基于模糊推理與均衡控制的脫硝實時優化控制系統設計與分析

沈雪東

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

0 引言

中國煤炭生產在一次能源生產中占70%左右，這決定了中國的電力生產主要以燃煤為主。火力發電廠在燃燒煤炭發電的同時產生了大量的粉塵、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處理直接排入大氣，將會造成嚴重的酸雨、霧霾、溫室效應等環境污染問題，是中國在經濟可持續發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）技術已成為世界上應用最為廣泛、技術最為成熟的一種煙氣脫硝技術，占煙氣脫硝裝置總量的93%以上，運行性能優良的SCR裝置的脫硝效率高達99%以上。在脫硝系統運行當中，噴氨量是決定脫硝效率的重要因素。當噴氨量過少時會導致反應不充分，造成煙氣超標排放；當噴氨量過多時會造成氨逃逸量超標，產生二次污染，同時容易引起空預器堵塞，影響機組運行經濟性。因此，實現脫硝系統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。

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技術現存主要問題

1.1 煙氣流場分布不均勻

一方面，SCR脫硝系統在設計階段通常假設進口煙氣流速、NOx濃度場分布均勻，并據此為邊界條件設計流場。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，現階段SCR脫硝系統大都為后期改造加裝設備，脫硝反應器進口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時脫硝反應器進口煙道狹長，部分鍋爐爐型自身結構更加劇了煙氣流場的復雜，導致濃度場分布不均勻。除此之外，另一個導致不均勻的因素是部分噴氨AIG的堵塞，會造成各分區內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致氨逃逸率超標，影響空預器等煙道后部設備運行，同時也影響了SCR脫硝效率。

1.2 NOx在線測量數據代表性不強

當今的SCR脫硝進/出口NOx煙氣在線分析系統多采用單點抽取法測量，煙氣經過采樣、凈化處理、分析等多道流程，系統本身比較復雜而且故障率較高。同時電廠煙道截面是非常大的，流場復雜，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據或者污染物分布情況，需要布置幾十套這樣的測量系統，就復雜程度和投資費用上看也是不現實的。現在行業內主要采用手動噴氨格柵調整的方法，該方法需要在機組負荷穩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據，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節閥，可在運行調試期間根據脫硝出口NH3和NOx的分布情況，通過手動調節方式來解決SCR反應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整，在工況改變的情況下無法做到及時調整，也無法實施在線監測SCR反應器進口煙氣截面NOx分布情況，所以不能及時根據實時情況實時調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 優化方案

2.1 AIG分區調節控制系統

根據前期收集的數據分析該1000MW機組SCR進口、出口沿爐寬度方向上NOx體積濃度分布規律，以及現場脫硝A/B側噴嘴數量、煙道尺寸等設備實際情況，基于SCR系統各噴氨小室“NOx/NH3等摩爾比優化噴氨[1]”的理念，將脫硝A、B側各分8個區域，對原有噴氨手動閥組進行分區組合。為了解決手動噴氨閥無法實現噴氨量的在線調整，根據現場煙道狀況及試驗數據分析，對手動閥門進行組合，前端加上電動調節閥門，可在線對噴氨量進行控制。由于電動調節閥門上端線性好，正常工作中閥門開度均大于50%開度，即自動調節范圍是50%～100%。除此之外，根據脫硝A、B側8個分區情況，與之對應在SCR的每側各安裝一套煙氣在線網格測量[5]系統，該測量系統對SCR各個分區進/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系統現存的主要問題，根據機組不同的工況組合，采用多模式模糊推理算法[2]計算出各區域噴氨調閥所對應的開度作為控制前饋量，實現變工況下SCR出口NOx 濃度場的快速前饋控制。前饋控制器相對于傳統PID控制器來說具有快速響應功能，有效克服了SCR系統滯后性大的難題。多模式模糊推理算法[6]根據專家庫數據和模糊決策系統，由離線計算得到相應的控制查詢表，根據控制查詢表綜合分析影響SCR系統出口NOx 濃度分布的主要影響因子，確保該系統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不同的工況組合推算出各個噴氨閥門所對應的開度值輸出，再與傳統PID控制器的輸出疊加，作為噴氨調閥的最終開度指令。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8個噴氨格柵調閥開度。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[3]計算相應的隸屬度，最終應用規則庫[2]的控制規則得到相應閥門開度的調整值。

在穩定工況運行條件下，首先將所有噴氨電動閥門開到85%，控制SCR出口NOx值不超標。通過手動調節噴氨閥門，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節開度和NOx濃度分布情況。然后，逐步調整MILL、O2、SOFA、COFA和TILT的大小并再次對各個閥門進行微調，確保NOx濃度相對偏差在20%以內。根據在不同運行工況下100%、85%、75%、60%、50%、40%的調平試驗得出的各個閥門開度數據，建立規則庫，其中部分控制規則表單見表1。在表1中的模糊規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 模糊規則庫Table 1 Fuzzy rule base

2.3 均衡控制器

多模式模糊控制系統雖然可以將SCR出口整體NOx濃度控制在限值內，但對出口NOx濃度偏差無法達到“細調”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對系統的“細調”，構成AIG噴氨優化調平控制系統。均衡控制器[6]根據SCR出口各區域NOx濃度值和出口NOx均值的偏差補償修正各區域噴氨閥門開度，實現脫硝SCR出口NOx濃度值的均衡補償控制。

圖2 優化的整體方案Fig.2 Optimized overall plan

均衡控制器[6]共設計8個輸入，對應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；均衡控制器設計的8個輸出分別對應各區域噴氨閥門指令的修正補償量。當測得某區域出口NOx的偏差值大于設定的目標偏差時，差值為正則開大此區域閥門，反之則關小閥門。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為噴氨調閥指令的修正補償量，在均衡控制器的調試過程中應對該控制算法中的系數k+、k-進行細調，直至最優。

2.4 優化的整體方案

（見圖2）

圖3 優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 結語

將模糊控制和均衡控制應用在1000MW機組的試驗結果表明，在保證各區域氨氮比精確控制的同時，實現了SCR噴氨在線優化。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，提高了系統運行穩定性和可靠性，在滿足NOx達標排放的同時將氨逃逸控制到較低水平。

從均勻性數據比對分析，可清晰地看出SCR出口NOx分布標準偏差的改善。依據廣東電網電力科學研究院的《中德技術合作火電廠SCR煙氣脫硝裝置的運行優化和性能試驗》提供的統計數據，對SCR催化劑使用年限預計有5%的提高。