百萬機組脫硝自動控制策略分析與優化

吳 吉 王偉哲 畢明波

(1.神華福能發電有限責任公司，福建 石獅 362700；2.內蒙古神華國華呼倫貝爾發電有限責任公司，內蒙古 海拉爾 021025)

某火力發電機組容量為1050 MW。鍋爐為東方鍋爐廠生產的超超臨界參數、一次再熱、單爐、平衡通風、對燃方式、固體排渣、露天布置、全鋼架的∏型變壓直流爐。汽輪機為東汽生產的N1000-26.25/600/600。一次再熱、單軸、四缸、四排汽、凝汽式汽輪機由首尾串聯，有一個單流高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸。DCS控制設備采用杭州和利時分散控制系統。配置軟件為MACS6.52系統，硬件采用SM系列。

噴氨調節系統催化劑由3層組成。每一催化層又由A、B兩側組成，每層分別布置16個聲波吹灰器。該噴氨調節系統由三臺稀釋風機(2用1備)提供稀釋風量，A、B側供氨流量由羅斯蒙特流量計實現測量，流量大小由ABB氣動調節門實現調節。

本文以某電廠百萬機組的脫硝自動控制策略為例，分析了在線調節中控制邏輯存在的問題及優化后的調節效果。

1 脫硝自動控制現狀

某火力發電機組脫硝自動回路設計原理為PID串級調節，主回路主要控制出口NOX濃度；副回路主要調節供氨流量。通過對多個電廠相關技術人員的咨詢后，發現各廠機組的運行工況都有所不同，操作人員的調節手法也不同，調研同類型機組也是如此，因此給噴氨自動控制邏輯優化帶來很大挑戰。

從其回路設計原理[1]分析來看，只要控制好出口NOX濃度和噴氨流量，理論上就能很好地實現脫硝效率的控制，但實際并非如此。就本工程脫硝自動調節回路而言，往往在變負荷、啟停磨煤機、風量、燃料量突變等工況時，噴氨響應速度很慢而導致NOX濃度超標。通過對脫硝自動調節的長期分析研究，其調節難度不低于三沖量控制。無論是負荷、風量、燃料量的變化都是相互關聯、相互作用的，任何一個變量不兼顧都會影響回路的調節效果。以上變量僅為對調節影響較大的參數，因此噴氨自動控制不僅是出口NOX、濃度和噴氨流量的調節，它也是一種具有強耦合的多輸入多輸出調節系統。在調節過程中，不僅要保持氮氧化物/調節門在穩定狀態下的開度平衡，還要保持負荷/調節門、氧氣/調節門、燃料/調節門、空氣/調節門的開度平衡。工況發生變化時，應保持動態平衡。如果打破這種平衡關系，則回路的調節質量將非常差，因此其調節質量不僅取決于調節對象，還取決于其他工況參數[2]。

2 脫硝自動回路優化前存在問題

2.1 脫硝主調節控制回路

脫硝主調節控制回路控制出口NOX濃度，起到細調作用。控制邏輯優化前，其PID調節器高低限設計范圍為[-0.3～0.3]。脫硝在線分析儀表就地吹掃時，輸出數據會自保持，當NOX濃度與設定值存在偏差時，調節器將始終調整輸出，導致閥門控制超調而影響NOX濃度調節。運行期間雖然經過一次優化，但是在負荷變化、煤波動、啟停磨煤機等工況時將影響噴氨自動調節，從而導致NOX濃度無法控制。

2.2 脫硝副調節控制回路

脫硝副調節控制回路是控制噴氨流量[3]，起到快速粗調作用。優化前控制邏輯未進行任何前饋修正。當工況稍微發生變化時，調節跟蹤非常緩慢，環境保護參數經常超標。經過邏輯優化后，采用給煤機啟動前饋信號，增加調門偏置修正量3%。在線試驗效果不理想，無法實現噴氨自動控制功能。

綜上所述，原設計脫硝自動控制回路存在的主要問題是在變負荷、啟停磨、暖磨、風量突變等工況下響應速度很慢，導致氨供應調節不及時，氮氧化物濃度經常超標。

3 脫硝自動控制策略優化內容

針對某火力發電機組脫硝自動控制策略存在的問題，調研了多個發電廠脫硝自動控制回路的調節情況，發現各電廠機組運行工況不同。對于600 MW機組而言，高負荷時風量變化不大，氧量的影響不明顯，風量擾動對脫硝自動調整影響不大。負荷變化對氧量的影響也是一樣的，閥門自動給出的指令幾乎不變。其中在調研兩臺百萬臺機組脫硝自動回路調整情況時，發現風量變化對脫硝回路自動調整影響很小，但燃料量的波動對調節擾動影響較大。通過對我廠不同工況下相關參數的歷史趨勢的長期觀察、分析，得出上述機組運行工況與本工程機組運行工況存在較大差異。因此，其他單位脫硝自動回路的調研結果不完全適用我廠脫硝控制策略，但可作為脫硝控制策略優化的理論依據和參考。結合實際狀況和其他單位調研結果[4-5]，最終確定脫硝自動控制策略優化方案如圖1。

3.1 增加氧量補償修正

圖1 氧量補償修正邏輯框圖

因為磨煤機啟動過程是先加風后加煤，磨煤機停止過程是先減煤后減風，升負荷過程是先加風再加煤，降負荷過程是先減煤再減風。結合機組實際工況的歷史趨勢[6]，確定上述任一工況都會導致前期短時間內氧量的增加。由于折算后的氮氧化物的濃度與氧含量成正比，當氮氧化物轉化后濃度突然升高時，必然會干擾氨供應的調節。為了提前避免干擾而增加氧量補償修正回路，如圖1所示。根據不同工況歷史數據(表1、表2)及負荷變化補償修正計算，A側噴氨自動控制回路的氧量修正系數為3，B側噴氨自動控制回路的氧量修正系數為4。

表1 不同工況下功率、氧量、NOX、調門給定歷史數據

表2 不同工況下功率、氧量、NOX、調門給定歷史數據

3.2 增加煤量補償修正

在變負荷過程中，由于燃料加速回路作用導致煤量波動較大[7]。通過長周期觀察煤量和脫硝自動調節回路的相關參數趨勢，發現煤量的大幅度波動對噴氨自動控制有很大影響，因此該邏輯優化還增加了煤量的補償修正，如圖2所示。煤量補償修正系數主要根據多次采集的平均值計算，系數經計算確定為0.1。

圖2 煤量補償修正邏輯框圖

3.3 增加負荷補償修正

通過調取不同負荷階段脫硝出口氮氧化物濃度、含氧量和脫硝調節閥指令的歷史趨勢，當脫硝出口氮氧化物濃度變化范圍小時，負荷越高，供氨閥接收指令越大，即正作用；含氧量越小，供氨閥接收指令越大，即反作用。

通過對相關數據的長期分析和圖3邏輯運算，通過不同負荷段數據采集和計算確定A側負荷補償修正系數為0.04，B側負荷補償修正系數為0.045。

圖3 負荷補償修正邏輯框圖

3.4 增加啟停磨風量信號補償修正

磨煤機啟動前先加風，反之后減風。因此，在啟動和停止磨煤機時，風量與煤量的比值都是先升高。通過對歷史趨勢的調取，發現啟動和停磨初期對脫硝自動調節擾動都是正作用。因此，為了解決啟停磨操作初始階段干擾大的問題，可根據啟停磨風量信號補償進行修正，根據圖4邏輯運算以及脫硝自動回路手動狀態下供氨調門手動給定指令確定A側啟磨風量信號補償修正偏置值為4，B側啟磨風量信號補償修正偏置值為3.5。

圖4 啟停磨風量信號補償修正邏輯框圖

3.5 增加啟磨信號補償修正

根據運行人員反映的情況和歷史數據調取分析，磨煤機啟動對脫硝自動控制回路調節的干擾也是比較大的。由于不同運行人員的操作手法也不同，很難確定修正值。目前，根據圖5邏輯運算和各操作人員的操作值計算出平均值，通過對多組供氨調門手動給定指令計算確定A側噴氨自動回路啟磨偏置校正值為9，B側噴氨自動回路啟磨偏置校正值為8。

圖5 啟磨信號補償修正邏輯框圖

3.6 增加停磨信號補償修正

確定停磨偏置修正值的確定方法與上述方法相同(圖6)。A側噴氨自動回路啟磨偏置校正值為8，B側噴氨自動回路啟磨偏置校正值為7。

圖6 停磨信號補償修正邏輯框圖

3.7 增加脫硝調節回路自動切除條件

為了避免工作條件異?；蜃詣踊芈氛{節不當，采用回路自動切除而切至手動，如圖7所示，提醒操作人員及時手動干預，確保環保參數得到有效控制。

圖7 脫硝自動回路切除邏輯框圖

3.8 優化后優點

通過優化脫硝自動控制策略回路的結構[8]，在其副級調節器中加入多個前饋變量，調節過程中擾動變量的耦合性較強，這可以相互制約和調節。調節性能能適應機組不同工況，提高自動回路調節質量，同時大大降低了操作人員的工作量，保證了環保數據氮氧化物指標調節品質以及環保數據傳輸合格率。

4 優化后控制邏輯在線試驗

在基建調試的基礎上，對上述脫硝自動控制策略的控制邏輯進行了多次優化。在優化的控制邏輯投入使用后，取得了良好的調節效果[9]。根據機組運行中的實際調節情況，在線修正前饋系數，通過不同工況下的長周期試驗，選擇并確定最佳修正系數。經過邏輯優化，脫硝自動控制回路無論是啟停磨，還是煤量或負荷的變化的工況下，都可以在短時間內控制出口氮氧化物濃度在允許范圍內。在整個過程中，不需要操作者的手動頻繁操作干預，自動調節效果良好，完全滿足DL/T774-2015中第8.8.3.3條要求[10]，即脫硝系統出口NOX值控制系統品質指標(AGC調節范圍)要求，即穩態質量指標：±10 mg/Nm3；當NOX定值變化為20 mg/Nm3，過渡過程衰減率0.75～0.95，穩定時間小于15分鐘；定值擾動(擾動量±15 mg/Nm3)時，過渡時間小于300 s，動態偏差小于±15 mg/Nm3。脫硝自動回路調節已達到較高水平，保證了機組運行工況下NOX的正常排放[11]。圖8～10是優化后不同工況的歷史趨勢圖。從圖8、圖9、圖10中可以看出，自動調節正常，效果良好。

圖8 負荷、氧量補償修正趨勢圖

圖9 啟磨信號偏置修正趨勢圖

圖10 停磨信號偏置修正趨勢圖

5 結論

本工程脫硝自動控制策略優化后，很好地解決了原邏輯在線調節過程中存在的問題，提高了機組脫硝自動控制系統的可靠性。提高了調節質量，實現了脫硝自動調節真正意義上的自動，極大程度減少了操作人員的工作量。實現了在變負荷、啟停磨、暖磨、燃料或風量突變等工況下噴氨自動的投入，為環保參數的實時、準確的調節、監測和傳輸提供了可靠的技術保障。本脫硝自動控制策略優化后有以下成效：

(1)氧量修正和負荷修正是回路補償修正中的一組耦合變量。它們被稱為耦合變量，因為氧量隨負荷的增加而減少。方向相反，它們在調節過程中相互影響和制約[12]，可以適應氧量變化負荷變化、氧量不變負荷變化、氧量變化負荷不變化、氧量負荷均變化等工況下的調節。具有較強的適應性和較好的調節性能。煤量補償修正和啟停磨風量信號修正的效果相同[13]。

(2)磨煤機啟動和停止信號的偏置修正，有效地克服了鍋爐側磨組系統相對于噴氨控制系統慣性大的特點。從圖9、圖10可以看出脫硝自動控制回路調節的同步性[14]。

(3)通過對脫硝自動回路控制效果的長期分析研究，發現影響回路的調節參數較多，其對工況要求也是比較嚴格，要求更高。從歷史趨勢圖8、圖9、圖10可以看出，優化后的脫硝自動控制策略完全可以解決機組投運以來的NOX濃度調節存在的問題。因此，對于存在上述問題的同類型機組，可參照本項目脫硝自動控制策略，同時結合本廠機組的實際工況，對脫硝自動控制策略進行優化調試。