(1)將脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)修改為串級摩爾比控制方式后，主調(diào)控制脫硝出口NOx值，副調(diào)控制噴氨流量，主調(diào)的輸出為0.7～1.3的系數(shù)用來校正副調(diào)的噴氨流量。在投入自動運(yùn)行初期，NOx含量雖然能保持在一定范圍內(nèi)(±10 mg/m3內(nèi))，但是NOx參數(shù)值是處于周期性的波動，盡管將主調(diào)的比例增益設(shè)定的很小(0.02左右)但還是不能消除周期性的參數(shù)波動。對此將主調(diào)的輸出系數(shù)的控制策略進(jìn)行修改，將主調(diào)輸出0～100的值乘以0.6后除以100再加上0.7，進(jìn)行“標(biāo)幺”技術(shù)處理后，適當(dāng)?shù)男薷淖詣诱{(diào)節(jié)參數(shù)后，才將自動調(diào)節(jié)的NOx參數(shù)值周期性波動的難題消除。

(2)自動調(diào)節(jié)回路中的整體系統(tǒng)修正。因在實(shí)際運(yùn)行工況下，理論設(shè)計的煙氣流量值和實(shí)際運(yùn)行時的參數(shù)相差較大，控制回路中加入相應(yīng)的系數(shù)修正煙氣流量，來消除理論計算和實(shí)際應(yīng)用中的偏差。

5.5 自動調(diào)節(jié)參數(shù)的修改

雖然脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)A，B兩側(cè)的控制策略相同，但在實(shí)際煙道內(nèi)兩側(cè)的NOx調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是不一樣的。經(jīng)過多次觀察控制曲線、分析動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)超差和靜態(tài)不穩(wěn)定的原因，將A,B兩側(cè)的自動調(diào)節(jié)參數(shù)分別進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)試設(shè)置。因調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性不一致的原因，A,B兩側(cè)的比例增益參數(shù)竟然相差了10倍(A側(cè)10，B側(cè)1)。

6 脫硝自動優(yōu)化后投運(yùn)效果

優(yōu)化后的脫硝噴氨自動調(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，自動調(diào)節(jié)可長期投入。出口NOx質(zhì)量濃度穩(wěn)態(tài)時基本能穩(wěn)定在設(shè)定值的±5 mg/m3范圍以內(nèi)，動態(tài)調(diào)節(jié)時最大瞬時值不超過±25 mg/m3[4]，氨逃逸率控制在3 mg/m3以內(nèi)，噴氨自動控制滿足運(yùn)行要求。既減輕了運(yùn)行值班員的操作強(qiáng)度，又使NOx排放濃度滿足環(huán)保要求。

實(shí)際擾動情況驗(yàn)證:當(dāng)啟動E磨煤機(jī)(60 min以上)后再停止E磨煤機(jī)，脫硝入口NOx含量發(fā)生突升、突降100 mg/m3左右時，脫硝出口NOx參數(shù)能保持穩(wěn)定。自動發(fā)電量控制(AGC)投入時，實(shí)際擾動為機(jī)組負(fù)荷變化30～40 MW，脫硝出口NOx參數(shù)能保持穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

脫硝SCR控制系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化應(yīng)用基本的比例、積分控制方式，不僅參數(shù)整定方式清晰、對象識別速度快，而且充分利用隨動關(guān)系對應(yīng)NH3/NOx摩爾比，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的檢驗(yàn)，達(dá)到了各項(xiàng)控制指標(biāo)，較好地滿足了SCR脫硝自動化控制要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障，對于SCR脫硝系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。

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