劉 鋒，金 晶

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

NOX污染是大氣污染的主要來源之一，NOX的排放量中近70%來自于化石燃料的使用，燃煤電廠則是NOX主要排放源之一。近年來，環(huán)境污染問題日益突出，隨著國家全面實(shí)施燃煤電廠“超低排放”工作的推進(jìn)，各發(fā)電公司紛紛進(jìn)行“超低排放”改造，確保NOX排放達(dá)標(biāo)。關(guān)于如何提高SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)的效率，通常只關(guān)注脫硝系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)造、反應(yīng)原理、運(yùn)行操作方式等方面，而忽略了脫硝噴氨調(diào)節(jié)自動(dòng)控制策略的優(yōu)化。脫硝噴氨如果自動(dòng)調(diào)節(jié)不好，噴氨量過低，將導(dǎo)致系統(tǒng)出口NOX超標(biāo)；而噴氨量過高，又將導(dǎo)致氨逃逸較高，過量的氨與煙氣中的硫化物反應(yīng)生成硫酸氫銨，不僅影響脫硝催化劑的活性，還會(huì)堵塞空預(yù)器，危及下游設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

以某發(fā)電廠一期2×1 000 MW（3號、4號）超超臨界機(jī)組脫硝系統(tǒng)為例，分析了脫硝噴氨控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果不佳的原因，并且對不同煤種與入口NOX濃度關(guān)系、磨煤機(jī)的啟停方式對入口NOX生成的影響等進(jìn)行了探討。采用基于前饋與變參數(shù)控制的脫硝控制優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了SCR脫硝過程噴氨控制策略的優(yōu)化與改進(jìn)，增強(qiáng)了噴氨調(diào)節(jié)自動(dòng)控制的穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，經(jīng)優(yōu)化后，系統(tǒng)出口NOX濃度可以控制在50 mg/m3以內(nèi)，且波動(dòng)較小，SCR脫硝系統(tǒng)控制效果良好[1－5]。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠一期2×1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐由東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)，型號為DG3033/26.15－II1型。鍋爐前后墻各有3層燃燒器，每層燃燒器配備8臺低氮燃燒器。前墻下中上層燃燒器分別為B，C，D；后墻下中上層燃燒器分別為F，E，A；B層與F層燃燒器配備等離子點(diǎn)火系統(tǒng)。脫硝裝置采用高含塵布置方式，催化劑采用蜂窩式，共3層，SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。機(jī)組DCS（分散控制系統(tǒng)）為北京ABB貝利控制有限公司的Symphony系統(tǒng)。

2 存在問題

2.1 采用脫硝效率為設(shè)定值的簡單PID控制方式

原控制系統(tǒng)為以脫硝效率為設(shè)定值的簡單PID控制方式。該控制方式下以脫硝效率作為設(shè)定值，計(jì)算脫硝效率設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，通過簡單的PID調(diào)節(jié)，輸出噴氨調(diào)節(jié)閥的開度，最終控制脫硝出口NOX濃度達(dá)標(biāo)。實(shí)際脫硝效率計(jì)算公式為：

實(shí)際入口NOX濃度（折算后值）：

實(shí)際出口NOX濃度（折算后值）：

實(shí)際脫硝效率：

通過以上公式可以看出：實(shí)際脫硝效率由脫硝出、入口NOX和O2濃度計(jì)算得來，即在實(shí)際調(diào)節(jié)參數(shù)中，脫硝效率受到多個(gè)參數(shù)變化的影響，任一參數(shù)變化將導(dǎo)致脫硝效率變化，一旦某一參數(shù)不準(zhǔn)，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)參數(shù)脫硝效率失真。而且脫硝調(diào)節(jié)還會(huì)受到機(jī)組變負(fù)荷、煤質(zhì)變化、鍋爐燃燒、風(fēng)煤比控制等其他參數(shù)影響，使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制目標(biāo)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致自動(dòng)投入后效果差，負(fù)荷一旦變化，噴氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)外干擾均較大，自動(dòng)控制無法投入正常，出口NOX濃度值時(shí)常超標(biāo)。

2.2 CEMS自動(dòng)反吹和標(biāo)定干擾自動(dòng)調(diào)節(jié)

脫硝出、入口的NOX和O2測量儀表長期在高塵環(huán)境下運(yùn)行，為了防止取樣管路堵塞，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間自動(dòng)反吹、標(biāo)定一次。在系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定期間，將脫硝出、入口的NOX和O2測量值鎖定為反吹和標(biāo)定前測量值，持續(xù)時(shí)間長達(dá)5 min。由于測量儀表反吹和標(biāo)定的頻率高、時(shí)間長，調(diào)節(jié)對象無法實(shí)時(shí)反應(yīng)脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NOX和O2的變化量，在機(jī)組變負(fù)荷過程中，脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)超調(diào)，致使調(diào)節(jié)系統(tǒng)大范圍波動(dòng)，甚至出現(xiàn)振蕩發(fā)散的情況。測量儀表反吹和標(biāo)定完成后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)出口NOX瞬時(shí)超標(biāo)或者噴氨過量的現(xiàn)象。

為了解決脫硝出、入口CEMS（煙氣在線分析系統(tǒng)）儀表標(biāo)定時(shí)鎖定當(dāng)前值給自動(dòng)調(diào)節(jié)帶來的影響，將脫硝出、入口NOX以及煙囪出口NOX自動(dòng)反吹和標(biāo)定時(shí)間設(shè)定在不同時(shí)間段，在一側(cè)出口NOX出現(xiàn)信號維持時(shí)，可以參考另一側(cè)或煙囪出口NOX變化情況。采用該措施后，雖然在穩(wěn)態(tài)情況下脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)良好，但是一旦煤種變化或者負(fù)荷快速變化時(shí)，由于兩側(cè)的煙氣分布本身具有不均勻性，依然會(huì)造成自動(dòng)調(diào)節(jié)的品質(zhì)差。

2.3 噴氨調(diào)節(jié)閥特性差

噴氨調(diào)節(jié)閥作為噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其線性的好壞直接影響著調(diào)節(jié)品質(zhì)。通過調(diào)取手動(dòng)與自動(dòng)情況下噴氨調(diào)節(jié)門指令和反饋曲線，結(jié)合噴氨調(diào)節(jié)閥前流量和噴氨調(diào)節(jié)門閥位反饋曲線進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)門反應(yīng)遲緩、死區(qū)大，噴氨流量與噴氨調(diào)節(jié)閥曲線特性跟蹤不好，且噴氨調(diào)節(jié)閥行程過大，閥門調(diào)節(jié)線性差，閥門開至70%時(shí)噴氨調(diào)節(jié)閥前流量已經(jīng)達(dá)到最大值。在穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，噴氨調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)范圍在5%～20%，調(diào)節(jié)范圍過小。由于噴氨調(diào)節(jié)閥的線性差，在變負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)過快出現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)閥振蕩發(fā)散，自動(dòng)調(diào)節(jié)慢時(shí)又容易造成出口NOX超標(biāo)，尤其是入口NOX濃度波動(dòng)較大時(shí)，脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)更加難以達(dá)到要求。

3 不同煤種燃燒及磨煤機(jī)啟停對NOX生成影響

不同煤種所含的硫、氯等元素的成分是不同的，因此其燃燒產(chǎn)生的各種煙氣排放物濃度也不同，煤質(zhì)是影響污染物生成的關(guān)鍵因素。受燃料成本等因素影響，我國燃煤電廠普遍存在燃煤煤質(zhì)不穩(wěn)定的問題，不同煤種之間的混燒、摻燒等已是常態(tài)。前后墻對沖式燃燒結(jié)構(gòu)，在磨煤機(jī)的啟停方式不同時(shí)，爐膛內(nèi)的火焰中心位置不同，對NOX的生成影響也是不同的。

3.1 不同煤種燃燒與脫硝入口NOX濃度關(guān)系

煤種的變化對NOX的排放濃度有較大的影響，容易著火、發(fā)熱量高、含氮量低的煤，燃燒特性較好，NOX排放濃度明顯低于其他煤種。該廠常用燃用煤有神混、印尼、石炭2、平七、伊泰及煙煤等，燃煤采用摻燒方式，在節(jié)約燃煤成本的同時(shí)又會(huì)增加機(jī)組的排放壓力，例如采用平七、印尼煤混燒，穩(wěn)態(tài)時(shí)脫硝入口NOX濃度達(dá)到401 mg/m3，最高甚至達(dá)到559 mg/m3；而采用神混1、石炭2混燒（神華煤），脫硝入口NOX濃度最高僅為330 mg/m3，穩(wěn)態(tài)時(shí)都在200 mg/m3以下。低負(fù)荷時(shí)，隨著爐膛氧量的升高，NOX排放濃度增加，增幅最多可達(dá)82%。不同煤種摻燒組合燃燒NOX參數(shù)如表1所示。

表1 不同煤種摻燒時(shí)脫硝入口NOX值

通過表1可以看出：不同煤種，穩(wěn)定狀況下入口NOX含量不同，噴氨調(diào)節(jié)閥開度也不一致，如果僅僅在控制方式上用簡單的PID控制，將很難保障脫硝控制效果。當(dāng)某一煤種燃燒處于低氮燃燒時(shí)，脫硝控制參數(shù)優(yōu)化后，能夠基本達(dá)到調(diào)節(jié)要求，一旦改變?yōu)楦叩紵悍N，原控制參數(shù)又不能達(dá)到脫硝調(diào)節(jié)效果。

3.2 啟停磨煤機(jī)對脫硝入口NOX生成的影響

3號、4號機(jī)組采用的是前后墻對沖式燃燒器，每層燃燒器配備8臺低氮燃燒器。不同磨煤機(jī)的組合燃燒方式對NOX生成有較大影響，在機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，集控人員傾向于確保下層B/F磨煤機(jī)的運(yùn)行，保證爐膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定，而且下層磨煤機(jī)配備等離子點(diǎn)火設(shè)備，在低負(fù)荷時(shí)更能確保爐膛燃燒的可靠性。不同磨煤機(jī)組合燃燒試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 不同磨煤機(jī)組啟停脫硝入口NOX值mg/m3

一般在600 MW左右開始啟停磨煤機(jī)操作，通過比較A—F磨煤機(jī)分別啟停后生成入口NOX的濃度變化趨勢，上層A/D磨煤機(jī)剛啟動(dòng)或下層B/F磨煤機(jī)剛停止，將造成爐膛內(nèi)火焰中心整體上移，分級燃燒能力變?nèi)?，入口NOX濃度瞬時(shí)增加較多，入口NOX濃度均值較高。上層A/D磨煤機(jī)剛停止運(yùn)行或者下層B/F磨煤機(jī)剛啟動(dòng)，將造成爐膛內(nèi)火焰中心整體下移，分級燃燒能力變強(qiáng)，燃燒情況良好，入口NOX濃度瞬時(shí)下降較多，入口NOX濃度均值降低，甚至在200 mg/m3以下；而中層磨煤機(jī)C/E不管是剛啟動(dòng)還是停止，鍋爐的燃燒情況均比較穩(wěn)定，入口NOX濃度雖然瞬時(shí)會(huì)升高，但變化幅度不大，且很快就能下降并保持穩(wěn)定，中層磨煤機(jī)啟停前后入口NOX濃度偏差不大。因此磨煤機(jī)的啟停方式不同對脫硝噴氨自動(dòng)控制有較大影響，加上煤種摻燒、制粉系統(tǒng)檢修隔離、設(shè)備定期切換以及燃燒調(diào)整試驗(yàn)后提高經(jīng)濟(jì)性的煤層組合燃燒方式等因素，采用常規(guī)控制策略不能滿足噴氨自動(dòng)控制的要求。

4 脫硝控制策略的優(yōu)化與改進(jìn)

傳統(tǒng)的控制方法主要是基于經(jīng)典的確定性理論，而脫硝噴氨調(diào)節(jié)過程表現(xiàn)出非線性、大遲延、耦合性和不確定性，且脫硝噴氨控制系統(tǒng)是一個(gè)受多種因素制約影響的復(fù)雜系統(tǒng)，各變量之間嚴(yán)重耦合，僅僅依靠一般PI控制器調(diào)節(jié)難以獲得良好的調(diào)節(jié)效果。即使機(jī)組負(fù)荷、燃燒工況穩(wěn)定，受閥門調(diào)節(jié)特性、脫硝NOX濃度測量準(zhǔn)確性、CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定干擾等影響，脫硝自動(dòng)控制也很難調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

通過研究基于不同煤種燃燒下脫硝控制優(yōu)化策略、不同負(fù)荷參數(shù)下PID參數(shù)適應(yīng)性以及不同磨煤機(jī)組啟停與入口NOX對應(yīng)關(guān)系等，采取了針對不同煤種燃燒及啟停磨時(shí)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)后參數(shù)自適應(yīng)方法，邏輯框圖如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的噴氨自動(dòng)控制邏輯

4.1 變參數(shù)適應(yīng)不同煤種、負(fù)荷時(shí)及磨組運(yùn)行方式的噴氨需求

如圖1所示，根據(jù)不同工況和煤種條件下實(shí)際噴氨量的需要，設(shè)定PID控制輸出的上限和下限，為了防止積分飽和對控制器的影響，采用新型具有抗積分飽和功能的控制器，動(dòng)態(tài)修正噴氨調(diào)閥調(diào)節(jié)的特性，減少噴氨自動(dòng)控制超調(diào)現(xiàn)象。另外，煤種不同、負(fù)荷不同均會(huì)造成入口NOX濃度的不同，通過表1發(fā)現(xiàn)，典型的4種煤種燃燒情況下，低負(fù)荷段，由于氧量較大，脫硝反應(yīng)器入口煙溫較低，脫硝催化劑活性降低，脫硝入口NOX濃度較高；而600 MW負(fù)荷以上，脫硝入口NOX濃度基本穩(wěn)定在較低水平，將入口NOX的變化作為脫硝自動(dòng)控制器的前饋，可采用變參數(shù)調(diào)節(jié)方式來適應(yīng)不同煤種、不同負(fù)荷時(shí)的噴氨需求。通過在控制邏輯中設(shè)計(jì)入口NOX高、低濃度2種調(diào)節(jié)方式，低于經(jīng)驗(yàn)值260 mg/m3和高于300 mg/m3采用不同調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)死區(qū)為40 mg/m3，通過控制邏輯自動(dòng)進(jìn)行選擇，使得噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)采用可變參數(shù)調(diào)節(jié)方式，使噴氨調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

4.2 磨煤機(jī)組啟停噴氨調(diào)節(jié)自動(dòng)控制

如圖1所示，采用自動(dòng)判斷磨煤機(jī)組啟停方式的方法實(shí)現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)的適應(yīng)控制，從表2中可以看出，不同的磨煤機(jī)組啟停對脫硝入口NOX值的影響不同。比較A—F磨煤機(jī)分別啟、停后入口NOX濃度變化的趨勢，對入口NOX濃度影響最大的是上層磨煤機(jī)A和D的啟動(dòng)階段以及下層磨B煤機(jī)和F的停止階段，入口NOX濃度有時(shí)候瞬時(shí)急劇增加，通過控制邏輯自動(dòng)判斷磨煤機(jī)的啟停方式，加入脫硝控制器的前饋，實(shí)現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)的適應(yīng)優(yōu)化控制。

4.3 CEMS系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定過程中噴氨調(diào)節(jié)的適應(yīng)控制

CEMS系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定自動(dòng)鎖定當(dāng)前測量值是導(dǎo)致脫硝噴氨系統(tǒng)自動(dòng)投入不理想的重要因素。在CEMS系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定信號保持當(dāng)前出口NOX值時(shí)，通過控制邏輯判斷當(dāng)前的負(fù)荷及入口NOX濃度變化情況，采用不同的前饋策略實(shí)現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)的適應(yīng)控制，可以有效解決因CEMS系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定前后NOX濃度突變造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)不可控的情況。

4.4 優(yōu)化后的控制策略應(yīng)用

通過將前饋與變參數(shù)控制方法引入脫硝噴氨的自動(dòng)調(diào)節(jié)中，在機(jī)組運(yùn)行的不同階段、磨煤機(jī)組啟停的不同方式、煤種的變化等不同工況下采用不同的適應(yīng)控制參數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行過程中取得了較好的控制效果。

從實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出：無論是在穩(wěn)態(tài)負(fù)荷、變負(fù)荷還是在磨煤機(jī)的啟停過程中，出口NOX值均比較穩(wěn)定，可以控制在50 mg/m3以內(nèi)。在連續(xù)的磨煤機(jī)啟停過程中偶有波動(dòng)，仍能保證出口NOX瞬時(shí)值不超標(biāo)，穩(wěn)態(tài)偏差能控制在±10 mg/m3以內(nèi)。

5 結(jié)語

脫硝噴氨控制是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制策略不能完全滿足脫硝噴氨調(diào)節(jié)要求，更無法達(dá)到環(huán)保指標(biāo)的要求。通過引入前饋與變參數(shù)控制的方法，完善控制對象，優(yōu)化噴氨調(diào)節(jié)閥的流量特性，采用變參數(shù)調(diào)節(jié)方式適應(yīng)不同煤種、不同負(fù)荷及不同磨煤機(jī)組啟停時(shí)的噴氨需求，采用自動(dòng)判斷磨煤機(jī)組啟停方式的方法實(shí)現(xiàn)噴氨調(diào)節(jié)的適應(yīng)控制，以及變負(fù)荷時(shí)采用不同的控制前饋等多種過程控制邏輯優(yōu)化方式，SCR系統(tǒng)出口NOX濃度全時(shí)段保持穩(wěn)定可控，脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)及穩(wěn)定性得到了很大的提高，防止了由于參數(shù)變化導(dǎo)致的SCR系統(tǒng)出口NOX濃度超標(biāo)，取得了良好的效果。

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