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基于預(yù)測控制的火電廠脫硝噴氨自動優(yōu)化及應(yīng)用

2019-04-14 03:50:58肖圣譯郝玉春
關(guān)鍵詞:噴氨預(yù)器波動

肖圣譯,肖 寒,任 旻,郝玉春

(1.重慶科技學(xué)院,重慶 401331;2.國電重慶恒泰發(fā)電有限公司,重慶 400805; 3.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司,山東煙臺264006)

隨著國家對節(jié)能減排工作的不斷深入推進(jìn),2015年12月國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護(hù)部及國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)〔2015〕164號),方案要求:“到2020年,全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50(mg/cm3)[1]”。選擇性催化還原法煙氣脫硝技術(shù)(selective catalytic reduction,SCR)是目前最成熟的爐后脫硝技術(shù),利用還原劑(NH3或者尿素)在催化劑作用下, 選擇性地與NOx反應(yīng)生成 N2和H2O[2]。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜,脫硝效率受到噴氨量、煙氣流速、煙氣溫度、催化劑活性的影響。為滿足嚴(yán)苛的超低排放指標(biāo)要求,目前許多火電機(jī)組只好采用過量噴氨的方式,一方面造成經(jīng)濟(jì)性變差,另一方面極易造成空預(yù)器堵塞,嚴(yán)重影響機(jī)組帶負(fù)荷能力和運行安全性。本文提出基于預(yù)測控制的SCR優(yōu)化控制方法,克服傳統(tǒng)PID控制的缺點,經(jīng)應(yīng)用驗證,該方法能有效控制凈煙氣NOx波動,降低噴氨量,減少氨逃逸,有效緩解空預(yù)器堵塞,提高機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行能力。

1 脫硝工藝流程及存在問題

選擇性催化還原法(SCR)是指在一定溫度和催化劑的作用下,“有選擇性”地與煙氣中的NO反應(yīng)并生成無毒無污染的N2和H2O。還原劑主要為液氨、尿素等?;痣姀SSCR煙氣脫硝系統(tǒng)(見圖1)包括還原劑制備系統(tǒng)和煙氣反應(yīng)系統(tǒng)兩部分,還原劑制備系統(tǒng)是將還原劑制備成反應(yīng)所需要的氨氣,煙氣反應(yīng)系統(tǒng)是NOx和氨氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的場所,通過調(diào)節(jié)噴入的氨氣量控制反應(yīng)器出口的NOx含量[3]。

圖1 燃煤電廠脫硝系統(tǒng)圖

恒泰公司300 MW火電機(jī)組的脫銷系統(tǒng)運行至今表現(xiàn)出一些問題,這些問題導(dǎo)致自動投入率低。該電廠脫硝噴氨自動采用兩個常規(guī)單回路控制系統(tǒng),對A、B兩側(cè)脫硝出口NOx分別進(jìn)行控制,增加內(nèi)回路流量PID校正(見圖2),以克服閥門線性度不好的問題[4]。但實際運行效果并不好,經(jīng)分析存在較多問題。常規(guī)PID控制器很難取得良好的控制效果。

1)煙氣偏流嚴(yán)重,煙氣流場不均勻,且脫硝A/B側(cè)出口NOx均采用單點測量,由于脫硝出口空間巨大、流場不均,單點位置不能很好地代表實際出口,導(dǎo)致脫硝出口測量不準(zhǔn),代表性不強(qiáng)。

2)吹掃校準(zhǔn)干擾大,測點失真嚴(yán)重。為了防止NOx測量設(shè)備堵灰,系統(tǒng)設(shè)置有吹掃模式,一天內(nèi)會頻繁吹掃,只要一吹掃,NOx測量就完全失真。

3)考核目標(biāo)和控制目標(biāo)脫節(jié)。目前環(huán)??己说氖莾魺煔?即煙囪處)NOx,而該方案控制的卻是脫硝塔出口NOx,由于脫硝出口NOx測量經(jīng)常不準(zhǔn),因此通過脫硝出口NOx去調(diào)整凈煙氣NOx變得尤為困難。

4)反應(yīng)和測量過程遲延大。如果直接以凈煙氣NOx為控制目標(biāo),則從噴入氨氣開始,煙氣經(jīng)過脫硝、脫硫、除塵,到達(dá)煙囪入口整個過程延遲巨大,整個穩(wěn)定時間超過10 min,環(huán)??己颂嶯Ox測量值與噴氨閥門開度的純延遲可達(dá)3 min,已完全超出各類常規(guī)PID控制器的有效控制范疇。

5)煤質(zhì)變化幅度大,入口NOx波動大。

圖2 脫硝常規(guī)PID控制方案

實際運行中,為嚴(yán)格保證煙囪出口NOx不超50 mg/Nm3,運行人員只能手動干預(yù)加大噴氨量,使脫硝出口NOx含量保持在極低位置,一方面造成氨氣消耗量增大,經(jīng)濟(jì)性變差;另一方面多余的氨氣進(jìn)入到空預(yù)器,與空預(yù)器中的SO3、水蒸氣生成硫酸氫銨凝結(jié)物,加速空預(yù)器堵塞,引起空預(yù)器差壓增大,嚴(yán)重影響機(jī)組帶負(fù)荷能力和運行安全性。因此,電廠急需對脫銷控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級,保證噴氨全程自動投入,一方面使煙囪出口NOx必須達(dá)標(biāo)排放;另一方面,嚴(yán)格控制噴氨量,減少脫硝出口氨逃逸,防止空預(yù)器堵塞。

2 優(yōu)化方案比較

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

投入率高于95%的時間內(nèi),要求機(jī)組凈煙氣NOx波動控制偏差在穩(wěn)態(tài)時小于±5 mg/Nm3,在動態(tài)時小于±10 mg/Nm3。

2.2 優(yōu)化方案比較

1)脫硝出口采用矩陣式多點取樣系統(tǒng),以使得測量結(jié)果更加具有代表性。

2)增加脫硝SCR裝置分區(qū)精細(xì)化噴氨控制技術(shù)[5]。通過在SCR入口水平煙道中,加裝大范圍煙氣混合器,大幅度降低SCR入口NOx的不均勻度。煙氣到達(dá)豎直煙道后,單側(cè)煙道分成3個區(qū),每個區(qū)截面接近正方形,因截面減小,分區(qū)內(nèi)煙氣在分區(qū)混合器的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)混合,分區(qū)內(nèi)的NOx、NH3及粉塵等可基本混合均勻,這樣每個分區(qū)內(nèi)僅需1個測點即可代表該分區(qū)的濃度。在SCR出口的每個分區(qū)中心布置1個NOx測點,實時測量該分區(qū)NOx濃度。對噴氨格柵進(jìn)行改造,并將噴氨支管分成3組,每組對應(yīng)煙道中1個分區(qū),并設(shè)置1個自動調(diào)節(jié)閥。根據(jù)每個分區(qū)出口NOx濃度值,實時調(diào)整各分區(qū)噴氨量,實時保證各分區(qū)氨氮摩爾比高度均勻,進(jìn)而最大程度地降低氨逃逸水平,有效降低空預(yù)器堵塞風(fēng)險。

此改造需改變脫硝工藝流程,增加較多設(shè)備,投入費用高、施工工期長。

3)采用模型預(yù)測控制 (model predictive control,MPC)的方式。MPC是一種進(jìn)階過程控制方法,在全世界石化工業(yè)得到廣泛應(yīng)用,已取得極大經(jīng)濟(jì)效益。MPC通過實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型,其中精確的數(shù)學(xué)模型是預(yù)測控制成功的關(guān)鍵。MPC優(yōu)化改造投資小,施工工期短,能較好地解決噴氨自動存在的問題,保障機(jī)組環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運行。

恒泰公司300 MW火電機(jī)組,在2014年已經(jīng)完成脫硝改造,考慮成本控制,決定暫不做脫硝工藝精細(xì)化噴氨技術(shù)改造,此次結(jié)合超低排放改造,將單點取樣系統(tǒng)改造為矩陣式多點取樣系統(tǒng),增加MPC噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3 模型預(yù)測控制 (MPC)

3.1 MPC介紹

預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用的難度很高,其中模型辨識部分是最難、最費時的一項工作。本項目采用的預(yù)測控制軟件技術(shù)先進(jìn),不僅可以進(jìn)行多變量閉環(huán)辨識方法,而且縮短辨識時間,比常規(guī)方法節(jié)省辨識時間70%以上,達(dá)到全自動在線/離線辨識[6]。因此,在工業(yè)過程中得到成功應(yīng)用。

模型辨識本質(zhì)上以控制為導(dǎo)向, 當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)模型后,就可以參與預(yù)測控制。如圖3所示,預(yù)測控制優(yōu)于 PID 控制的不僅僅是利用了輸出值與設(shè)定值的偏差值,而且還根據(jù)模型來預(yù)估未來的輸出,并不斷地滾動優(yōu)化未來“預(yù)測輸出”與未來“目標(biāo)值”的偏差,從而確定當(dāng)前最優(yōu)的控制量??梢?,預(yù)測控制相比于PID 控制有了很大的改進(jìn)和發(fā)展。尤其是預(yù)測控制的超前預(yù)測作用,能很好地克服系統(tǒng)延遲,加快響應(yīng),而又不加大系統(tǒng)超調(diào)。

圖3 預(yù)測控制的輸出

3.2 主要優(yōu)化內(nèi)容

將脫硫出口凈煙氣NOx測量值納入控制目標(biāo), 通過辨識建立脫硫凈煙氣NOx與SCR側(cè)參數(shù)間的完整模型。通過模型預(yù)測NOx排放值的波動趨勢,控制策略上有效克服脫硫凈煙氣NOx儀表取樣測量反應(yīng)遲緩的問題。同時控制系統(tǒng)在CEMS測量設(shè)備自吹掃,保證測量信號在發(fā)生短期異常干擾的情況下保持正常工作。

預(yù)測控制算法復(fù)雜,在DCS實現(xiàn)比較困難,所以將算法布置在外掛的服務(wù)器中。優(yōu)化控制服務(wù)器采集DCS的相關(guān)數(shù)據(jù),在服務(wù)器中進(jìn)行實時計算,優(yōu)化控制服務(wù)器用高性能工控機(jī)實現(xiàn),計算結(jié)果再實時送到DCS,指導(dǎo)DCS實現(xiàn)實時優(yōu)化。通信方式通過MODBUS通信實現(xiàn),優(yōu)化系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通過國電智深COM通信卡件傳輸數(shù)據(jù)。

由于脫硝噴氨調(diào)節(jié)閥存在一定非線性,不同開度下流量特性不同,因此構(gòu)造內(nèi)回路流量 PID 控制,保證流量穩(wěn)定。由于 A、B 側(cè)出口 NOx測量相對準(zhǔn)確,因此把 A、B 側(cè)出口NOx和凈煙氣 NOx都納入控制,構(gòu)成NOx串級控制,同時用預(yù)測控制器 MPC 替代 PID 控制,克服系統(tǒng)大延遲(見圖4)。

圖4 脫硝噴氨自動優(yōu)化控制方案

控制目標(biāo)直接為脫硫出口 NOx,解決了控制目標(biāo)與考核目標(biāo)脫節(jié)的問題。由于脫硫出口NOx在兩側(cè) SCR 出口混合后又經(jīng)過了較長的流程,混合更為均勻,避免了流場不均導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確問題。通過辨識模型,用模型輸出值代替吹掃時刻失真值,解決了設(shè)備吹掃時測量失真問題。用預(yù)測控制代替 PID 控制,解決了噴氨閥門到凈煙氣NOx純延遲大的問題。

同時,優(yōu)化系統(tǒng)通過多種技術(shù)來保證系統(tǒng)的安全運行。

1)優(yōu)化系統(tǒng)在DCS中組建看門狗邏輯,在通信中斷時,及時切回常規(guī)控制回路,并在操作畫面上進(jìn)行顏色變化、光字牌報警給出提醒。

2)系統(tǒng)不斷檢測由DCS側(cè)獲取的實時數(shù)據(jù)的正確性(包括上、下限,變化率等),一旦發(fā)現(xiàn)任一信號故障,立即將所有輸出的控制指令保持,并切回到原DCS中的控制系統(tǒng)。

3)DCS接收到優(yōu)化系統(tǒng)控制指令后,根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行上、下限約束,以保證優(yōu)化系統(tǒng)的故障不會使控制指令大幅突變。

4)系統(tǒng)獨立于DCS,原有DCS的控制邏輯和保護(hù)機(jī)制完全保留,并與DCS互相跟蹤,當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)生故障時能無擾地切回到原DCS。

5)系統(tǒng)優(yōu)化站屏蔽USB端口,防止病毒入侵。配置光驅(qū),拷貝資料使用。

4 應(yīng)用效果

脫硝噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)投運后,在保證控制系統(tǒng)投入自動的前提下,減小凈煙氣NOx(脫硫出口位置)波動。穩(wěn)態(tài)工況波動范圍不超±5 mg/Nm3,動態(tài)工況波動幅度不超±10mg/Nm3。同時,在環(huán)保NOx濃度測點和SCR反應(yīng)器出口NOx濃度測點存在偏差的情況下,能夠根據(jù)環(huán)保NOx濃度及時修正控制SCR噴氨流量,在任何時候都能保證考核點NOx小時均值不發(fā)生超標(biāo),減少環(huán)??己?。優(yōu)化系統(tǒng)在恒泰電廠2#機(jī)組應(yīng)用情況如下。

1)優(yōu)化系統(tǒng)在小幅度變負(fù)荷階段,依然能夠穩(wěn)定運行,且最大波動幅度不超過±6 mg/Nm3, 絕大多數(shù)時間仍然在±5 mg/Nm3之內(nèi)。如圖5所示,當(dāng)負(fù)荷從160 MW降低至156 MW的全程中,凈煙氣NOx運行平穩(wěn),波動最大4.7 mg/Nm3。

圖5 小幅度變負(fù)荷階段控制效果

2)在鍋爐大幅度變負(fù)荷階段,優(yōu)化系統(tǒng)依然能夠保證穩(wěn)定投入。如圖6所示,當(dāng)負(fù)荷從255 MW連續(xù)降低到201 MW的全過程中,優(yōu)化系統(tǒng)雖然較穩(wěn)態(tài)波動大,但同樣能夠保證凈煙氣NOx波動幅度不超過±10 mg/Nm3,實際波動幅度小于5 mg/Nm3。

圖6 大幅度變負(fù)荷階段控制效果

3)長期波動幅度統(tǒng)計。由于鍋爐系統(tǒng)經(jīng)常受到各種可測的和不可測的內(nèi)外擾動,所以關(guān)注凈煙氣NOx波動的瞬時值意義并不大,關(guān)鍵是當(dāng)系統(tǒng)感知或者預(yù)測到擾動即將發(fā)生時,能夠提前動作,快速消除擾動并恢復(fù)穩(wěn)定。因此本優(yōu)化控制系統(tǒng)增加了3個關(guān)注長期優(yōu)化性能的量化指標(biāo)(見圖7):①投入優(yōu)化所有時間內(nèi)波動幅度小于3 mg/Nm3的占比為67%;②波動幅度小于5 mg/Nm3的 占比為86%;③波動幅度小于10 mg/Nm3的占比為97%。2#機(jī)組投入優(yōu)化1天時間內(nèi),波動幅度小于3 mg/Nm3的占64%以上,波動幅度小于5 mg/Nm3的占 82% 以上,波動幅度小于10 mg/Nm3的占 95%以上??梢?,從長期優(yōu)化效果來看,優(yōu)化系統(tǒng)能長時間保持在波動幅度3 mg/Nm3以內(nèi)。

圖7 長時間運行控制效果

5 結(jié)論與建議

本文通過分析火電廠SCR脫硝系統(tǒng)噴氨自動存在的問題,運用模型預(yù)測控制 (MPC) 技術(shù)對噴氨自動控制進(jìn)行優(yōu)化,在電廠的應(yīng)用測試效果良好。通過預(yù)測控制技術(shù)能實現(xiàn)凈煙氣NOx的直接控制,在環(huán)保排放不超標(biāo)的前提下大幅度降低凈煙氣NOx的波動,預(yù)估節(jié)約噴氨量15%~20%。噴氨自動長期投運后,氨逃逸量降低,極大地緩解了空預(yù)器堵塞壓力。此方案投資小,見效明顯,具有較好的應(yīng)用推廣價值。

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