先進(jìn)控制在尿素?zé)峤庑碗姀S脫硝控制中的應(yīng)用

胡劍利

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組燃燒過(guò)程中，燃料中含有的氮化合物在燃燒過(guò)程中熱分解，氧化而生成大量的氮氧化物。如何消除火力發(fā)電機(jī)組煙氣中的氮氧化物，已成為當(dāng)下一個(gè)越來(lái)越被重視的環(huán)保問(wèn)題。

溫州電廠共6 臺(tái)機(jī)組，分別是4 臺(tái)330MW 亞臨界燃煤機(jī)組和2 臺(tái)660MW 超超臨界燃煤機(jī)組，6 臺(tái)機(jī)組的脫硝裝置均采用SCR 尿素?zé)峤夤に嚕苣蛩責(zé)峤夤に嚰癝CR 反應(yīng)過(guò)程的影響，脫硝被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性存在顯著的時(shí)延、滯后，而且隨著時(shí)間的推移，受到鍋爐工況的變化及催化劑的影響，SCR 脫硝過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性也會(huì)發(fā)生變化。因此，采用常規(guī)的PID 控制很難取得理想的控制效果。而模型預(yù)測(cè)控算法通過(guò)模型計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)被控變量的未來(lái)趨勢(shì)，然后根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化進(jìn)行控制，很好地解決了常規(guī)PID控制的不足之處。為此，在溫州電廠#6 機(jī)組的脫硝控制上率先實(shí)行了先進(jìn)控制的應(yīng)用。

圖1 SCR脫硝工藝流程Fig.1 SCR Denitration process

1 SCR脫硝控制系統(tǒng)

1.1 SCR系統(tǒng)概述

溫州電廠#6 機(jī)煙氣脫硝工程采用選擇性催化還原（SCR）工藝。SCR 脫硝系統(tǒng)采用的是尿素?zé)峤夥ㄖ瓢狈ǎ麄€(gè)制氨系統(tǒng)包括斗提機(jī)、尿素溶解罐、尿素溶液輸送泵、尿素溶液儲(chǔ)罐、供液泵、疏水箱、廢液泵、背壓控制閥、尿素溶液計(jì)量分配裝置、尿素?zé)峤馐摇⑾♂岋L(fēng)機(jī)、電加熱器等。

工藝流程為：袋裝尿素顆粒儲(chǔ)存于尿素儲(chǔ)備間，采用斗提機(jī)將尿素輸送到溶解罐，用除鹽水將尿素溶解成50%質(zhì)量濃度的尿素溶液，經(jīng)過(guò)輸送泵輸送至尿素溶液儲(chǔ)罐，然后由循環(huán)泵輸送至計(jì)量分配裝置，尿素溶液經(jīng)計(jì)量分配裝置精確計(jì)量分配后，經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的噴槍噴入尿素?zé)峤馐抑校诟邷叵路纸鉃镹H3、H2O 與CO2，與稀釋風(fēng)機(jī)輸送來(lái)的稀釋空氣混合成為氨濃度小于5%的氨/空氣混合物后，通過(guò)噴氨格柵噴入煙氣中。在催化劑存在的情況下，使之與煙氣中的NOx 反應(yīng)，將煙氣中的NOx 還原為N2和H20，從而脫除煙氣中的NOx，工藝流程如圖1 所示。

1.2 SCR自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

溫電#6 機(jī)SCR 脫硝自動(dòng)控制采用常規(guī)PID 控制策略，其主要思路是：根據(jù)煙氣流量、入口煙氣NOx 濃度及脫硝效率來(lái)確定氨需求量，通過(guò)出口煙氣NOx 濃度偏差加以修正，最終通過(guò)調(diào)節(jié)噴氨量來(lái)控制出口煙氣NOx 濃度。#6 機(jī)SCR 脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際投運(yùn)過(guò)程中，在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)出口NOx 波動(dòng)大、噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)跟不上，滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致出口NOx 經(jīng)常超過(guò)環(huán)保考核要求，影響了公司的經(jīng)濟(jì)效益，增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。造成這些問(wèn)題的原因如下：

1）尿素流量控制的大時(shí)延問(wèn)題

尿素?zé)峤夥ㄖ瓢保瑥哪蛩赝ㄟ^(guò)計(jì)量分配裝置到熱解爐，需考慮熱解時(shí)間、混合稀釋時(shí)間，然后進(jìn)入SCR 反應(yīng)器，與煙氣反應(yīng)到出口NOx 發(fā)生變化，這些都需要時(shí)間。這中間的反應(yīng)過(guò)程至少需要30min，存在明顯的時(shí)延問(wèn)題。

2）SCR 反應(yīng)脫硝效率的復(fù)雜性

SCR 反應(yīng)是復(fù)雜的多步反應(yīng)過(guò)程，其反應(yīng)過(guò)程受反應(yīng)溫度、風(fēng)速、流場(chǎng)分布等多種因素的影響，并且這些因素的作用隨著負(fù)荷的變化而變化。理論上，1mol 的NO 需要1mol 的NH3去脫除，但是實(shí)際上，氨氮摩爾比依據(jù)機(jī)組負(fù)荷的變化而變化。因此，從控制角度而言，操縱變量（噴氨量）與被控變量（出口NOx）間存在與負(fù)荷相關(guān)的非線性關(guān)系。

對(duì)策：由于脫硝SCR 被控對(duì)象存在大延遲、大滯后、非線性、多變量的問(wèn)題，所以采用簡(jiǎn)單的PID 控制方案很難取得理想的控制品質(zhì)，考慮用先進(jìn)控制來(lái)對(duì)SCR 控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 方案實(shí)施

2.1 模型預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)介

模型預(yù)測(cè)控制MPC（Model Predictive Control）與傳統(tǒng)PID 控制不同，是一種建立在模型基礎(chǔ)上的控制策略。它充分利用生產(chǎn)過(guò)程中輸入/輸出的有關(guān)信息建立被控對(duì)象的模型，使用其多變量、協(xié)調(diào)控制的策略，自帶豐富而有效的約束處理功能的控制方法。采用多變量預(yù)測(cè)控制算法，能夠提前對(duì)被調(diào)量的未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，然后根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化進(jìn)行控制，這有效地提前了調(diào)節(jié)過(guò)程，解決了PID 控制器無(wú)法解決的大時(shí)延問(wèn)題；模型預(yù)測(cè)控制MPC 利用內(nèi)部模型具有動(dòng)態(tài)解耦能力，能夠動(dòng)態(tài)地協(xié)調(diào)多個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)性，從而大幅度地提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制擾動(dòng)的能力。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它由預(yù)測(cè)模塊、控制器模塊、優(yōu)化模塊和過(guò)程模型模塊構(gòu)成。

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制策略設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)脫硝SCR 工藝流程和控制回路進(jìn)行詳細(xì)分析，可知道影響總噴氨量的主要參數(shù)有：負(fù)荷、煙氣溫度、入口NOx 濃度、出口NOx 濃度、脫硝效率，以及鍋爐側(cè)運(yùn)行參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)如圖3 所示的先進(jìn)控制策略：

選擇理論噴氨流量的修正系數(shù)作為操縱變量，該操縱變量乘以理論噴氨量作為最終的氨流量噴入煙氣管道。

模型預(yù)測(cè)控制算法通過(guò)模型計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)出口NOx 的未來(lái)軌跡，進(jìn)而優(yōu)化計(jì)算得到最適合噴氨量。由于從噴氨量到出口NOx 濃度間的滯后已經(jīng)體現(xiàn)在模型和預(yù)測(cè)中了，再加上方案設(shè)計(jì)中采用鍋爐側(cè)多個(gè)擾動(dòng)變量擬合作為MPC 控制器的擾動(dòng)變量DV。因此，此脫硝先進(jìn)控制策略從本質(zhì)上消除了SCR 反應(yīng)過(guò)程中的大延遲、大滯后、非線性、多變量的問(wèn)題帶來(lái)的影響，可以有效提高SCR 控制品質(zhì)。

圖2 模型預(yù)測(cè)控制的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of model predictive control

圖3 先進(jìn)控制策略Fig.3 Advanced control strategy

2.3 先進(jìn)控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SCR 優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)核心是外掛的SCR 先進(jìn)控制模塊，其與DCS 的通訊如圖4 所示。

上位機(jī)與DCS 通過(guò)建立“看門狗”，監(jiān)視與上位機(jī)的通訊狀態(tài)，并判斷是否具備投運(yùn)外掛SCR 先進(jìn)控制模塊的條件，由運(yùn)行人員手動(dòng)選擇是否投運(yùn)，一旦發(fā)生通信故障時(shí)，立即從先進(jìn)控制模式返回到常規(guī)控制模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。

3 SCR先進(jìn)控制方案動(dòng)態(tài)建模

采用浙江大學(xué)研發(fā)的FRONT-TEST 測(cè)試軟件，在出口NOx 閉環(huán)控制的情況下進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。

3.1 模型辨識(shí)

在AGC 模式下，投運(yùn)SCR 系統(tǒng)的噴氨量自動(dòng)控制，采用脫硝效率控制模式，采集數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4h，測(cè)試數(shù)據(jù)（脫硝效率、出口NOx 理論噴氨量、噴氨修正量）如圖5所示。

圖4 外掛與DCS通信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of communication structure between plug-in and DCS

圖5 測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.5 Test data

圖6 模型輸出仿真與實(shí)際輸出對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of model output simulation and actual output

測(cè)試數(shù)據(jù)采用多變量辨識(shí)軟件進(jìn)行辨識(shí)，利用出口NOx、脫硝效率的模型辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行擬合，與采集的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證模型的有效性，其結(jié)果曲線如圖6 所示。擬合效果表面得到模型已基本符合要求，辨識(shí)結(jié)果如圖7所示。

圖7 辨識(shí)結(jié)果Fig.7 Identification results

3.2 連續(xù)傳遞函數(shù)模型

SCR 系統(tǒng)的模型如下：

CV1：NOx MV1：噴氨修正量

CV1：NOx MV2：計(jì)算噴氨量

CV2：脫硝效率 MV1：噴氨修正量

CV2：脫硝效率 MV2：計(jì)算噴氨量

4 SCR先進(jìn)控制模塊設(shè)計(jì)

采用模型辨識(shí)結(jié)果，進(jìn)行MPC 控制器的設(shè)計(jì)與離線仿真，MPC 先進(jìn)控制模塊的設(shè)計(jì)界面（CV、MV、DV），如圖8 ～圖10 所示。

在離線仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了在線控制器，其運(yùn)行界面如圖11 所示。

5 控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

5.1 SCR出口NOx測(cè)量信號(hào)的選擇

#6 爐SCR 控制系統(tǒng)中，SCR 出口NOx 濃度的測(cè)量信號(hào)的選擇分為：

選擇A 側(cè)出口NOx 濃度（SCR A NOX）。

圖8 先進(jìn)控制方案的被控變量（CV）Fig.8 Controlled variable (CV) of the advanced control scheme

圖9 先進(jìn)控制方案的操縱變量(MV)Fig.9 Manipulated variables (MV) of advanced control schemes

圖10 先進(jìn)控制方案的前饋?zhàn)兞?DV)Fig.10 Feed-forward variable (DV) for advanced control methods

圖11 在線先進(jìn)控制器被控變量參數(shù)顯示Fig.11 Parameter display of controlled variables of online advanced controller

選擇B 側(cè)出口NOx 濃度（SCR B NOX）。選擇A、B 側(cè)出口NOx 的平均值（SCR AVG NOX）。按鈕位置和功能如圖12 所示。

圖12 SCR出口NOx測(cè)量信號(hào)的選擇Fig.12 Selection of NOx measurement signal at SCR outlet

圖13 噴氨量設(shè)定值自動(dòng)修正控制Fig.13 Automatic correction control of ammonia injection set value

圖14 PID常規(guī)控制曲線Fig.14 PID Conventional control curve

圖15 SCR先進(jìn)控制曲線Fig.15 SCR Advanced control curve

選擇“SCR A NOX”則以A 出口NOx 濃度為被控信號(hào)；選擇“SCR B NOX”則以B 出口NOx 濃度為被控信號(hào)；選擇“SCR AVG NOX”則以A、B 出口平均NOx 濃度為被控信號(hào)。運(yùn)行人員根據(jù)需要，可以合理選擇出口NOx 濃度的測(cè)量信號(hào)。

5.2 噴氨量設(shè)定值自動(dòng)修正控制

在優(yōu)化控制的運(yùn)行中，噴氨量設(shè)定值自動(dòng)修正控制系統(tǒng)必須處于自動(dòng)控制狀態(tài)。噴氨量設(shè)定值自動(dòng)修正控制系統(tǒng)的手/自動(dòng)切投開(kāi)關(guān)位置如圖13 所示。

原PID 控制系統(tǒng)切換至優(yōu)化控制的操作步驟：

1）噴氨量設(shè)定值自動(dòng)修正控制按鈕由“M”->“A”。

2）按SCR 優(yōu)化控制按鈕。

6 SCR先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)施效果與統(tǒng)計(jì)

為對(duì)比SCR 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)前后的差異，從歷史數(shù)據(jù)中采集了控制趨勢(shì)，如圖14、圖15。并采集了SCR 投運(yùn)前后兩個(gè)相近工況下的NOx 濃度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表1 ～表3 所示。

表1 出口NOX濃度優(yōu)化前后對(duì)比1Table 1 Comparison before and after optimization of outlet NOX concentration 1

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，能明顯發(fā)現(xiàn)通過(guò)SCR 控制系統(tǒng)優(yōu)化后，有效降低了出口NOx 濃度的波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差得到有效改善。

表2 出口NOX濃度優(yōu)化前后對(duì)比2Table 2 Comparison before and after exit NOX concentration optimization 2

7 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際運(yùn)用表明：通過(guò)對(duì)SCR 控制系統(tǒng)進(jìn)行先進(jìn)控制優(yōu)化，采用模型辨識(shí)技術(shù)，建立噴氨控制的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR 噴氨控制的優(yōu)化調(diào)節(jié)，改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口NOx 濃度的精確控制，減少了出口NOx 濃度波動(dòng)。

表3 出口NOX濃度優(yōu)化前后對(duì)比3Table 3 Comparison before and after exit NOX concentration optimization 3