基于SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性修正的噴氨優(yōu)化控制方法

李 逗， 司風(fēng)琪， 孫栓柱， 王衛(wèi)群， 張友衛(wèi)， 王 林

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211102；2. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

隨著超低排放政策的推行，燃煤電廠對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度指標(biāo)越來(lái)越重視。目前對(duì)于燃燒過(guò)程中已經(jīng)生成的NOx，電廠普遍采用選擇性催化還原(SCR)脫硝設(shè)備進(jìn)行煙氣脫硝[1]。然而由于SCR脫硝系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)存在強(qiáng)烈的非線性和大滯后特性，當(dāng)系統(tǒng)處于變工況運(yùn)行時(shí)，難以準(zhǔn)確控制噴氨量，即還原劑體積流量，容易發(fā)生氨逃逸體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)或出口NOx質(zhì)量濃度超標(biāo)等現(xiàn)象，影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

噴氨優(yōu)化一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，目前主要通過(guò)三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一是構(gòu)建SCR脫硝系統(tǒng)模型，利用模型預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)噴氨[2-4]；二是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式調(diào)整噴氨[5-6]；三是通過(guò)引入前饋量方式使噴氨控制器提前動(dòng)作[7-8]。SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，其過(guò)程數(shù)據(jù)混雜性高，建立高精度模型難度較大；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法成本較高，可重復(fù)性差；前饋量的選取缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且前饋量的波動(dòng)還會(huì)引起控制器的不合理動(dòng)作。

為解決上述問(wèn)題，筆者從SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性出發(fā)，利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，推導(dǎo)出針對(duì)延遲環(huán)節(jié)的修正公式，對(duì)系統(tǒng)噴氨量進(jìn)行優(yōu)化。利用某廠660 MW機(jī)組過(guò)程數(shù)據(jù)辨識(shí)出SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了系統(tǒng)仿真平臺(tái)，利用仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 SCR脫硝反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性

1.1 噴氨量控制邏輯

圖1為典型SCR脫硝反應(yīng)器噴氨量控制邏輯圖，利用SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙氣流量和進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度計(jì)算出進(jìn)口NOx的質(zhì)量流量，再乘上設(shè)定的氨氮摩爾比即可得到所需的理論噴氨量，利用出口NOx質(zhì)量濃度反饋信號(hào)修正所需的噴氨量，得到最終的實(shí)際噴氨量。為保證SCR脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前各電站往往采用固定氨氮摩爾比的方式進(jìn)行控制。

圖1 典型SCR脫硝反應(yīng)器噴氨量控制邏輯

1.2 SCR脫硝反應(yīng)器延遲和滯后的原因

造成SCR脫硝反應(yīng)器延遲和滯后的原因主要有以下三點(diǎn)：

(1) 測(cè)量?jī)x表存在滯后性[9]。計(jì)算SCR脫硝系統(tǒng)所需還原劑體積流量需要利用SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度與煙氣流量，而NOx質(zhì)量濃度與煙氣流量的測(cè)量存在一定的滯后性。

(2) SCR脫硝裝置反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性[10]。SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)存在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，受催化劑活性、煙氣流速、煙氣溫度、煙氣含氧量等多種因素影響，控制系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)整噴氨量。

(3) 煙氣流程導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在延遲。環(huán)保部門(mén)對(duì)NOx質(zhì)量濃度的考核測(cè)點(diǎn)設(shè)定在煙囪進(jìn)口處，距離SCR脫硝系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的煙氣流程，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)噴氨控制器動(dòng)作后，考核測(cè)點(diǎn)的變化存在很大的滯后性，噴氨控制器無(wú)法直接根據(jù)考核測(cè)點(diǎn)變化對(duì)噴氨量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

2 SCR脫硝反應(yīng)器仿真平臺(tái)搭建

為進(jìn)一步研究SCR脫硝反應(yīng)器動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，找出反應(yīng)器動(dòng)態(tài)過(guò)程參數(shù)修正方法，筆者利用Matlab/Simulink搭建SCR脫硝反應(yīng)器仿真平臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)SCR脫硝反應(yīng)器一般分為A、B兩側(cè)，考慮到環(huán)保考核測(cè)點(diǎn)煙氣為A、B兩側(cè)反應(yīng)器出口煙氣的混合，因此筆者建立的仿真平臺(tái)將A、B兩側(cè)反應(yīng)器統(tǒng)一考慮，輸入?yún)?shù)為A、B兩側(cè)參數(shù)的平均值，最終輸出參數(shù)為環(huán)保考核測(cè)點(diǎn)參數(shù)，即煙囪進(jìn)口處參數(shù)。

搭建的SCR脫硝反應(yīng)器整體模型見(jiàn)圖2。圖2中包含四個(gè)主要模塊：SCR輸入模塊包含反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度ρ(NOx)in、進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)φ(O2)、機(jī)組負(fù)荷P以及反應(yīng)器氨氮摩爾比設(shè)定值MRSP；NH3模塊為噴氨控制器模塊，輸出系統(tǒng)所需還原劑體積流量qV；SCR模塊為反應(yīng)模塊，輸出反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度ρ(NOx)out；延遲模塊代表由延期流程導(dǎo)致的SCR脫硝反應(yīng)器出口至煙囪進(jìn)口的參數(shù)延遲，系統(tǒng)最終輸出ρ(NOx)cem為煙囪進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度。

圖2 SCR系統(tǒng)仿真模型

NH3模塊計(jì)算系統(tǒng)所需還原劑體積流量：

qV=ρ(NOx)in·P·α·K·MRSP·10-6

(1)

式中：α為氧量修正系數(shù)；K為比例常數(shù)，m3/(MW·h)。

NH3模塊細(xì)節(jié)見(jiàn)圖3。其中，NH3理論模塊計(jì)算理論還原劑體積流量，延遲模塊1表示SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度發(fā)生變化后，實(shí)際還原劑體積流量qV,r變化的延遲，這一延遲是由于噴氨管道的流程、噴氨閥門(mén)調(diào)節(jié)等原因產(chǎn)生的，qV,c為理論還原劑體積流量。

圖3 NH3模塊

SCR模塊根據(jù)實(shí)際噴入反應(yīng)器內(nèi)的還原劑體積流量及其他反應(yīng)條件計(jì)算出SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度，其模塊細(xì)節(jié)見(jiàn)圖4。延遲模塊2代表脫硝SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流程導(dǎo)致的延遲。延遲模塊3代表SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的延遲。

圖4 SCR模塊

圖4中，MR計(jì)算模塊計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)際氨氮摩爾比MR：

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算出實(shí)際氨氮摩爾比后，經(jīng)過(guò)eta模塊，查出該氨氮摩爾比對(duì)應(yīng)的脫硝效率，即可計(jì)算出SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的SCR脫硝反應(yīng)器動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)參數(shù)辨識(shí)

3.1 仿真平臺(tái)參數(shù)辨識(shí)

第2節(jié)中搭建的SCR脫硝仿真平臺(tái)存在四處延遲環(huán)節(jié)：一是煙囪進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度的延遲；二是系統(tǒng)還原劑體積流量對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度的延遲；三是SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度對(duì)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度的延遲；四是SCR出口NOx質(zhì)量濃度對(duì)還原劑體積流量的延遲。

為得到以上未知參數(shù)，利用某廠660 MW機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合Matlab辨識(shí)工具箱，對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器各部分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。以550 MW下的數(shù)據(jù)為例，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的研究，筆者選擇的傳遞函數(shù)G(s)形式為一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲環(huán)節(jié)：

(3)

式中：M為比例系數(shù)；Tp為一階慣性時(shí)間常數(shù)；Td為純延遲時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

辨識(shí)四部分延遲時(shí)間常數(shù)所用的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5～圖8，采樣周期為10 s。

對(duì)圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和歸一化后，利用辨識(shí)工具箱得到的一階慣性時(shí)間常數(shù)為156.35 s；純延遲時(shí)間常數(shù)為48.76 s。

圖5 ρ(NOx)out對(duì)還原劑體積流量的延遲

圖6 ρ(NOx)cem對(duì)ρ(NOx)out的延遲

圖7 還原劑體積流量對(duì)ρ(NOx)in的延遲

圖8 ρ(NOx)out對(duì)ρ(NOx)in的延遲

最終得到不同負(fù)荷下SCR脫硝反應(yīng)器各部分延遲時(shí)間常數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 不同負(fù)荷下辨識(shí)時(shí)間常數(shù)列表

表1(續(xù))

由表1可以看出：在高負(fù)荷段(如660 MW及550 MW)下，SCR脫硝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)延遲時(shí)間常數(shù)變化不大，到450 MW時(shí)延遲明顯變大，這主要是由于負(fù)荷變化導(dǎo)致煙氣流速變化。由于機(jī)組常規(guī)運(yùn)行在80%負(fù)荷左右，因此筆者以550 MW負(fù)荷數(shù)據(jù)為例進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.2 仿真平臺(tái)驗(yàn)證

將表1數(shù)據(jù)加入仿真平臺(tái)中，利用試點(diǎn)機(jī)組550 MW下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證[12]。筆者選取試驗(yàn)段內(nèi)的兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：一是SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度不變，改變氨氮摩爾比設(shè)定值條件下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；二是氨氮摩爾比設(shè)定值不變，SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度階躍變化條件下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。在該條件下，仿真平臺(tái)輸出結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)變化情況見(jiàn)圖9及圖10。

圖9 變氨氮摩爾比下仿真模型驗(yàn)證圖

由圖9及圖10可看出：仿真平臺(tái)輸出結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)變化基本一致，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大，主要是由于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量噪聲、反應(yīng)器內(nèi)煙氣混合不均勻等。

利用機(jī)組常規(guī)運(yùn)行段數(shù)據(jù)對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。設(shè)定SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量的調(diào)節(jié)方式為固定氨氮摩爾比調(diào)節(jié)，機(jī)組負(fù)荷與SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度見(jiàn)圖11。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真平臺(tái)輸出結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖12、圖13。

圖11 系統(tǒng)輸入變量

圖12 還原劑體積流量波動(dòng)驗(yàn)證圖

圖13 ρ(NOx)cem質(zhì)量濃度波動(dòng)驗(yàn)證圖

由圖12及圖13可以看出：在機(jī)組常規(guī)運(yùn)行階段，仿真平臺(tái)也能夠還原現(xiàn)場(chǎng)控制方式下的噴氨量響應(yīng)情況和NOx質(zhì)量濃度反應(yīng)結(jié)果。

4 噴氨優(yōu)化控制方法

SCR脫硝系統(tǒng)理論還原劑體積流量指令是根據(jù)煙氣流量、進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度及設(shè)定氨氮摩爾比計(jì)算得到的，由于還原劑流程帶來(lái)的延遲，使得SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際噴入的還原劑體積流量滯后于理論還原劑體積流量指令，使得反應(yīng)器實(shí)際氨氮摩爾比存在較大波動(dòng)。以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)口數(shù)據(jù)作為仿真平臺(tái)的輸入數(shù)據(jù)，得到得仿真平臺(tái)輸出氨氮摩爾比與設(shè)定氨氮摩爾比(見(jiàn)圖14)。

圖14 氨氮摩爾比過(guò)程線

反應(yīng)器實(shí)際還原劑體積流量對(duì)于進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度變化的延遲也就是實(shí)際還原劑體積流量對(duì)理論還原劑體積流量的延遲：

(4)

為了使系統(tǒng)實(shí)際還原劑體積流量與理論還原劑體積流量一致，可以對(duì)理論還原劑體積流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，根據(jù)式(4)可以計(jì)算出優(yōu)化后理論還原劑體積流量qV″：

(5)

由式(4)可得理論還原劑體積流量：

(6)

將式(6)代入式(5)可得優(yōu)化后理論還原劑體積流量：

(7)

以式(7)計(jì)算出的還原劑體積流量作為系統(tǒng)所需的理論還原劑體積流量，則根據(jù)式(4)可計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際還原劑體積流量：

(8)

優(yōu)化前后，系統(tǒng)煙囪進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度、實(shí)際還原劑體積流量與實(shí)際氨氮摩爾比見(jiàn)圖15～圖17。由圖15和圖17可以看出：改進(jìn)后煙囪進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度和實(shí)際氨氮摩爾比比優(yōu)化前更加平穩(wěn)。

圖15 改進(jìn)前后ρ(NOx)cem變化圖

圖16 改進(jìn)前后還原劑體積流量變化圖

圖17 改進(jìn)前后氨氮摩爾比變化圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證該修正方法的有效性，從對(duì)象機(jī)組廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取SCR脫硝系統(tǒng)一段時(shí)間的過(guò)程數(shù)據(jù)。根據(jù)還原劑體積流量、煙氣流量等數(shù)據(jù)估算出系統(tǒng)實(shí)時(shí)氨氮摩爾比變化情況，利用該修正方法對(duì)還原劑體積流量進(jìn)行修正后，得到的改進(jìn)前后系統(tǒng)氨氮摩爾比變化情況見(jiàn)圖18。由圖18可以看出：改進(jìn)后系統(tǒng)氨氮摩爾比比改進(jìn)前變化較平穩(wěn)。

圖18 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性修正的噴氨優(yōu)化控制方法，利用對(duì)象動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)對(duì)噴氨量進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)某廠660 MW機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)辨識(shí)出SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)，搭建其仿真平臺(tái)，利用仿真數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法可以有效減小動(dòng)態(tài)過(guò)程中SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際氨氮摩爾比的波動(dòng)，有利于系統(tǒng)對(duì)出口NOx質(zhì)量濃度的控制。