基于模糊推理與均衡控制的脫硝實時優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

沈雪東

（1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310000；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

中國煤炭生產(chǎn)在一次能源生產(chǎn)中占70%左右，這決定了中國的電力生產(chǎn)主要以燃煤為主。火力發(fā)電廠在燃燒煤炭發(fā)電的同時產(chǎn)生了大量的粉塵、鎘、汞等重金屬氧化物，同時含有大量的SO2、NOX、CO2等有毒有害氣體。當這些有毒有害氣體未經(jīng)處理直接排入大氣，將會造成嚴重的酸雨、霧霾、溫室效應(yīng)等環(huán)境污染問題，是中國在經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的難題之一。其中，NOX是繼SO2之后燃煤電站污染物治理的又一重點問題。

選擇性催化還原法（SCR）技術(shù)已成為世界上應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的一種煙氣脫硝技術(shù)，占煙氣脫硝裝置總量的93%以上，運行性能優(yōu)良的SCR裝置的脫硝效率高達99%以上。在脫硝系統(tǒng)運行當中，噴氨量是決定脫硝效率的重要因素。當噴氨量過少時會導(dǎo)致反應(yīng)不充分，造成煙氣超標排放；當噴氨量過多時會造成氨逃逸量超標，產(chǎn)生二次污染，同時容易引起空預(yù)器堵塞，影響機組運行經(jīng)濟性。因此，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)精準噴氨變得尤為重要，既要保證氮氧化物達標排放，又要控制氨逃逸在較低限值以內(nèi)。

圖1 1000MW/700MW/450MW負荷SCR進出口NOX和NH3分布圖Fig.1 1000MW/700MW/450MW Load SCR import and export NOX and NH3 distribution map

1 SCR技術(shù)現(xiàn)存主要問題

1.1 煙氣流場分布不均勻

一方面，SCR脫硝系統(tǒng)在設(shè)計階段通常假設(shè)進口煙氣流速、NOx濃度場分布均勻，并據(jù)此為邊界條件設(shè)計流場。然而，在機組的實際運行中，以上兩個邊界條件很難滿足，通常會隨著磨組的搭配和切換，進口NOx濃度分布不但不均勻，而且還不定常。另一方面，現(xiàn)階段SCR脫硝系統(tǒng)大都為后期改造加裝設(shè)備，脫硝反應(yīng)器進口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時脫硝反應(yīng)器進口煙道狹長，部分鍋爐爐型自身結(jié)構(gòu)更加劇了煙氣流場的復(fù)雜，導(dǎo)致濃度場分布不均勻。除此之外，另一個導(dǎo)致不均勻的因素是部分噴氨AIG的堵塞，會造成各分區(qū)內(nèi)噴氨量的變化和波動。因此，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過量導(dǎo)致氨逃逸率超標，影響空預(yù)器等煙道后部設(shè)備運行，同時也影響了SCR脫硝效率。

1.2 NOx在線測量數(shù)據(jù)代表性不強

當今的SCR脫硝進/出口NOx煙氣在線分析系統(tǒng)多采用單點抽取法測量，煙氣經(jīng)過采樣、凈化處理、分析等多道流程，系統(tǒng)本身比較復(fù)雜而且故障率較高。同時電廠煙道截面是非常大的，流場復(fù)雜，煙氣成分分布不均勻，如果想獲取真實準確的煙氣污染物排放數(shù)據(jù)或者污染物分布情況，需要布置幾十套這樣的測量系統(tǒng)，就復(fù)雜程度和投資費用上看也是不現(xiàn)實的。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)主要采用手動噴氨格柵調(diào)整的方法，該方法需要在機組負荷穩(wěn)定的工況下手動對各個點單獨采樣測量，因其只能得到個別典型工況下的參考數(shù)據(jù)，所以也只能給出參考的量值。

1.3 機組變工況運行

煙氣流在煙道內(nèi)的分布特性隨著機組負荷、磨組方式、燃燒器各個風門開度等因素的影響而變化。雖然每個噴氨支管配有手動調(diào)節(jié)閥，可在運行調(diào)試期間根據(jù)脫硝出口NH3和NOx的分布情況，通過手動調(diào)節(jié)方式來解決SCR反應(yīng)器入口煙氣分布不均勻的問題，但是該方式僅是通過試驗方法調(diào)整，在工況改變的情況下無法做到及時調(diào)整，也無法實施在線監(jiān)測SCR反應(yīng)器進口煙氣截面NOx分布情況，所以不能及時根據(jù)實時情況實時調(diào)整每個噴氨小室的噴氨量，往往造成局部氨逃逸率升高或者NOx超標排放。

2 優(yōu)化方案

2.1 AIG分區(qū)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

根據(jù)前期收集的數(shù)據(jù)分析該1000MW機組SCR進口、出口沿爐寬度方向上NOx體積濃度分布規(guī)律，以及現(xiàn)場脫硝A/B側(cè)噴嘴數(shù)量、煙道尺寸等設(shè)備實際情況，基于SCR系統(tǒng)各噴氨小室“NOx/NH3等摩爾比優(yōu)化噴氨[1]”的理念，將脫硝A、B側(cè)各分8個區(qū)域，對原有噴氨手動閥組進行分區(qū)組合。為了解決手動噴氨閥無法實現(xiàn)噴氨量的在線調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場煙道狀況及試驗數(shù)據(jù)分析，對手動閥門進行組合，前端加上電動調(diào)節(jié)閥門，可在線對噴氨量進行控制。由于電動調(diào)節(jié)閥門上端線性好，正常工作中閥門開度均大于50%開度，即自動調(diào)節(jié)范圍是50%～100%。除此之外，根據(jù)脫硝A、B側(cè)8個分區(qū)情況，與之對應(yīng)在SCR的每側(cè)各安裝一套煙氣在線網(wǎng)格測量[5]系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)對SCR各個分區(qū)進/出口的NOx和O2進行在線快速斷面掃描測量。

2.2 多模式模糊推理器

鑒于SCR系統(tǒng)現(xiàn)存的主要問題，根據(jù)機組不同的工況組合，采用多模式模糊推理算法[2]計算出各區(qū)域噴氨調(diào)閥所對應(yīng)的開度作為控制前饋量，實現(xiàn)變工況下SCR出口NOx 濃度場的快速前饋控制。前饋控制器相對于傳統(tǒng)PID控制器來說具有快速響應(yīng)功能，有效克服了SCR系統(tǒng)滯后性大的難題。多模式模糊推理算法[6]根據(jù)專家?guī)鞌?shù)據(jù)和模糊決策系統(tǒng)，由離線計算得到相應(yīng)的控制查詢表，根據(jù)控制查詢表綜合分析影響SCR系統(tǒng)出口NOx 濃度分布的主要影響因子，確保該系統(tǒng)在變工況時能夠快速準確地對噴氨閥門開度進行準確定位。

多模式模糊推理器的作用就是根據(jù)不同的工況組合推算出各個噴氨閥門所對應(yīng)的開度值輸出，再與傳統(tǒng)PID控制器的輸出疊加，作為噴氨調(diào)閥的最終開度指令。多模式模糊推理器有6個輸入量分別為：負荷（LOAD）、磨組方式（MILL）、煙氣含氧量（O2）、SOFA風、COFA風和燃燒器擺角（TILT），8個輸出量分別對應(yīng)8個噴氨格柵調(diào)閥開度。本工程首先利用多維模糊推理模型將變量模糊化，其次用隸屬度函數(shù)[3]計算相應(yīng)的隸屬度，最終應(yīng)用規(guī)則庫[2]的控制規(guī)則得到相應(yīng)閥門開度的調(diào)整值。

在穩(wěn)定工況運行條件下，首先將所有噴氨電動閥門開到85%，控制SCR出口NOx值不超標。通過手動調(diào)節(jié)噴氨閥門，減小脫硝SCR出口NOx濃度相對標準偏差，使NOx分布更加均勻，并記錄當前噴氨格柵閥門調(diào)節(jié)開度和NOx濃度分布情況。然后，逐步調(diào)整MILL、O2、SOFA、COFA和TILT的大小并再次對各個閥門進行微調(diào)，確保NOx濃度相對偏差在20%以內(nèi)。根據(jù)在不同運行工況下100%、85%、75%、60%、50%、40%的調(diào)平試驗得出的各個閥門開度數(shù)據(jù)，建立規(guī)則庫，其中部分控制規(guī)則表單見表1。在表1中的模糊規(guī)則充分反映在不同工況組合下的8個噴氨電動閥門開度的前饋修正值，在機組變工況時起到很好的前饋修正作用。

表1 模糊規(guī)則庫Table 1 Fuzzy rule base

2.3 均衡控制器

多模式模糊控制系統(tǒng)雖然可以將SCR出口整體NOx濃度控制在限值內(nèi)，但對出口NOx濃度偏差無法達到“細調(diào)”的作用。因此，為了減小出口NOx的濃度偏差，考慮添加均衡控制器來實現(xiàn)對系統(tǒng)的“細調(diào)”，構(gòu)成AIG噴氨優(yōu)化調(diào)平控制系統(tǒng)。均衡控制器[6]根據(jù)SCR出口各區(qū)域NOx濃度值和出口NOx均值的偏差補償修正各區(qū)域噴氨閥門開度，實現(xiàn)脫硝SCR出口NOx濃度值的均衡補償控制。

圖2 優(yōu)化的整體方案Fig.2 Optimized overall plan

均衡控制器[6]共設(shè)計8個輸入，對應(yīng)SCR出口8個在線測量的濃度NOxi與8個出口NOx平均值NOxave的差值；均衡控制器設(shè)計的8個輸出分別對應(yīng)各區(qū)域噴氨閥門指令的修正補償量。當測得某區(qū)域出口NOx的偏差值大于設(shè)定的目標偏差時，差值為正則開大此區(qū)域閥門，反之則關(guān)小閥門。當偏差值達到目標值時，停止修正補償作用。均衡控制器具體公式如下：

公式中，Δf為噴氨調(diào)閥指令的修正補償量，在均衡控制器的調(diào)試過程中應(yīng)對該控制算法中的系數(shù)k+、k-進行細調(diào)，直至最優(yōu)。

2.4 優(yōu)化的整體方案

（見圖2）

圖3 優(yōu)化前后氨逃逸對比圖和均勻性對比圖Fig.3 Comparison chart of ammonia escape and uniformity before and after optimization

3 結(jié)語

將模糊控制和均衡控制應(yīng)用在1000MW機組的試驗結(jié)果表明，在保證各區(qū)域氨氮比精確控制的同時，實現(xiàn)了SCR噴氨在線優(yōu)化。特別是在變負荷工況下，滿足了脫硝工程中噴氨混合的需要，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性，在滿足NOx達標排放的同時將氨逃逸控制到較低水平。

從均勻性數(shù)據(jù)比對分析，可清晰地看出SCR出口NOx分布標準偏差的改善。依據(jù)廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院的《中德技術(shù)合作火電廠SCR煙氣脫硝裝置的運行優(yōu)化和性能試驗》提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對SCR催化劑使用年限預(yù)計有5%的提高。