基于前饋補償的火電廠脫硝控制系統研究

(煤科院節能技術有限公司，北京 100013)

0 引 言

火電廠燃煤產生的NOx是大氣污染物的重要來源之一[1]。隨著火電廠超低排放標準的出臺，為了降低NOx排放，選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)煙氣脫硝系統得到了廣泛應用[2]。隨著新能源快速發展，火電機組深度調峰能力不斷提高，負荷快速變化過程中，磨煤機會執行啟/停動作，造成煙氣中NOx濃度大幅變化，煙氣超標排放。為確保火電機組全工況下煙氣達標排放，SCR系統噴氨量控制得到廣泛關注。羅子湛等[3]通過分析脫硝反應過程，利用固定氨氮摩爾比方法對噴氨量進行控制。武寶會等[4]等采用固定出口NOx濃度方法，通過不斷調整氨氮摩爾比來控制噴氨量，保證SCR出口NOx濃度能跟蹤設定值。李剛等[5]分析了SCR系統噴氨控制過程中大延遲的產生原因，結合Smith預估器，提出了模糊自適應Smith串級控制策略，實現了脫硝系統快速穩定調節。

噴氨量是影響脫硝效率的重要因素，過量噴氨會導致氨逃逸超標，造成空氣預熱器的堵塞及下游管道的腐蝕，對機組安全運行造成不利影響;噴氨量不足會導致SCR出口煙氣超標排放，造成環境污染并為電廠帶來經濟損失。目前，火電廠通常采用單回路控制策略進行噴氨量控制[3-4]。但由于氨制備過程、煙氣NOx濃度取樣分析過程以及SCR反應過程存在延遲，SCR系統是具有大延遲和大慣性特性的被控對象，傳統的單回路控制系統難以取得良好的控制效果，無法實現噴氨量的準確控制。串級PID控制系統能迅速克服內部擾動，及時適應機組的負荷變化，廣泛應用于具有大延遲特性的被控對象[6-9]。前饋控制可將被調量超前反映到調節器，從而克服大延遲環節的影響，改善控制品質[10-13]。針對SCR系統的大延遲、大慣性特性以及磨煤機啟/停對SCR系統的影響，本文在串級控制方法的基礎上結合前饋控制策略，利用磨煤機的啟/停信號構建主調節器前饋信號，利用總煙氣量和SCR入口NOx濃度構建副調節器前饋信號，提出了SCR系統噴氨量優化控制策略。將該策略應用于火電廠SCR系統并進行現場試驗。

1 火電廠SCR系統

某電廠330 MW機組SCR煙氣脫硝系統示意如圖1所示。SCR系統布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間，以V2O5/TiO2為催化劑。氨氣與稀釋空氣混合后經噴嘴噴入煙道中，再通過導流裝置與省煤器出口的煙氣混合后進入反應器。混合氣體在300～400 ℃條件下發生選擇性催化還原反應，將NOx轉化為無害的氮氣與水蒸氣，從而實現煙氣脫硝[14]。脫硝過程中的主要化學反應為

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(4)

圖1 SCR脫硝系統示意Fig.1 Sketch map of SCR denitration system

除主反應外，SCR脫硝過程中還發生副反應:

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其中，NH4HSO4是一種黏性很強的物質，會吸附在催化劑表面造成催化劑失活，還會造成下游空預器堵塞，對機組的安全穩定運行造成不利影響。因此，有必要對SCR系統進行優化控制，減少副反應的發生，提高機組運行的經濟性和安全性。本文將前饋控制策略與串級控制方法相結合，利用磨煤機運行信息構建前饋控制信號，針對磨煤機啟/停對SCR系統的影響，提出了噴氨量優化控制策略。

2 磨煤機啟/停對SCR系統的影響

燃煤過程中生成的NOx主要有3類，分別為燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。其生成機理不同但存在一定聯系。NOx生成量與爐膛溫度關系如圖2所示(曲線1、2之間為燃料型NOx變化范圍，曲線3、4之間為熱力型NOx變化范圍，曲線5及以下為快速性NOx變化范圍)。

圖2 NOx生成量與爐膛溫度關系Fig.2 Relationship between NOx generation and furnace temperature

由圖2可知，爐膛溫度低于1 400 ℃時，燃煤生成的NOx中大部分為燃料型NOx，占NOx總量的60%～80%，其生成量受溫度影響較小。熱力型NOx生成量隨溫度升高逐漸增多，當溫度高于1 400 ℃時，熱力型NOx生成量快速增長。一般煤粉爐熱力型NOx占比為10%～20%。快速型NOx生成量較少，受溫度影響也相對不顯著。

磨煤機的啟/停會引起燃料量以及風量的波動，造成爐膛燃燒狀態變化，對爐膛出口NOx濃度產生影響。磨煤機啟動前需提前增加送風量，造成爐膛內煤粉處于富氧燃燒狀態，在氧化性氣氛條件下，NOx生成濃度和轉化率隨之提高。當磨煤機啟動時，爐膛中煤粉量升高，燃料型NOx增多，導致NOx總量升高。磨煤機停止過程中需維持送風量不變，風量不變而燃料量減少導致過量空氣系數升高，造成NOx生成量增多。隨著火電深度調峰能力的不斷增強，磨煤機的啟/停頻率也隨之提高。磨煤機的啟/停過程會造成SCR入口NOx濃度大幅波動。為保證脫硝效率的同時減少副反應發生，應對噴氨量進行精確控制，避免噴氨過量。

3 SCR系統噴氨量優化控制

3.1 常規PID控制方法

目前，常用的SCR系統噴氨量控制方法主要有2種：固定氨氮摩爾比控制方法和出口NOx定值控制方法。由于煙氣中NOx主要存在形式是NO，脫硝反應主要以式(1)為主，脫除1 mol的NO需消耗1 mol的NH3。固定氨氮摩爾比方法以此為依據，通過入口NOx總量計算所需噴氨量。與固定氨氮摩爾比方法不同，出口NOx定值方法通過不斷調整氨氮摩爾比來改變噴氨量大小，從而保證SCR出口NOx濃度穩定在一個固定值。固定氨氮摩爾比方法與出口NOx定值方法的控制原理如圖3、4所示。

圖3 固定摩爾比控制原理Fig.3 Control schematic of constant mole ratio

圖4 出口NOx定值控制原理Fig.4 Control schematic of constant outlet NOx

由于SCR系統的大延遲特性，常規PID控制方法噴氨量調整存在滯后，從而對脫硝效率造成不利影響。此外，磨煤機啟/停也會導致SCR入口NOx濃度大范圍波動，增加控制難度，影響控制效果。因此實際應用中，控制效果并不理想。

3.2 噴氨量優化控制策略

被控對象存在大延遲環節時，常規PID控制方法難以取得很好的控制效果。為解決這一問題，可根據對象特性設計前饋補償器，將被調量超前反映到調節器，從而克服大延遲環節的影響，提高控制品質，改善控制效果。

圖5 噴氨量優化控制方案示意Fig.5 Optimal control strategy of ammonia injection

SCR系統反應過程復雜，影響脫硝效率因素眾多，通過對機組運行歷史曲線進行分析，發現機組在啟/停磨煤機過程中，SCR出口NOx濃度顯著增加。針對這一問題，將不同層燃燒器對應的磨煤機的啟/停作為前饋控制信號引入控制策略中，并與串級PID控制方法相結合，提出了噴氨量優化控制策略，如圖5所示。圖5中X1、Y1為針對不同層燃燒器磨煤機啟/停過程分別設計的脈沖時間，X2、Y2為與磨煤機啟/停過程相對應的噴氨流量。當磨煤機發出啟/停信號時，前饋補償器通過脈沖信號作用于SCR系統，短時增加一定的噴氨流量，從而避免爐膛富氧燃燒造成的SCR出口NOx濃度上升。其中，X1、X2、Y1和Y2需要根據機組實際情況分別確定，確保適量噴氨。

4 優化控制策略應用

4.1 NOx設定值擾動試驗

設定值擾動試驗如圖6所示。設定SCR系統A側出口NOx濃度，從20 mg/m3升至35 mg/m3，之后階躍下降至30 mg/m3。

圖6 2號機組脫硝系統A側(NOx)設定值擾動試驗曲線Fig.6 Experiment curves of A-side(NOx) set value disturbance of No.2 unit's denitration system

對SCR系統B側出口NOx設定值進行擾動試驗，將設定值先從35 mg/m3降至20 mg/m3，持續5 min后再升至35 mg/m3，最后降至25 mg/m3。SCR系統響應效果如圖7所示。可知，出口NOx濃度設定值發生變化時，NOx實際值存在一定延遲。這是由于噴氨量在調整過程中要經煙氣濃度檢測和氨制備等環節，造成了一定延遲。當噴氨量調整完畢，出口NOx濃度實際值與設定值基本保持一致。

圖7 2號機組脫硝系統B側(NOx)設定值擾動試驗曲線Fig.7 Experiment curves of B-side(NOx) set value disturbance of No.2 unit's denitration system

設定值擾動試驗過程中將SCR出口NOx設定值由20 mg/m3增至35 mg/m3，選取穩態偏差和穩態時間作為評價指標，結果見表1。可知，在設定值擾動試驗中，采用噴氨優化控制策略后，SCR出口NOx濃度可快速跟蹤設定值，穩態時間較短，穩態偏差較小，保證煙氣達標排放，控制品質良好。

表12號機組脫硝系統A、B側(NOx)設定值擾動試驗
Table1A,Bside(NOx)setvaluedisturbanceexperimentofNo.2unit'sdenitrationsystem

項目SCR出口NOx設定值變化/(mg·m-3)穩態偏差/(mg·m-3)穩態時間/minA側20～3529.5B側20～35411.0

4.2 變工況試驗

對2號機組進行變負荷試驗，機組負荷從280 MW升至330 MW，觀察SCR系統出口NOx濃度變化趨勢，如圖8所示。可知，當機組穩定運行時，SCR出口NOx濃度可控制在設定值附近。機組負荷升高時，SCR出口NOx濃度隨之升高，此時噴氨優化控制系統調整噴氨量，出口NOx濃度快速下降并達到設定值附近，保證了煙氣的達標排放。

圖8 2號機組變負荷試驗工況NOx控制系統隨動曲線Fig.8 Servo curves of No.2 unit's NOx control system in load change test condition

改變2號機組E磨煤機運行工況，觀察磨煤機停止過程中噴氨優化控制策略的控制效果，SCR系統出口NOx濃度變化趨勢如圖9所示。可知，E磨煤機由運行改為停止時，爐膛富氧燃燒導致NOx濃度升高，此時及時調整噴氨量，出口NOx濃度沒有出現大幅變化。此外，由于Y2數值設置合理，噴氨量調整適度，沒有造成過量噴氨。

圖9 2號機組啟/停磨煤機工況NOx控制系統隨動曲線Fig.9 Servo curves of No.2 unit's NOx control system in start/stop coal mill condition

5 結 論

1)SCR系統具有大延遲、大慣性特性，隨著環保要求提高，傳統噴氨控制策略無法滿足火電廠的運行要求。本文將串級控制與前饋控制方法相結合，利用磨煤機的啟/停信號構建主調節器前饋信號，利用總煙氣量和SCR入口NOx濃度構建副調節器前饋信號，提出了SCR系統噴氨量優化控制策略。

2)將該控制策略應用于SCR系統，通過定值擾動試驗、滑壓變負荷試驗以及磨煤機變工況試驗驗證了控制系統效果。結果表明，噴氨優化控制策略具有較好的控制品質，能及時、準確調整噴氨量，保證煙氣達標排放的同時避免了過量噴氨，SCR系統的動態、靜態調節品質全部滿足國家相關標準。