基于水解工藝的新型冗余脫硝控制系統

朱威虔

（廈門華夏國際電力發展有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

隨著國家對危險化學品的管控越發重視，消除企業重大危險源的呼聲也隨之高漲。某火電廠積極響應國家能源局通知的相關要求，于2019 年11 月至2020 年8 月在原液氨制氨氣脫硝的基礎上實施了尿素脫硝改造，改造過程中拆除原有氨站并構建新的尿素站。本文以該火電廠尿素脫硝改造為例，結合現場改造后出現的噴氨自動調節品質差等問題，構建了一套基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統策略。經實際運行效果驗證，該控制策略取得了較好的動態與穩態調節效果，機組的控制品質得到明顯改善，機組負荷穩定、快速變負荷及啟停制粉系統狀況下，將機組脫硝出口的NOx濃度控制在50 mg/m3以下，滿足超凈排放的要求。

1 系統概況

某火電廠完成尿素脫硝改造后的尿素脫硝系統主要由尿素卸載、尿素溶液儲存系統、水解系統、SCR 反應系統、組成。尿素站環節（尿素卸載、尿素溶液儲存系統、水解系統）：

尿素溶液經由尿素溶液輸送泵、計量與分配裝置等進入水解反應器，共A、B、C 三臺水解器，正常情況下兩用一備。進入到水解反應器內的尿素溶液濃度可達到50%，其氣液兩相平衡體系的壓力約為0.4～0.6 MPa。再利用蒸汽對水解反應器加熱，保持溫度在130～160 ℃，尿素溶液受熱發生水解產生氨氣。

水解生成的氨氣體通過帶伴熱的管道恒溫送到各機組的脫硝區，至鍋爐分為A、B 兩側，經過噴氨調節閥對噴氨量進行控制后與加熱過的稀釋風在氨氣—空氣混合器處充分稀釋，最后得到氨氣濃度小于5%的混合氣。混合氣進入氨氣—煙氣混合系統，經由氨噴射系統噴入煙氣，與煙氣中的NOx進行反應，從而參與控制出口煙囪NOx含量。

2 存在的問題

（1）采用尿素水解制氨脫硝工藝之后，新的脫硝介質和尿素成品氣中含有氨、二氧化碳、水分等組分，純度不及液氨，還存在氣液兩相、易結晶的問題，所測得流量無法保證其穩定性，也不利于脫硝流量自動調節投入的可靠性。

（2）在改變工況或脫硝自動調節退出時，出口氨逃逸率經常出現超標現象，這嚴重影響到脫硝系統的正常運行。

（3）改造前，裝置的自動控制方式采用固定摩爾比的策略，以及以控制噴氨流量為主體原則的固定調節參數串級控制策略，無法滿足現有尿素脫硝系統復雜條件、機組變負荷工況下的噴氨自動調節要求。

3 設計思路

針對上述問題，設計了一種基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統。不同于常規的脫硝自動控控制系統，該系統以兩個獨立的、互為冗余的控制策略子系統模塊為核心，一個基于流量調節控制策略、另一個基于出口NOx自適應控制策略，同時實時采集多個過程參數參與調節計算，這樣可以根據工況需求實現兩種策略之間的無擾切換，實現全過程自動調節，大大提高系統的安全可靠性。

3.1 基于流量調節控制策略子系統

該策略子系統控制主體為前饋串級控制，控制的主參數為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數為氨氣流量，前饋量為根據進口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID 出口用于生成噴氨流量設定值，副回路PID 出口用于控制調門開度。同時結合尿素改造后成品氣通流非線性的情況、脫硝反應效率降低等實際因素，對該策略的參數進行大量優化，并針對新的脫硝特性設計了兩處邏輯框架，以進一步提升流量調節策略的工況適應性。

（1）擬合實際高、中、低、超低負荷等不同工況下的前饋需求，在單側入口NOx值前饋量上增加了非線性折線函數。

（2）設置多段負荷函數、入口NOx函數，結合機組氧量進行調節范圍的動態調整。

3.2 基于出口NOx 自適應控制策略子系統

針對尿素成品氣噴氨流量計測量準確性和穩定性差的問題，專門設計了不以噴氨流量主調量，而主要基于對出口NOx的提前變化趨勢的研判與決策為主導的多參量冗余調節子系統。該子系統由兩個模塊構成，一個是變負荷NOx前饋調節量調節模塊，另一個是自適應調節主模塊（圖1）。其中，SAMA 為美國科學儀器制造協會的簡稱。

圖1 基于出口NOx 調節自適應調節模塊SAMA 圖

3.2.1 前饋調節量調節模塊設計

負荷變化協同總風量變化可以快速反映出煙氣的實際通流情況，從而提前響應入口NOx的變化。同時，加入慣性與微分環節，可以在減少數據突影響的同時縮短前饋響應時間，起到提前干預的作用。

3.2.2 自適應調節主模塊設計

3.2.2.1 抗超調功能

基于出口NOx調節存在的長時滯后性極易造成調節發散，單純的前饋判斷不足以消除滯后帶來的影響，須選取相關度高、響應速度快、數值明確的參數對閥門調節加以限制干預。通過對大量數據進行分析、篩選，在模塊1 中選取氨逃逸量（其在一定程度上體現了脫硝反應是否完全，可以較早地判斷所噴入成品氣是否過多）、出口NOx變化率（其變化情況可以較早地判斷出口NOx變化趨勢是否出現拐點，而拐點能反映成品氣投入是否過多或不足）作為閥門禁增減條件，提前干預滯后的調節，加強調節的趨穩性。同時為了進一步減少超調的可能，通過實際工況數據曲線的匹配調查，根據負荷、入口NOx等參數在模塊3 中生成閥門調節區間函數，將調節約束在更為合理的范圍內。

3.2.2.2 變工況適應功能

在穩態工況下，若調節跟蹤過于靈敏，參數稍有變化便會發生重復調節，使得調節失穩；而在升降負荷等變工況下，若調節跟蹤過于遲鈍，不能及時響應參數變化，則會造成出口NOx超標。為了解決這一難題，在模塊2 中設計工況穩態、動態變化判斷環節，依此作為調節緩沖投退選擇條件：當工況達到穩態時調節減緩，防止調節失穩；當工況變化時調節實時跟進，避免出口NOx超標現象。

3.2.2.3 抗積分飽和功能

在原PID 計算過程中，會發生因積分飽和而導致調節失控的問題，因此根據數據統計、經驗調查分析后，在模塊3 中以入口NOx為跟蹤量建立適應F（x）函數關系，實現PID 調節動態積分，以適應不同況下的PID 計算。同時設置積分弱化環節，當出口NOx高出設定值6 mg/m3且在快速下降（下降速率＞7 mL/min）時，切除積分作用，待出口NOx低于設定值6 mg/m3時恢復積分作用，防止積分飽和。

通過3 個模塊與PID 調節的配合，提前預判出口NOx的變化趨勢，有效抑制PID 調節的超調與積分飽和，較好地克服了出口NOx的響應大慣性、滯后與非線性調節的問題，實現了工況穩態調節與變負荷工況的快速響應與調節的有機結合。

4 效果驗證

通過對比流量調節曲線和運行人員手動調節曲線可知，采用該基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統后，機組尿素成品氣脫硝取得了較好的動態與穩態調節效果，產品質量控制也得到明顯改善，在變負荷工況、入口NOx變化較大的情況下，出口NOx保持較為平穩，氨逃逸率也未出現大幅變化，為爐后的煙道安全運行、防止堵塞奠定了基礎。

該控制策略適用于水解工藝的尿素成品氣脫硝自動調節，兩個互為冗余的控制策略子系統互為補充。其中，在噴氨流量計出現故障或進行檢查維護時，基于出口NOx控制策略子系統可以做為以流量調節為主的控制策略的重要補充，實現脫硝自動的無擾切換，確保脫硝自動全周期安全穩定運行。

5 結論

本文通過對某電廠新構建的基于尿素水解工藝的新型多參量冗余脫硝自動控制系統策略的設計背景與實際應用的介紹，說明了該策略控制方式創新性與靈活性，能夠滿足該公司機組各種工況尿素脫硝的要求，確保了機組脫硝系統的穩定運行，保證了脫硝煙氣符合國家超凈排放標準。同時在當前火電廠主流脫硝自動控制系統，通過引用成熟開放式外掛先進過程控制運行優化系統（Advanced Process Control，APC），對脫硝系統進行在線優化。該策略冗余控制系統策略的實施，可以節省大筆的系統改造與優化調試費用。當然，目前越來越多的新的、基于智能算法的尿素脫硝自動控制策略得到應用，也取得了不錯的控制效果，如何實現精細噴氨、不斷降低尿素原料與成品氣制氨的成本將成為今后策略優化的主要方向。