燃煤電廠SCR脫硝控制系統優化

李佩佩,薛方明,蘇靖程,劉秀如,姚勇琦，尹佳鋒，張漆璽

(1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.湖南華電常德發電有限公司，湖南 常德 415001)

1 引言

燃煤火電機組按照煙氣超低排放要求，氮氧化物排放濃度控制在50mg/m3以內。電廠一般采用低氮燃燒技術控制爐內NOX的生成量，采用SCR(Selective Catalytic Reduction, SCR)方式作為爐后脫除技術。SCR脫硝控制系統一般采用固定氨氮摩爾比或固定SCR 反應器出口煙氣中NOX質量濃度的控制方式噴[1,2]。受近年來全國電力消費增速放緩和新能源發電量快速增長等因素影響，火電機組利用小時數不斷下降，大型機組參與深度調峰。控制系統具有大滯后性和大延時性，使得機組低負荷及變負荷運行時難以精確控制噴氨量。SCR脫硝系統的氨逃逸超標及其導致的催化劑壽命縮短、脫硝效率下降、空預器堵塞和設備低溫腐蝕等問題日益突出[3,4]。本文通過分析現有SCR脫硝技術機理、脫硝控制系統原理及存在的問題，探討先進脫硝控制技術，并以某電廠660M超超臨界機組脫硝系統為例，采用先進的SCR模型預測控制策略，提前預測被調量未來變化趨勢，改善脫硝控制系統的閉環穩定性和抗擾動能力，為脫硝控制系統改造提供參考。

2 脫硝控制技術

2.1 SCR反應原理

燃煤電廠煙氣中產生的NOX主要來源于燃料型NOX和熱力型NOX，其中NO占95%左右，其余的是NO2。SCR脫硝方案通過向SCR前面的煙道內噴入還原劑NH3，使煙氣中NOX在經過SCR反應器時在催化劑的作用下被還原成無害的N2和H2O，這一過程中主要反應如下：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

(1-1)

4NH3+6NO=5N2+6H2O

(1-2)

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O

(1-3)

8NH3+6NO2=7N2+12H2O

(1-4)

SCR脫硝系統的性能評價指標主要有脫硝效率和氨逃逸率。理論上講，在最佳反應條件下，1 mol NOX完全被還原需要1 mol NH3。反應條件一定時，提高氨氮摩爾比，增加還原劑濃度，可以促進脫硝反應的進行，提高脫硝效率，但同時增加了氨氣的逃逸率。氨逃逸率增加時，逃逸氨和煙氣中的SO3和水蒸氣生成副產物硫酸銨(NH4)2SO4和硫酸氫銨NH4HSO4，加劇空預器換熱元件的堵塞和腐蝕[5,6]。因此，提高噴氨控制的品質對保證脫硝系統的高效穩定安全運行具有重要的理論和實踐意義。

2.2 脫硝控制系統原理

脫硝控制系統常用的方法有固定氨氮摩爾比、固定出口NOX質量濃度和復合控制方法等[7]。固定氨氮摩爾比控制原理是依據脫硝效率，按照固定的氨氮摩爾比進行噴氨量控制。該控制方案中采用SCR反應器進口的NOX濃度乘以煙氣流量得到NOX信號，該信號乘以氨氮摩爾比即為基本的氨氣流量信號，該信號作為給定值輸入PID控制器與實測的氨氣流量信號進行比較，由PID控制器經運算后輸出調節信號控制噴氨調門開度以調節氨氣流量。

固定出口NOX質量濃度的控制方法是保持出口NOX值恒定，控制系統將設置的出口NOX濃度值與出口NOX實際測量值送入PID控制器進行比較，形成噴氨流量開度調節指令，將出口NOX濃度控制在一定范圍內。該控制方案中，氨氮摩爾比是變值，為脫硝效率的函數，脫硝效率根據反應器入口NOX質量濃度和反應器出口NOX質量濃度設定值計算獲得。

復合控制方案中引入SCR入口NOX濃度作為擾動變量反映煤質和燃燒狀態對出口NOX濃度的影響，將鍋爐負荷作為擾動變量反應為煙氣流量對出口NOX濃度的影響[2]。典型的復合控制策略的邏輯圖如圖1所示[8]，控制系統根據煙氣連續排放檢測系統(CEMS)檢測到的SCR反應器進口NOX濃度等信號制定反應器理論噴氨量，主PID控制器根據出口NOX濃度的測量值與設定值之間的偏差對噴氨量進行修正，副 PID 控制器根據修正后的噴氨信號與氨流量監測儀監測到的實際氨流量信號的偏差來控制噴氨閥開度，由此實現脫硝噴氨量的自動控制。

圖1 脫硝系統噴氨控制邏輯圖

2.3 脫硝控制系統存在的問題

以上脫硝控制方案具有PID參數易于調試和整定的優點。但是當機組運行過程中，進口濃度值波動大，將設置的出口濃度值偏低時，超出催化劑所能脫除氮氧化物能力，造成過度噴氨。

脫硝反應及取樣測量系統存在延遲性，使噴氨自動控制系統被控對象的響應延遲時間在2～3min，是典型的大滯后被控對象，即當噴氨調節閥動作后，出口NOX需要一段時間才會發生變化，所以調節的及時性受到制約。

脫硝系統煙道具有較大截面，CEMS系統對NOX測量數值和煙氣流量計算的準確性會影響噴氨需求量與實際需求量偏差的大小，進而影響噴氨自動調節效果，特別是在機組啟停、變負荷運行和CHEM開機時，煙道內的流場變化較大，CEMS測量值與實際值偏差較大。

此外，SCR入口NOX含量受燃燒調整、煤質變化、負荷變化及啟停磨煤機等影響而產生較大波動，疊加噴氨反應時間的滯后，出現超調現象。特別是調峰機組頻繁變負荷運行時，SCR入口煙氣量或NOX質量濃度急劇變化，煙囪入口NOX質量濃度瞬時值超標。因此，應該優化控制策略及控制參數，提高脫硝噴氨控制系統對機組負荷變動的及時跟隨和響應，保證SCR出口NOX濃度值控制在要求的范圍內。

3 新型脫硝控制技術

針對SCR脫硝控制系統的大滯后、大延時控制特性，許多專家和學者采用了不同的方法建立了不同的氮氧化物預測數學模型，開發了多種先進的控制技術，包括神經網絡控制、遺傳算法控制、模糊控制及模型預測控制等。

神經網絡建模技術[9,10]是利用機組運行過程當中的氮氧化物生成質量濃度和運行參數的歷史數據進行非線性擬合，建立NOX排放模型，利用神經網絡技術的自學習能力，按照一定的性能指標和學習方法對PID控制器或被控對象模型參數進行尋優。

劉鋒等人[11]通過研究基于不同煤種燃燒下脫硝控制優化策略、不同負荷參數下PID 參數適應性以及不同磨煤機組啟停與入口NOX對應關系等，采取針對不同煤種燃燒及啟停磨煤機時穩態調節后參數自適應方法，該方法在實際運行過程中取得了較好的控制效果。周鑫等人[12]將KPLS(核偏最小二乘方法)與GA(遺傳算法)結合，提出了GA-KPLS建模方法，建立了SCR系統模型，該模型具有較好的學習及泛化能力，應用后顯著提高了脫硝率，降低了氨逃逸率。

模糊控制技術[13]是在傳統PID 控制系統中按照被控對象的實際輸出與期望值的偏差及偏差變化率對控制器的 P、I、D 參數進行在線調整。根據參數自整定模糊PID控制原理，對PID參數進行實時校正，提高控制系統對參數變化的適應能力，達到系統所需的動態性能指標[14]。

模型預測控制以預測模型為基礎，采用有限時域內的滾動優化策略，對于預測模型的輸出預測和實際結果之間的偏差進行在線校正，并通過反饋環節，實現了閉環優化，提高預測控制的魯棒性。研究實踐證明，模型預測算法可有效提高了脫硝系統的控制品質[15,16]?；蚁鋄17]模型是指利用一定的模型約束，通過離線樣本訓練的方法最終建立NOX質量濃度的預測模型。王朔等人[18]建立了SCR系統的灰箱模型，并提出了一種基于神經網絡逆模型的動態前饋控制策略。SMREKAR J[19]利用ARX(自回歸模型)和外部輸入自回歸平均滑動模型構建了燃煤鍋爐NOX預測模型。王林[20]采用主元分析和基于指數模型構建了NOX生成質量濃度預測方法，建立了入口NOX預測模型。

4 預測控制技術在實際電廠中的應用

某電廠為上海鍋爐廠生產的660MW超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π型露天布置。機組采用現場總線技術，主機DCS系統采用艾默生公司的 Ovation 系統，完成機組的數據采集(DAS)、模擬量控制(MCS)、順序控制(SCS)等功能。脫硝采用SCR技術，催化劑2+1布置，還原劑采用尿素熱解制氨工藝。

機組脫硝控制系統采用常規PID復合控制策略，控制回路中沒有設計根據出口NOX或脫硝效率的偏差對理論尿素量設定值的修正回路，控制結果不能通過反饋來加以檢驗，控制偏差也不能進行自動修正，煙氣出口NOX排放雖然可達到超低排放指標，但在低負荷磨煤機啟停時，入口NOX濃度偏高，對應的單側出口的NOX濃度有超標風險，兩側脫硝效率相差較大，反應器單側氨逃逸量偏高。此外，在尿素熱解法系統中，尿素從計量與分配裝置開始到通過氨噴射系統進入SCR反應器存在延時問題。因此需要制氨和噴氨系統快速響應滿足負荷變化的需要。為減少控制系統的滯后性、時變性及不確定性對控制系統的影響，實現對控制量的精確調控，該電廠采用預測模型來預測控制系統未來輸出，并通過反饋校正和滾動優化來修正預測模型輸出，確定當前局部優化控制策略，其中NOX濃度預測模型采用如下受控自回歸滑動平均模型建立[21]：

Ru(q-1Δu(t)=r(q)NOXNOXsp(t)-Ry(q-1)NOX(t)

其中NOXsp為NOX濃度設定值，u為噴氨調門開度指令，NOX實測NOX濃度，Ru(q-1)，Ry(q-1)和 r分別為預測控制器的各個參數多項式。

通過對機組運行數據和不同負荷下閥門開度實驗，獲得出口NOX濃度階躍響應曲線及各參數值。根據運行數據分析，采用模型預測控制策略對噴氨控制系統進行優化設計。采用Matlab軟件進行建模仿真實驗，預測控制系統的組成主要包括預測模型、參考軌跡、在線矯正、滾動優化等幾個方面，仿真結構見圖2。

圖2 模型預測控制仿真結構圖

該電廠的SCR控制系統優化包括熱解爐電加熱功率控制系統、氨氣量平衡控制系統以及尿素量控制系統。與原組態中的控制系統比較，熱解爐的功率控制模塊采用變參數控制，增加了外置微分回路和閉鎖回路，并在反饋回路中增加了靜、動態的前饋，改善反饋回路的控制品質，避免串接系統的積分飽和，保證在系統穩定性的前提條件下，加快噴氨調門開度的調節速度，有效地抑制在各種擾動情況下的 NOX動態偏差。

對實際機組脫硝控制系統進行改造，在DCS系統的監控室新增一臺服務器，在DCS機柜間新增一臺集成式操作站X800，操作站與監控室間采用以太網(RJ45)通訊電纜連接。

此外，對脫硝進出口CEMS系統進行全面檢查，選取合適的代表點位置，并調整自動吹掃/標定時間及間隔時間，提高檢測裝置測試數據的真實性。檢修噴氨調節閥，重新調試定位，使兩側閥門開度與流量特性盡量一致，在DCS中修正閥門特性函數，然后進行了噴氨格柵的優化調整試驗，調整噴氨支管手動調節閥的開度，使不同區域的噴氨量達到均勻。

經過系統調試，機組運行后的 SCR 脫硝系統控制曲線見圖3。由圖可見，當SCR入口NOX濃度變化較小時，出口NOX濃度變化非常小，其動態偏差控制在 5 mg/Nm3之內；當大幅度變負荷運行時，出口NOX濃度與設定值的最大動態偏差在15mg/Nm3之內。此外，兩個反應器脫硝一致性提高，單側反應器氨逃逸量得到有效控制，平均氨逃逸率低于2.3 uL/L。

圖3 脫硝控制改造后SCR 脫硝系統的控制曲線

5 結論

脫硝裝置噴氨控制系統是保證脫硝效率并降低氨逃逸率的關鍵環節，傳統控制策略具有滯后性和延時性，不能完全滿足脫硝噴氨調節要求，通過預測模型提前預測被調量未來變化趨勢，進行提前調節，提高脫硝系統閉環穩定性和抗擾動能力。實際機組應用結果表明采用模型預測技術優化脫硝控制系統，結合噴氨調平，能夠實現噴氨量最優控制，保證NOX滿足超低排放標準的同時顯著減少氨逃逸率。