基于趨勢預判和強度自調節的脫硝控制策略研究

張曉航

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司西北電力試驗研究院,陜西 西安 710021)

0 引言

《“十四五”節能減排綜合工作方案》提出,到2025年,氮氧化物(NOx)排放總量需比2020年下降10%以上[1]。在我國,由燃煤產生的NOx占總排放量比例約為70%[2]。減少NOx排放一方面要大力發展清潔能源以降低煤炭消費量,另一方面要持續推進煤電機組超低排放改造以實現煤炭清潔利用。選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術是當前火力發電廠廣泛應用的煙氣脫硝技術[3]。SCR的原理是煙氣中的NOx和SCR反應器中的NH3以及空氣中的O2發生SCR反應,生成N2和H2O。國內大部分地區環保部門將鍋爐排放煙氣NOx質量濃度限制在50 mg/Nm3以內[4]。火電廠須在環保達標的前提下避免過量噴氨。噴氨量過大不僅會造成資源浪費、脫硝效率下降,還會引發空預器堵塞、風煙系統出口阻力增加、耗能升高等問題[5-6]。

噴氨自動化是熱工自動化領域的研究熱點,通過控制噴氨調門開度調節進入SCR反應器中的氨氣量,實現對排放煙氣NOx濃度值的控制。常規控制策略基于比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制器加前饋的模型[7-8]。該模型具有結構簡單、易于實施等優點。文獻[9]先利用遺傳算法計算得到PID控制器初始參數,再利用模糊算法計算修正參數。仿真結果表明,這種方法有助于提升系統的快速性和準確性。近年來,強化學習、預測控制等先進控制算法被應用到噴氨控制,并得到了一定的實踐。部分學者針對脫硝系統多目標優化展開研究。文獻[10]提出的控制策略兼顧了NOx排放的環保性和經濟性,可有效降低脫硝成本。文獻[11]先通過大數據分析建立脫硝系統模型,再利用混合粒子群優化(hybrid particle swarm optimization,HPSO)算法優化模型參數,具有較好的控制精度。綜合來看,基于經典PID控制器的控制策略以其易于實施的優點而被廣泛采用,但其屬于“事后”控制,調節品質較差。先進控制算法因無法直接在電廠分布式控制系統(distributed control system,DCS)實施,常采取在DCS外掛可編程邏輯控制器(programmable logical controller,PLC)或其他先進控制器[12]等方法實施。這樣操作花費大、安全風險高,且模型精度與現場實際常存在差距,阻礙了外掛控制器的大規模應用。

本文提出的脫硝控制策略無需額外投資即可直接在電廠DCS實施,可有效提升系統快速響應能力及控制精度,在保證排放達標的同時提升了經濟性。通過工程現場應用,驗證了本文策略具有較好的控制效果。

1 SCR脫硝控制系統

1.1 傳統控制方案

SCR入口煙氣NOx濃度測量值經過折線函數F1(X)的輸出值,與機組主蒸汽流量經過折線函數F2(X)的輸出值相乘得到基準噴氨量。SCR出口NOx濃度測量值和設定值的偏差經過主PID控制器計算后得到NOx偏差噴氨調整量。機組鍋爐主控制器值經過折線函數F3(X)的輸出值為氨氣快速調節量。上述三者相加之和為噴氨流量設定值。該設定值與氨氣流量測量值偏差經過副PID控制器計算,得到噴氨調門開度指令。

串級PID加前饋模式被廣泛應用于脫硝噴氨控制。串級PID脫硝控制策略如圖1所示。

圖1 串級PID脫硝控制策略示意圖

1.2 控制難點

某電廠1#機組某次NOx調節過程曲線如圖2所示。

圖2 NOx調節過程曲線

由圖2可知,機組負荷經歷先降后升過程。圖2中:A點時間為05∶04∶10,噴氨調門開度為62.8%,NOx設定值為36 mg/Nm3、測量值為36.1 mg/Nm3;B點時間為05∶07∶02,此時運行人員將設定值改為30 mg/Nm3;C點時間為05∶09∶02,噴氨調門開度為100%,NOx設定值為30 mg/Nm3,此時的測量值57.8 mg/Nm3已超過環保要求限值。A點、C點的時間差為4 min 52 s,即使運行人員在B點提前降低設定值也未能避免此次環保超標。該機組因脫硝噴氨自動調節品質差,噴氨調門長期處于手動調節狀態,NOx超標、過度噴氨現象頻發,引起空預器堵塞、一次風壓波動等問題,影響機組安全和經濟運行。

當前,電廠脫硝控制存在以下難點。

①大延遲。大延遲包括催化反應延遲及測量響應延遲。總延遲時間一般約為3～5 min。因PID控制器基于NOx偏差進行調節,其對NOx變化反應滯后造成的噴氨調門延遲進行調節。

②強擾動。新型電力系統背景下,電網自動發電控制(automatic generation control,AGC)調度指令變化頻繁,變負荷時鍋爐燃燒不穩定,生成的NOx量也發生較大波動。這對控制系統性能提出較高要求。

③傳統控制策略不具有針對性。例如,當NOx測量值由45 mg/Nm3上升至55 mg/Nm3時,控制系統應快速大幅增加噴氨調門開度以免環保超標;當NOx測量值由20 mg/Nm3上升至30 mg/Nm3時,由于其處于較低范圍,控制系統應保持或小幅增加噴氨調門開度以免過度噴氨。圖1控制策略表明,無論機組處于穩態還是變負荷運行工況,由于控制系統預先設定的PID控制器參數為固定值,其控制強度也一致。這并不能滿足實際控制的需要。

2 脫硝控制優化控制策略

2.1 機組運行工況辨識及分類

機組負荷穩態時,鍋爐生成NOx較為穩定,一般微調噴氨調門開度即可滿足控制需要。當機組升負荷過程啟動磨煤機,或降負荷過程停運磨煤機后一定時間內,NOx波動較大,需對噴氨調門進行大幅度調整才能避免環保超標。因此,要實現噴氨調門的精準控制,必須在機組不同運行工況對控制系統作針對性調整。本文基于DCS設計了機組運行工況辨識分類邏輯,通過分析不同運行工況下鍋爐生成NOx量的變化規律,將運行工況分為以下6類。

①穩態:機組負荷不變、各項運行參數穩定的工況。穩態鍋爐燃燒產生的NOx也較為穩定。

②波動:機組負荷在區間范圍內小幅振蕩工況,將振蕩區間設置為-10～+10 MW。此時,鍋爐燃燒產生的NOx出現小幅波動。

③連升:機組連續升負荷工況。此時,系統產生的NOx持續升高。

④連減:機組連續減負荷工況。此時,系統產生的NOx持續減少。

⑤啟磨:升負荷啟動磨組工況。啟磨存煤入爐,風煤比降低可能導致NOx快速下降。

⑥停磨:降負荷停運磨組工況。停磨斷煤后,風煤比升高可能導致NOx快速上升。

通過對機組進行運行工況辨識和分類,可以指導控制系統在不同工況下靈活調整控制作用強度,從而有針對性地對NOx進行調節。

2.2 基于模糊規則的NOx 趨勢預判策略

脫硝控制系統對實時性有較高要求。一旦NOx超過環保限值,電廠將面臨經濟考核。為提高系統快速調節能力,通過分析NOx測量值及其變化量規律,建立基于趨勢預判的NOx模糊修正規則。NOx模糊規則修正如表1所示。

表1 NOx模糊規則修正表

修正以NOx測量值為基準,根據其前1 min變化量確定修正量,不同測量值區間修正規則各不相同。當測量值處于低位時,修正目的在于超前關小調門以避免過度噴氨。當測量值處于中間位時,修正目的在于平滑測量值波動,以避免系統振蕩。當測量值處于高位時,修正目的在于避免環保超標。

修正式為:

P=C+σμ

(1)

式中:P為修正后PID控制器被調量;C為NOx測量值;σ為趨勢預測修正量,可通過查詢表1得到;μ為基于機組不同運行工況設置的調整系數。

設置是在穩態及波動工況對修正量進行弱化處理以保持系統的穩定性,在連升和連降工況時不進行調整,而在啟磨和停磨階段適當強化趨勢修正,讓系統盡快恢復穩定。根據工程現場經驗,本文設置μ在穩態工況為0.2、波動工況為0.5、連升或者連降負荷工況為1、啟停磨煤機工況為1.3。

應用舉例如下。負荷波動工況下,NOx設定值為40 mg/Nm3、測量值為20 mg/Nm3,且測量值前1 min變化量為-5 mg/Nm3。此時,因NOx處于低位且呈快速下降趨勢,為避免NOx過低,PID控制器應超前關小噴氨調門開度以避免過度噴氨。查詢表1可知:σ值為-8 mg/Nm3;μ為0.5;修正后P為16 mg/Nm3。此時,模糊修正結果加強了NOx的下降趨勢,有助于PID控制器快速關小調門。反之,設定值不變,測量值為45 mg/Nm3,且前1 min變化量為+5 mg/Nm3。此時,因NOx處于高位且呈快速上升趨勢,為避免NOx超限,PID控制器應超前增加噴氨調門開度。查詢表1可知:σ值為+10 mg/Nm3;μ為0.5;修正后P為50 mg/Nm3。此時,模糊修正結果加強了NOx上升趨勢,有助于PID控制器快速開大調門以避免環保超標。

2.3 控制強度自適應調節策略

本文根據機組不同運行工況對控制系統作用強度作針對性調整。針對性調整主要包括4個方面,分別為PID控制器參數、前饋作用、系統輸出上下限、輸出變化速率。本文定義這4個方面強度調整系數分別為K1～K4。

①K1、K2。

K1對PID控制器參數強度進行調整。工程應用中,PID控制器在掃描周期k的輸出值Vk的計算式為:

(2)

式中:PT為控制器比例帶系數,其數值越大代表比例作用越弱;TI為積分時間,其數值越大代表積分作用越弱;KD為微分系數;TD為微分時間。

將原控制器參數PT、TI、KD與調整系數K1相乘,即可得到各PID控制器參數的修正值。

K2對控制系統前饋量OC強度進行調整。OC與K2相乘后得到修正后的前饋量。調試人員可根據不同現場實際情況進行動態調整。

②K3。

K3對控制系統輸出幅度進行修正,分為輸出上限K3H及輸出下限K3L。首先,本文基于歷史運行數據統計得到機組不同負荷段穩態工況噴氨調門開度上下限值。例如:機組負荷維持在175 MW時,噴氨調門開度在35～45%區間變化即可滿足控制需要,則調門開度定義為上限KH=45%、下限KL=35%。接著,本文用K3H和K3L對上下限進行動態修正。K3H取值1.1。K3L取值0.9,則修正后KH為49.5%、KL為31.5%。

③K4。

K4對控制系統輸出速率即噴氨調門開關速率進行調節。為避免環保超標及系統振蕩,K4對開門速率不作限制,僅對關門速率進行限制。本文將試驗電廠的關門速率限值設為4%/min。此外,有2種工況需特殊設置。①NOx轉向,即NOx測量值出現先升后降,且測量值減設定值之差大于10 mg/Nm3。②NOx測量值與設定值之差小于-10 mg/Nm3,即大差工況。以上2種工況需將調門快速關小,在上述工況發生后應將關門速率適度加快。

K1～K4調整系數如表2所示。

表2 K1～K4調整系數

2.4 脫硝控制策略

綜合以上分析,本文提出的脫硝優化控制策略如圖3所示。

圖3 脫硝優化控制策略

煙氣排放連續監測系統(continuous emission monitoring system,CEMS)采集得到的煙氣NOx測量值,經過模糊規則處理器得到修正后PID控制器被調量P。P與PID控制器設定值S的偏差經過噴氨PID控制器接收并計算得到噴氨調門調整量,再與各前饋項疊加后經過限幅、限速模塊得到最終噴氨調門指令。

前饋作用包括以下4項。

①基準開度Q1。

Q1是噴氨調門開度的基準量。

(3)

式中:R為SCR入口煙氣NOx質量濃度測量值,其區間在150～400 mg/Nm3;S區間通常為30～40 mg/Nm3;Fx(Z)為主蒸汽流量折線函數;γ1為微調系數,可根據運行情況設置,初值取1。

試驗電廠主蒸汽流量對應折線函數如表3所示。

表3 主蒸汽流量對應折線函數

基準開度反映了鍋爐煙氣NOx實際濃度值,決定了噴氨調門基礎開度不受強度調節系數K1的調節。

②微分前饋Q2。

Q2在NOx測量值變化時快速改變噴氨調門開度。

(4)

式中:Q2為t1和t2時間NOx實測值變化量,根據現場實際,時間差取2～3 min;γ2為調節系數,默認取1;Ct1和Ct2分別為t1和t2時刻NOx實際測量值。

為避免NOx小幅變化引起微分前饋波動進而導致噴氨調門振蕩,本文將Q2輸出“死區”設置為±3%,以保證微分前饋僅在系統穩態被破壞、NOx大幅波動時起作用。

③啟停磨組前饋Q3。

為避免啟停磨組導致風煤失衡引起鍋爐燃燒不穩、NOx波動等現象,本文增加啟停磨組前饋Q3。Q3的取值可以根據不同機組實際情況進行設置。本文試驗電廠啟磨時設置Q3為-5%、停磨時設置Q3為+6%;同時,設置Q3作用時間是啟停磨后10 min,即10 min后Q3自動恢復至0。

④氧量前饋Q4。

Q4反映風煤配比。若Q4持續上升,煙氣NOx也呈上升趨勢。Q4做法參考Q2,此處不再贅述。

3 工程應用

本文將提出的優化方案應用于350 MW超臨界機組。其鍋爐設備采用哈爾濱鍋爐廠生產的HG-1125/25.4-YM1型超臨界參數直流爐。該機組自2018年初投產以來,脫硝系統噴氨調門無法投入自動控制,長期依賴運行人員手動操作,NOx超標現象頻發。同時,該機組存在過量噴氨造成空預器堵塞嚴重、熱一次風母管壓力振蕩、協調系統調節特性差等問題。本文提出的優化控制方案在該機組實施后,在不同運行工況下檢驗其應用效果。

圖4為機組負荷320 MW穩態工況NOx調節過程曲線。

圖4 負荷320 MW穩態工況NOx調節過程曲線

圖4中:NOx設定值保持為41 mg/Nm3。由于對控制系統作用強度進行了針對性調節,噴氨調門開度小幅變化就可以將NOx質量濃度保持在設定值附近,且設定值與測量值偏差保持在±5 mg/Nm3內。

圖5為機組降負荷過程NOx調節曲線。

圖5 降負荷過程NOx調節曲線

此時,NOx設定值始終保持在40 mg/Nm3,且設定值與測量值最大偏差為8 mg/Nm3。

機組升負荷過程NOx調節曲線如圖6所示。

圖6 升負荷過程NOx調節曲線

此時,NOx設定值始終保持在42 mg/Nm3,且設定值與測量值最大偏差為6 mg/Nm3,控制品質優良。

機組負荷在270～310 MW區間波動過程中,負荷小波動過程NOx調節曲線如圖7所示。

圖7 負荷小波動過程NOx調節曲線

此時,NOx設定值保持為43 mg/Nm3,設定值與測量值最大偏差為5 mg/Nm3。

由NOx調節過程曲線可知,在機組不同運行工況下,所提控制策略均能將NOx偏差控制在±8 mg/Nm3以內,自動調節品質滿足《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》(DL/T 657—2015)中NOx偏差在±10 mg/Nm3內的要求。

本文對比350 MW超臨界機組投運所提優化控制方案前后數據。應用數據對比如表4所示。

表4 應用數據對比

由表4可知,所提方案取得了較為理想的效果。所提方案實施后:NOx月超標次數大幅減少,NOx均值提升2.3 mg/Nm3,同比增長6.2%,實際的耗氨量減少54.6 kg/h,同比減少14.1%,噴氨量日均同比減少1 310.4 kg,折合尿素602.8 kg,當年減少尿素耗量220 t。按每噸尿素2 000元計算,其產生的直接經濟效益為440 000元。而電解220 t尿素,需耗電500 000 kW·h。按每度電0.25元計算,則優化方案節約電費約為125 000元。年綜合節約成本約為56.5萬元。

4 結論

本文提出的控制策略是對電廠傳統PID控制策略的有益改進。

本文基于模糊規則預判NOx變化,對測量值進行動態趨勢修正,提升了控制系統對NOx變化的靈敏度和快速響應能力,使噴氨調門快速并更有針對性地調節。

本文基于機組運行狀態辨識和分類,從4個方面自適應調節控制系統作用強度,避免了控制系統的過度調節,并在一定程度上屏蔽和減少了系統瞬時擾動。

工程實踐驗證了本文策略具有較高的實用性,有助于提高電廠脫硝系統自動投入率、提升NOx控制水平,具有較高的推廣和應用價值。