脫硝系統控制策略優化與實施

牛國君

摘? 要：? 本文主要介紹了某電廠利用曲線擬合技術對脫硝控制系統的閥門做出了流量特性曲線，并對控制策略進行了進一步的優化，提高了控制品質。

關鍵詞：? 閥門流量特性曲線;SCR;曲線擬合;控制策略;積分飽和。

1.引言

近年來，隨著國家對環境保護日益重視及各種政策陸續出臺，各個電廠脫硝項目正在逐步實施。SCR脫硝法由于其技術成熟脫硝效率較高而成為了火電廠脫硝系統改造的首選。為了將煙氣中的NOX濃度控制在一定的范圍內，各個機組都使用了相應的控制策略。然而所采用的控制策略在實際運行過程中是否合適，能否滿足各方面的要求卻關系到脫硝的效果。尤其是在硬件條件都達標的情況下，如果控制策略使用不合理就會成為整個系統的瓶頸，影響整個系統的運行效率。這時對控制策略做出優化就顯得尤為重要。

2.某電廠脫硝系統簡介

某電廠脫硝系統采用單爐體雙SCR結構體布置。分別設置氨噴射系統、稀釋風機、煙道、催化劑吹灰系統等，公用部分主要包括液氨儲存和供應系統、事故排放系統、工藝水系統及氣源、水源等引接系統、空氣吹掃系統。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR），初期安裝2層催化劑，后又擴充至3層。脫硝劑為純氨。

3.某電廠脫硝系統控制策略介紹及存在問題

3.1某電廠脫硝系統控制策略介紹

根據目前國內脫硝系統的運行情況，脫硝氨氣流量控制一般采用固定摩爾比控制方式。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統按照固定的氨氮摩爾比及脫硝效率設定值脫除煙氣中NOX。某電廠脫硝系統原設計提供的就是這種控制策略，控制原理框圖如圖1所示。

控制系統為典型的前饋串級控制系統。依據脫硝入口煙氣NOx濃度和煙氣流量的乘積得到NOx的流量，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是反應所需NH3的流量。根據煙氣脫硝反應的化學反應式，一摩爾氨和一摩爾NOx進行反應，在調試過程中根據二者實際物質的量進行微調修正。將經過摩爾比修正后的NH3的物質量折算成質量即可作為整個反應過程中所需氨的質量流量，將這一信號作為前饋信號。主回路根據脫硝入口煙氣NOx濃度的設定值和實際值之間的偏差，通過PID控制器來修正所需的氨氣流量。副回路將主回路和前饋信號共同作用得出的氨氣流量作為設定值，根據與實測氨氣流量的偏差通過PID控制器的輸出來控制加氨調節閥的開度，從而達到調節氨氣流量的目的。

3.2該控制策略目前存在的問題

脫硝噴氨自動系統具有較大的延遲性，對于系統的控制品質有較大的影響，容易造成較大的超調。通過觀察副回路發現設定值和實際值之間有至少120秒的滯后（見圖2）。也就是說，從流量指令信號發出到實際流量達到需求至少有120秒延時，這對于整個系統的控制品質惡化造成了雪上加霜的影響。

4.對控制策略做出的優化

4.1利用曲線擬合技術替代副回路的調節作用

副回路的作用只是根據氨氣流量的需求值來調節閥門的開度。由于供氨母管的壓力通常維持在一個恒定值，因此閥門的開度和流量就呈現出一定的對應關系。根據這一對應關系可以直接由氨氣需求量得到閥門開度的值而不用經過副回路的調節，從將系統的滯后時間減少了大約120秒，從而大大提高了控制品質。圖3為優化后的控制原理圖。關鍵問題就是如何得到這一對應關系。

從機組運行的歷史數據中查閱氨氣流量調節閥開度與對應氨氣流量的相關關系，從中抽取一定數量的點利用最小二乘法進行曲線擬合。在實際工程中我們抽取了1000點進行了曲線擬合，由于篇幅所限為了描述方便從中選了10個點進行原理性說明。這10個點如下（其中X表示氨氣流量，Y表示對應的閥門開度）：

隨著計算機技術的發展，有很多計算軟件可以幫我們完成曲線擬合所需的繁瑣的數學運算，如matlab、CurveExpert、Origin和Excel等。由于要處理大量的數據，考慮到DCS導出數據格式的兼容性及后續推廣時的普遍性，我們選擇了微軟公司的Excel軟件進行曲線擬合。

三種擬合均能較好地擬合原始數據，其中一階線性擬合的誤差最小。因此選定一階線性擬合結果做為閥門流量特性曲線的表達式，即F（x） = 0.6102x + 16.206。

4.2利用限幅模塊防止積分飽和

F（x）的輸出范圍為（0，100），與主回路的修正作用疊加后其輸出范圍超出（0，100）。這超出了閥門能夠接收的指令范圍。這種情況下很容易出現積分飽和現象，影響控制系統的品質。為了消除積分飽和，可在系統輸出時增加限幅模塊。系統輸出大于100時實際輸出100，同時產生跟蹤指令，該信號傳遞到PID調節器后調節器觸發閉鎖增，從而防止指令進一步增大。系統輸出小于0時情況類似，不在此贅述。在實際工程中閥門開度達到80%左右氨氣流量便已達到最大值，若指令進一步增大也可能產生積分飽和現象。為了消除這一現象可將限幅模塊上限設置為80%，不同的閥門有不同的值，具體值需要查閱歷史數據確定。

5.控制策略應用效果

從優化前（圖4）后（圖5）的歷史曲線中隨機各抽取一段，通過對比表明優化之后的調節品質得到了大幅的提高。

參考文獻

[1] 脫硝噴氨自動控制在大型火電廠中應用案例分析 馬 瑞。河南華潤電力首陽山有限公司

[2] 火電廠熱工自動控制技術及應用 劉禾，白焰，李新利著。 中國電力出版社，2009年

[3] 自動控制原理 侯加林主編。 中國電力出版社，2008年

[4]? SCR煙氣脫硝氨流量控制策略及優化介紹? 朱玉輝，潘喜良。華能重慶珞璜電廠