火電脫硝分區噴氨動態調平控制技術研究

中電普安發電有限責任公司 潘承基 趙 毅 羅文旭 中電華創電力技術研究有限公司 顧滌楓

隨著國家對火電機組的NOx排放標準的進一步提高，由于爐內低氮燃燒技術的局限性，使得NOx控制不能達到令人滿意的效果，為滿足燃煤電廠生產發展需要，滿足國家環保排放的要求，在原有脫硝控制系統基礎上新增加噴氨格柵優化調節系統。該系統采用模糊控制算法，在達標排放的基礎上，改善脫硝催化劑出口NOx質量濃度和NH3的質量濃度分布，提高脫硝效率的同時降低氨逃逸，降低空預器堵塞的風險，提高機組運行的穩定性。SCR 法是目前國際上應用最廣泛的煙氣脫硝技術，在日本、歐洲、美國等國家或地區的大多數電廠中基本都應用此技術，由于其沒有副產物，不形成二次污染，裝置結構簡單，且脫硝效率高（可達90%以上）,運行可靠便于維護，一次投資相對較低等諸多優點，得到了廣泛的商業應用。

脫硝噴氨動態調平策略需要從兩個層面考慮：噴氨總量優化控制，針對系統大滯后、非線性、時變的特點，采用預測控制等先進優化算法計算噴氨總量；各個分區的噴氨配比。本項目關注的是分區噴氨配比問題。在噴氨總量是合理的前提下，由于煙道中煙氣的速度場、NOx的濃度場分布是不均勻的，而噴氨格棚是固定的，如噴氨格柵噴氨量不能隨之調節,會導致部分區域噴氨過多、而有的區域噴氨過少，仍無法達到優化控制目標。因此，在噴氨支路管道配置調閥調節格柵噴氨量，實現各個區域NOx濃度的均勻性十分必要。

1 研究技術路線和研究內容

中電普安發電位于貴州省黔西南州北部的普安縣工業園區內，裝機容量為2×660MW燃煤機組，脫硝控制系統采用噴氨控制，控制催化劑出口NOx在一定范圍內波動。為使煙囪出口處NOx濃度達到環保要求，運行人員需要根據煙囪處NOx濃度及時調整催化劑出口NOx濃度設定值。SCR 反應器安裝在煙道中，噴氨流量改變到煙道入口NOx濃度響應有幾分鐘的滯后，SCR 進出口NOx測量具有較長時間的滯后，催化劑的消耗又影響對象特性，是典型的大滯后非線性時變系統。

該脫硝控制系統采用常規PID 控制，在實際運行中易引起噴氨量過調。過剩的氨不僅會污染環境，在SCR 的催化過程中，煙氣中的部分SO2會在催化劑活性成分的催化作用下生成SO3。據統計，發生轉化的SO2約占總量的1%，隨著反應溫度升高，轉化率將進一步增大。進一步同煙氣中的逃逸NH3反應，生成硫酸銨（AS）和硫酸氫銨（ABS）：2NH3+H2O+SO3=(NH4)2SO4、NH3+H2O+SO3=NH4HSO4。生成的NH4HS04凝結在下游溫度較低的空預器上，吸收煙氣飛灰形成凝結性積灰，導致空預器堵灰和低溫腐蝕，嚴重的會迫使機組停機。因此，優化現有的脫硝控制策略是提高脫硝及尾部受熱面運行安全性與經濟性亟待解決的問題。

實現分區精準噴氨，首先硬件條件要滿足要求，要具備局部區域控制調整的條件，以達到區域噴氨流量控制、精準控制、分區域按需噴氨的目的，最大程度降低各區域的氨逃逸量脫硝噴氨分區動態調節系統的技術路線：一是建立脫硝噴氨動態調平平臺，涉及到的技術主要有硬件平臺搭建和通信配置；二是建立分區調門開度與分區噴氨流量、分區NOx濃度之間的函數關系，涉及現場數據收集和數值建模；三是分區調門優化控制算法開發。上述技術路線涉及到的研究內容主要包括：

脫硝噴氨動態調平平臺現場安裝調試。脫硝總量優化和分區調節優化控制均在Rockwe11的PLC中實施。需搭建脫硝噴氨動態調平平臺，在電子間布置PLC 機柜，PLC 與DCS 系統采用RS485通訊。為不影響運行人員操作習慣，脫硝噴氨動態調平平臺采用插件式部署，運行人員僅需按照往常的操作習慣即可。

SCR 出口各個分區噴氨調門開度與NOx濃度的數學模型辨識。分區脫硝調節系統是一個典型的單輸入單輸出系統，系統的輸入為調門的開度，開度的大小決定向催化劑中噴入的氨量；輸出為催化劑出口處的NOx濃度，單位為mol/m3,它們之間存在明確的定性關系，即增加閥門開度噴氨量增加，催化劑出口處的NOx濃度會明顯減少，而減少調門開度時催化劑出口處的NOx濃度會明顯增加。但二者間的定性關系卻有待研究，且脫硝過程收到的干擾因素較多，在噴氨總量一定的情況下，噴氨管道的壓力、相鄰調門的開度、催化劑入口的NOx濃度、負荷等因素都會影響對應分區的NOx的濃度變化。因此辨識一組以分區調門開度、分區NOx濃度為輸入和輸出，同時考慮多重干擾影響的模型，是實線調門優化控制的前提。

分區調門優化控制算法開發。分區調門控制是基于分區NOx的測量值反饋來實施的。控制的難點有：分區測量需要十幾分鐘時間，存在反饋的大滯后性；分區調門入口的噴氨都來自于噴氨總量，一個調門開度改變，會引起其他分區調門流量的變化，調門的開度與流量不是嚴格線性且相互間有影響；分區的NOx濃度存在精合，一個調門的控制指令可能影響相鄰區域的NOx濃度，一個分區的NOx濃度可能需多個調門協調控制；流場隨著工況會發生變化，分區調門與濃度的關系是時變的；分區控制是依賴于分區NOx測量值的，如果部分測點失靈，需要在線評估測量值。

針對以上前三個難點，優化算法應根據NOx濃度的測量值和辨識模型實時調節；對于后兩個難點，則通過運行數據和機理分析，確定不同負荷工況下分區調門開度的經驗值和調整范圍，以此作為基準，再根據NOx實測值在經驗范圍內實時調整閥門開度，確保分區NOx濃度分布的均勻性。項目研究目標，是在現有的脫硝結構下、在噴氨總量確定的情況下，基于NOx測量值開發脫硝噴氨動態調平分區調節系統，使得催化劑出口各分區NOx濃度盡量保持一致，提高脫硝控制品質，提高系統的自動化投入水平。

2 SCR 脫硝噴氨動態調平平臺搭建

SCR 脫硝噴氨動態調平平臺使用外置控制柜的開發方案，一方面能最大限度減少對原DCS 系統的影響，保證系統的安全性；另一方面外置控制柜的方案有利于算法的不斷選代升級和快速移植，有利于產品的進一步推廣和應用。

2.1 SCR 脫硝噴氨動態調平平臺硬件解決方案

SCR 脫硝噴氨動態調平平臺采用外置控制柜的開發方案，脫硝噴氨動態調平硬件平臺采用PLC 機柜，控制器為Allen-Bradley 1769-L24ER-QB1B Compact Logix 5370 Controller。PLC 機柜與DCS系統采用MODBUS 通訊卡通訊，型號為SSTESR2-CLX-RLL。如需增加PLC 控制節點，可通過在控制柜中增加輸入輸出模塊實現對設備直接控制。

PLC 控制柜與DCS 系統使用基于MODBUS 協議的通訊卡交換數據，遵循RS485通訊標準。在整個硬件解決方案下，DCS 側只需將PLC 控制計算需要的參數按照一定的格式發送出來，并接收有PLC計算得到的控制信號分發給被控設備即可，能實現硬件熱插拔和控制算法無擾切換。

2.2 MODBUS 通訊卡簡介

Rockwell 的SST-ESR2-CLX-RLL 可將Allen-Bradley1769-L24ER-QB1B Compact Logix 連接到MODBUS 以太網或者MODBUS 串行網絡，使用靈活，本次項目中MODBUS 使用了串行接口，不同于常規的RS485通訊協議，該MODBUS 模塊使用了串行線的第三針腳和第八引腳，使用時僅需將這兩個針腳與DCS 側的通訊線連接即可。本項目的通訊配置中MODBUS 模塊使用RS485協議通訊，在PLC 側的MODBUS 通訊卡設置為SLAVE模式，DCS 側按照配置好的通訊點表將相應的數據發送到PLC。

2.3 分區調門與NOx 濃度測點布置

噴氨分區方案制定的原則是某幾個區域的氨氣濃度及濃度變化整體呈現一致的規律，結合流場及濃度場數值模擬計算結果及實驗結果，A/B 每側的SCR 催化劑出口煙道劃分為4個分區，每個分區配置一個手動調閥和自動調門，分區的噴氨量來自噴氨總量調門輸出的母管。

3 SCR 脫硝分區調節動態優化算法

3.1 S CR 脫硝分區調節動態平衡問題

SCR 脫硝分區測量根據流場分布情況劃分了不同的測量區域，并以此作為分區控制的依據。實驗結果表明分區調門開度與分區的NOx濃度有直接的對應關系。SCR 脫硝分區調節的任務是，通過調節各個分區調門開度，實現整體測量區域NOx濃度的動態平衡，對于NOx濃度較大的區域需增大噴氨量，使濃度降低；對于NOx濃度較低的區域需適當減少噴氨量，以減輕區域內的噴氨過量問題。最終以分區NOx濃度的均勻系數為優化目標，通過SCR脫硝分區優化調節實現對SCR 脫硝出口NOx濃度的再均衡，從而進一步減少過量噴氨，減少氨逃逸，提高SCR 脫硝控制的品質。

由于基于脫硝過程先進控制算法的SCR 脫硝噴氨總量控制已給出控制周期內的噴氨總量，分區調節不再需考慮分區噴氨流量和總體噴氨流量間的關系，只需通過調節閥門開度被動地改變噴氨量，由于分區閥門開度的改變引起噴氨總閥兩側壓差改變的問題，可通過噴氨總量流量調節回路迅速實現再穩定。

3.2 基于色彩平衡原理的脫硝分區調節動態平衡算法

SCR 脫硝分區測量中，既有濃度較高的區域，也有濃度較低的區域，需在高濃度區域增加噴氨量從而使濃度下降，本項目中使用了基于色彩平衡理論的脫硝分區調節動態平衡算法。各個區域分別對應了不同的NOx濃度，對于每一個子區域，計算濃度偏離度R(i)=其中：R表示該子區域與其他子區域的偏離度，d(i,j)表示兩個子區域之間的中心距離可使用歐式距離表示，r(＊)是濃度表現函數，需為奇函數。上述公式提供了一種評價當前區域濃度和其他區域濃度不平衡程度的評價指標，并據此指標計算分區調閥開度。這里采用的濃度表現函數為：

在計算出各區域的濃度偏離度后，可根據濃度偏離度對閥門開度進行線性拓展：OP(i)=50+sR(i)，其中：s 表示線段[(Rmin，0),(Rmax，100)]的斜率，Rmin和Rmax分別表示所有子區域中的偏離度的最小值和最大值，OP(i)對應著該區域的閥門開度。

通過上述算法可實現脫硝分區調節的動態平衡，同時該方法還能通過使用區域平均值的方式來適應不同的劃分區域，適用性較強。

4 脫硝噴氨動態調平分區調節系統現場調試與運行結果

4.1 脫硝分區調節系統現場調試

分區控制PLC 選用的是Rockwe11公司的CompactLogix 控制平臺，相關的脫硝噴氨動態調平分區調節算法在RSLogix5000中完成，通過RJ45將程序由電腦下載到PLC 控制器中。優化系統通過MODBUS 與DCS 通信，獲取所需的測點，發送總量和分區控制指令。設計了脫硝噴氨動態調平系統的安全保障機制，發生異常或斷電時能可靠地切回到DCS。

無擾切換實現：為保證脫硝噴氨動態調平平臺能投平穩的投入和切除，在交互界面方面，在組態軟件上增加了噴氨優化控制投入按鈕；為保證系統平穩運行，在優化平臺投入和切除時需要保證是無擾的，解決方案是對手動控制信號進行保位跟蹤，保證測量系統完成一周期的測量后自動優化調平，實現無擾投入，而在優化平臺切出時，只需DCS 手動信號跟蹤自動控制命令或調門開度反饋值即可。

4.2 脫硝分區調節系統運行結果

分區調門調節系統于2021年12月開始投運。本節選取50%、75%和100%三個負荷段的運行結果展示噴氨分區控制效果。從75%負荷段A 側4個分區的調節閥指令、分區NOx濃度和不均勻系數趨勢圖可看出，噴氨調節閥開大、噴氨量增大、NOx濃度下降，兩者存在線性關系，時間上由于測量反饋時差存在一定滯后。在監測時間段內，不均勻系數最大值為0.6、最小值為0.05，A 側SCR 出口各分區濃度維持了較好的平衡性。

分區控制系統根據分區測量結果及各分區NOx濃度的不均勻程度、各分區所對應的調閥開度后進行了調整。在12:42時刻時，A4區的NOx濃度達到100mg/Nm3,A1區的濃度最低，為56mg/Nm3,A2區 和A3區 的NOx濃度在70mg/Nm3左右，分區間不均勻系數接近于0.7。1#調節閥開度指令減少1%,4#調節閥開度指令增加1%,2#不提取中周節閥維持不動，下一個時刻分區間不均勻系數降低至0.3，調節效果明顯。其他類似控制效果不一一贅述。