基于超低氮排放的精準(zhǔn)脫硝控制研究及設(shè)計(jì)

衛(wèi) 鑫 ，張 靜 ，張培華

（1.山西大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，太原030006；2.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原030006；3.山西大學(xué)，太原030006）

火力發(fā)電機(jī)組是以煤、油、可燃?xì)獾葹槿剂希訜徨仩t中的水使其溫度增加，再利用有一定壓力的蒸汽推動(dòng)氣輪機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行發(fā)電。火電廠鍋爐內(nèi)的煤燃燒后產(chǎn)生大量的氮氧化物NOx，在爐膛出口處NO占NOx排放量的95%，這些NOx的生成途徑有3個(gè)：熱力型，來(lái)源于空氣中的N2氣在高溫下氧化生成NOx；快速型，來(lái)源于空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)（-HC）等反應(yīng)生成的NOx；燃料型，燃料中含有的NOx在燃燒過(guò)程中熱分解，而又接著氧化生成NOx。燃煤鍋爐產(chǎn)生的NOx以燃料型為主，所產(chǎn)生的NOx占排放總量的70%左右，熱力型次之，快速型最少。據(jù)近年資料顯示，當(dāng)空氣中溫度超過(guò)1300℃時(shí)，燃料中的NOx就會(huì)被抑制；在電廠，燃燒溫度在800℃以上時(shí)，NOx的產(chǎn)生主要來(lái)源于揮發(fā)氮；在低于800℃時(shí)，NOx主要來(lái)源于焦炭。

由于NOx可刺激人的肺部，會(huì)對(duì)人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害，并且NO，NO2是形成化學(xué)煙霧和酸雨的一個(gè)重要原因，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大污染。因此，國(guó)家在“十二五”期間加大對(duì)火電廠NOx排放的控制力度，并將脫硫脫硝工程列入“十二五”節(jié)能規(guī)劃十大節(jié)能工程，而電廠控制NOx的實(shí)質(zhì)就是“脫硝”[1]。

1 脫硝方案的選擇

某電廠機(jī)組為2×298 MW，脫硝方案采用選擇性催化還原 SCR（selective catalytic reduction）技術(shù)[2]。該技術(shù)是在催化劑的條件下，噴入還原劑（氨、尿素、氨基酸），將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2氣和水；選擇性是指在催化劑和O2氣的作用下，氨優(yōu)先與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成N2氣和水，不與煙氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)。該機(jī)組采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的液氨作為還原劑。在沒(méi)有催化劑的情況下，反應(yīng)溫度在900～1100℃的范圍內(nèi)，而有催化劑的情況下，可以降低反應(yīng)的溫度，控制在300～400℃的溫度范圍內(nèi)。所進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的主要方程式為

SCR脫硝效率可以高達(dá)95%，并且使得NOx的排放濃度可控制在（質(zhì)量濃度）50 mg/（Nm3）以下（其他任何脫硝技術(shù)均無(wú)法單獨(dú)達(dá)到）[3-4]。

2 SCR脫硝控制方案選擇

目前電廠在進(jìn)行SCR脫硝的過(guò)程中，存在以下問(wèn)題：噴氨量過(guò)大或過(guò)小，噴槍投入多或少，噴槍何時(shí)投入，煙氣出口NOx濃度不能長(zhǎng)久持續(xù)地達(dá)到國(guó)家要求標(biāo)準(zhǔn)等。因此必須實(shí)現(xiàn)脫硝的過(guò)程自動(dòng)化和精準(zhǔn)化。

精準(zhǔn)脫硝是在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)煙氣參數(shù)、出口煙氣NOx濃度等參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)噴氨量的精準(zhǔn)控制。這是一個(gè)反饋控制過(guò)程，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行噴氨量的修正。SCR脫硝控制整體方案如圖1所示。

圖1 脫硝控制整體方案Fig.1 Denitration control scheme

通過(guò)分析入口煙氣信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步的噴氨以及初步修正，然后利用經(jīng)過(guò)SCR反應(yīng)后出口煙氣中氮氧化物的濃度與國(guó)家最低排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，利用二者差值來(lái)反饋?zhàn)鲞M(jìn)一步的噴氨修正，從而實(shí)現(xiàn)最終的精準(zhǔn)脫硝。

以某燃機(jī)電廠為例，通過(guò)分析工況下煙氣信息參數(shù)，初步進(jìn)行噴氨的過(guò)程設(shè)計(jì)如圖2。通過(guò)分析入口煙氣參數(shù)，進(jìn)一步分析煙氣及標(biāo)況和工況下的氮氧化物濃度，然后利用化學(xué)反應(yīng)方程進(jìn)行氨量運(yùn)算。在上述情況下，再進(jìn)行風(fēng)機(jī)以及輔助參數(shù)的運(yùn)算。據(jù)此進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，提高工作效率。

圖2 噴氨分析流程Fig.2 Flow chart of ammonia injection analysis

2.1 煙氣參數(shù)計(jì)算

以某燃機(jī)電廠在額定負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)為例，測(cè)量得煙氣總質(zhì)量流量為 715.111 kg/s；CO2，O2，N2，H2O，Ar的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.28%，13.72%，73.6%，5.08%，1.32%；計(jì)算得到煙氣濕度為8.028%，濕氧含量（體積分?jǐn)?shù)）為12.197%，干氧含量（體積分?jǐn)?shù)）為13.261%，煙氣標(biāo)態(tài)體積為2027159.7 Nm3。煙氣含量參數(shù)的具體理論計(jì)算公式為

式中：Gi為組分的質(zhì)量，kg；Mi為成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m為組分的摩爾質(zhì)量，g/mol；my為煙氣的摩爾質(zhì)量，g/mol；Mr為組分物質(zhì)的量，mol；G 為煙氣總質(zhì)量流量，t/h；ρ為煙氣密度，kg/m3；V1為水的標(biāo)態(tài)體積，Nm3；G1為水組分的質(zhì)量，kg；ρ1為水密度，kg/m3；Vb為煙氣標(biāo)態(tài)體積，Nm3；S為煙氣濕度，%；V為煙氣體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧），Nm3/h。

2.2 煙氣及氮氧化物標(biāo)況工況轉(zhuǎn)換計(jì)算

利用NOx體積流量標(biāo)況工況轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算得到 NOx體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧，NO2計(jì)算）；利用NO和NO2的體積流量公式，可以得出NO和NO2體積流量。選取NOx體積流量（標(biāo)態(tài)，干態(tài)，體積分?jǐn)?shù) 15%氧，NO2計(jì)算）為50 Nm3/h，求得 NOx體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧，NO2計(jì)算）、NO 和 NO2的體積流量分別為 59.3117，36.8311，2.9656 Nm3/h。 其具體的理論計(jì)算公式為

式中：Cbss為NOx體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧，NO2計(jì)算），Nm3/h；Cbgs為 NOx體積流量（標(biāo)態(tài)，干態(tài)，體積分?jǐn)?shù) 15%氧，NO2計(jì)算），Nm3/h；c1為干氧含量（體積分?jǐn)?shù)），%；C1bss為 NO 體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧），Nm3/h；C2bss為 NO2體積流量（標(biāo)態(tài)，濕態(tài)，實(shí)際氧，NO2計(jì)算），Nm3/h。

2.3 氨耗量計(jì)算

利用氨氮摩爾比公式、氨水耗量公式、尿素耗量公式，可以求得還原劑氨耗或者尿素消耗。

該燃機(jī)電廠脫硝劑利用率為94%，脫硝裝置整體效率為70%，氨逃逸（標(biāo)態(tài)，干態(tài)，體積分?jǐn)?shù)15%氧）為（體積比）3×10-6，計(jì)算得到氨氮摩爾比為0.8618，氨耗為40.301124 kg/h，干尿素耗量為71.1196 kg/h。其具體理論計(jì)算公式為

式中：Ga為氨耗量，kg/h；N為氨氮摩爾比；Gn為干尿素耗量，kg/h。

五四青年節(jié)，是城里年輕人的節(jié)日，今天在這個(gè)小鎮(zhèn)上卻如城里般熱鬧。高音喇叭把熱鬧的氣氛撩拔得到處都是，仿佛伸手隨便在空中抓一把就是一掌的火熱，聲聲鑼鼓更是把歡樂(lè)捶得大汗淋漓般的舒暢。每一個(gè)人的臉上都洋溢著笑。

2.4 后續(xù)風(fēng)機(jī)輔助參數(shù)計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，以及后續(xù)相應(yīng)設(shè)備的方案選型。通過(guò)測(cè)量，氨的溫度為340℃，壓力為12 kPa，利用氨體積流量公式、標(biāo)況工況轉(zhuǎn)換公式、稀釋風(fēng)流量公式、標(biāo)況風(fēng)機(jī)流量公式，分別得到氨體積流量為106.63722 m3/h，標(biāo)況下風(fēng)機(jī)流量1110.1399 Nm3/h，標(biāo)況下氨體積流量為53.117 Nm3/h。由此，根據(jù)風(fēng)機(jī)流量數(shù)據(jù)、市場(chǎng)上風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行合適的風(fēng)機(jī)選型；根據(jù)氨流量數(shù)據(jù)和噴槍設(shè)備的流量參數(shù)對(duì)比，選擇合適的噴槍設(shè)備。其具體理論計(jì)算公式為

式中：VbL為標(biāo)況體積流量，Nm3/h；VgL為工況流量，Nm3/h；Pb為工作壓力，MPa；Ps為實(shí)際氣壓，kPa；Tg為工作溫度，℃；Va為氨氣體積流量，Nm3/h；Ta為氨的溫度，℃；Pa為氨的壓力（表壓），×102kPa；Vx為稀釋風(fēng)流量，Nm3/h（按照機(jī)組滿負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)的實(shí)際噴氨量稀釋后，混合氣體中氨氣體積分?jǐn)?shù)≯5%計(jì)算，風(fēng)機(jī)流量在設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上加10%的余量）；Vbx為折合成標(biāo)況下風(fēng)機(jī)流量，Nm3/h；Vba為折合成標(biāo)況下氨氣體積流量，Nm3/h；Vh為氨空混合器混合體積流量，Nm3/h；Gda為體積分?jǐn)?shù)5%單支噴槍氨氣質(zhì)量流量，kg/h；Gp為噴槍質(zhì)量流量，kg/h；g 為噴槍數(shù)量，個(gè)。工況與標(biāo)況的換算公式為

其中

式中：P1為標(biāo)況壓力，kPa，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值為101.325 kPa；V1為標(biāo)況體積流量，Nm3/h；T1為標(biāo)況溫度，K，取其為273.15 K即0℃；P2為工況壓力，kPa；Ps為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣壓 （近似于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），kPa；V2為工況流量，m3/h；T2為工況溫度，K。

2 .5 程序設(shè)計(jì)總體概況

通過(guò)編寫(xiě)軟件，減少了以往繁瑣的計(jì)算，能大大提高效率，也為SCR實(shí)際脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利條件。針對(duì)于氮氧化物超低排放的問(wèn)題，可以通過(guò)計(jì)算以及對(duì)噴射氨或尿素用量的控制，實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)化。整體輔助設(shè)計(jì)計(jì)算小程序的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 輔助核算運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Auxiliary accounting operation result

3 基于模糊算法的脫硝優(yōu)化控制

3.1 模糊控制

經(jīng)典控制中最為常見(jiàn)的控制即PID控制（比例積分微分控制）。它具有原理簡(jiǎn)單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于化工、熱工、建材等部門(mén)；魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使得在實(shí)際過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，PID控制都得到了廣泛應(yīng)用。盡管PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，但是在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，系統(tǒng)比較復(fù)雜，工業(yè)過(guò)程往往存在大滯后和非線性，因此常規(guī)的PID控制往往達(dá)不到理想控制效果，所以需要采用一種模型要求不高的自適應(yīng)PID控制器。

針對(duì)非線性大滯后的系統(tǒng)，模糊控制技術(shù)[5]表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，它以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者人的經(jīng)驗(yàn)概括抽象成一系列的模糊規(guī)則，并借助于計(jì)算機(jī)來(lái)完成過(guò)程控制。整個(gè)模糊控制器包括4個(gè)部分：①模糊化 選定模糊控制器的輸入量，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)識(shí)別的模糊量；②規(guī)則庫(kù) 根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建立模糊規(guī)則；③模糊推理 實(shí)現(xiàn)推理決策；④解模糊 將推理決策的控制量轉(zhuǎn)為控制輸出[6]。

3.2 模糊控制設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID控制器選擇誤差e和誤差變化Δe作為輸入，進(jìn)行PID參數(shù)的整定[7]。控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制器Fig.4 Adaptive fuzzy PID controller

模糊控制器采用二輸入三輸出的形式[8]，以e和Δe為輸入變量，ΔKp，ΔKi，ΔKd為輸出變量。 輸入變量模糊子集選擇｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝分別對(duì)應(yīng)負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大；對(duì)應(yīng)e和 Δe 大小量化為｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，并且采用三角隸屬函數(shù)，其圖像如圖5，圖6所示。

圖5 輸入e隸屬函數(shù)Fig.5 Input e membership function

圖6 輸入Δe隸屬函數(shù)Fig.6 Input Δe membership function

輸出變量模糊子集選擇｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝分別對(duì)應(yīng)負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大；對(duì)應(yīng)輸出 ΔKp，ΔKi，ΔKd分別量化為［-0.3，0.3］，［-0.06，0.06］，［-3，3］，并且采用三角隸屬函數(shù)，其圖像如圖 7，圖 8，圖 9[9-10]所示。

圖7 輸出ΔKp隸屬函數(shù)Fig.7 Output ΔKpmembership function

圖8 輸出ΔKi隸屬函數(shù)Fig.8 Output ΔKimembership function

圖9 輸出ΔKd隸屬函數(shù)Fig.9 Output ΔKdmembership function

根據(jù)e過(guò)大時(shí)，Kp就需要較大，使得響應(yīng)迅速Ki，Kd就需要較小；e中等時(shí)，為了使超調(diào)不至于太大，且響應(yīng)不至于太慢，應(yīng)該讓Kp變小，Ki變大，Kd取恰當(dāng)值；e較小時(shí)，消除震蕩，并且使系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)該讓Kp，Ki增大，通過(guò)Δe來(lái)對(duì)Kd整定。建立模糊控制器的控制規(guī)則表[11]，見(jiàn)表1。

3.3 模糊控制設(shè)計(jì)仿真

采用MatLab中的Simulink模塊進(jìn)行程序流程圖的設(shè)置和仿真。程序結(jié)構(gòu)如圖10所示。圖中，Step作為信號(hào)發(fā)生器，Subsystem作為模糊控制模塊，Derivative作為微分塊，Transfer Fcn作為擬合的函數(shù)，Transport Delay作為延時(shí)函數(shù)，Scope作為仿真示波器。具體的模糊控制器Subsystem的結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖中，F(xiàn)uzzy Logic Controller為模糊控制器，將之前設(shè)置好的模糊控制規(guī)則進(jìn)行導(dǎo)入。

通過(guò)Simulink進(jìn)行仿真以及添加干擾，可以得到仿真曲線如圖12所示。由圖可見(jiàn)，在未加擾動(dòng)的情況下模糊PID產(chǎn)生誤差會(huì)相對(duì)大于常規(guī)PID，但是調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)大大縮短。通過(guò)在t=2000 s時(shí)施加一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，可以看出模糊PID的曲線相較于常規(guī)PID曲線，調(diào)節(jié)時(shí)間減少了約1000 s，模糊PID超調(diào)量大約為7%，而常規(guī)PID超調(diào)量大約為18%。由此可知模糊PID的抗干擾能力較強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過(guò)程序簡(jiǎn)化了運(yùn)算過(guò)程，提高了準(zhǔn)確性；在控制中引入了現(xiàn)代智能控制。通過(guò)利用智能算法中的模糊控制算法對(duì)噴氨量進(jìn)行優(yōu)化控制，從而使得系統(tǒng)負(fù)荷變化等引起大滯后的條件下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，進(jìn)而使得尾部煙氣的氮氧化物濃度達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，為電廠實(shí)際氮氧化物控制提供理論和技術(shù)支持。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

圖10 程序結(jié)構(gòu)Fig.10 Program structure

圖11 模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.11 Fuzzy controller structure

圖12 Simulink仿真曲線Fig.12 Simulink simulation curves