楊進(jìn)福，吳榮煒，馬金欣

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏 銀川 750000）

引言

選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝技術(shù)具有投資少、運(yùn)行成本低、鍋爐改造量小等優(yōu)勢(shì)，在各類鍋爐煙氣脫硝中得到應(yīng)用。SNCR 脫硝技術(shù)不使用催化劑，將還原劑如氨氣、氨水、氨水稀溶液等噴入850 ℃～1150℃的煙氣中，還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。

一般SNCR 脫硝系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）SNCR 脫硝系統(tǒng)沒(méi)有入口NOx濃度測(cè)點(diǎn)，只有煙囪入口的凈煙氣NOx濃度測(cè)點(diǎn)，當(dāng)爐內(nèi)NOx生成量大幅變化時(shí)，控制系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)作出反應(yīng)，控制延遲很大，增加了SNCR 系統(tǒng)的控制難度。（2）SNCR 脫硝系統(tǒng)存在最佳的反應(yīng)溫度，要求的溫度區(qū)間在850 ℃～1150 ℃，當(dāng)溫度較低時(shí)，脫硝效率也會(huì)大幅降低。（3）SNCR 脫硝系統(tǒng)的調(diào)節(jié)依賴于出口煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）的數(shù)據(jù)，但是CEMS 系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)一般為單點(diǎn)取樣，獲取的樣氣不具有全面性，從而影響了噴氨調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。

隨著國(guó)家環(huán)保考核標(biāo)準(zhǔn)的提高，SNCR 脫硝系統(tǒng)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量濃度）普遍降至50 mg/m3，這對(duì)SNCR 系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了更高的要求?，F(xiàn)有SNCR控制邏輯普遍以PID 控制器調(diào)節(jié)氨水總量進(jìn)行反饋控制，這種傳統(tǒng)控制策略存在缺陷，難以在工況大幅波動(dòng)下穩(wěn)定控制NOx排放濃度，直接導(dǎo)致了NOx頻繁超標(biāo)。本文針對(duì)某化工廠循環(huán)流化床（CFB）鍋爐采用的傳統(tǒng)SNCR 脫硝控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了優(yōu)化控制設(shè)計(jì)方案：網(wǎng)格法混合取樣改造、基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的SNCR 脫硝優(yōu)化控制方案和爐內(nèi)氧含量?jī)?yōu)化控制模型，并應(yīng)用于該鍋爐，對(duì)該機(jī)組的脫硝系統(tǒng)自動(dòng)化投入率低、NOx濃度波動(dòng)幅度大、氨逃逸大等問(wèn)題有著明顯的改善效果。

1 傳統(tǒng)SNCR 脫硝控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 自動(dòng)化投入率低

目前國(guó)內(nèi)的SNCR 系統(tǒng)自動(dòng)化投入率很低，基本采用手動(dòng)控制，其主要原因在于：（1）機(jī)組DCS 本身邏輯是基于PID 控制器，控制策略簡(jiǎn)單，無(wú)法處理SNCR控制系統(tǒng)的大滯后難題；（2）SNCR 系統(tǒng)的控制對(duì)象NOx濃度受多種因素的影響，包括爐內(nèi)的風(fēng)量變化、煤質(zhì)變化、負(fù)荷波動(dòng)等，機(jī)組無(wú)SNCR 入口NOx濃度測(cè)點(diǎn)，造成爐內(nèi)NOx生成量的變化不可知；（3）被控變量?jī)魺煔釴Ox濃度測(cè)點(diǎn)位置距離噴槍較遠(yuǎn)，整個(gè)控制純滯后在3 min～5 min，甚至更長(zhǎng)。這些因素共同造成SNCR系統(tǒng)控制難度較大，采用PID 控制器無(wú)法滿足控制需要，亟需采用先進(jìn)控制技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)原有控制邏輯的缺陷。

1.2 凈煙氣NOx 濃度波動(dòng)大，控制設(shè)定值較低

由于SNCR 控制系統(tǒng)本身的滯后性，且操作人員頻繁手動(dòng)干預(yù)，造成凈煙氣NOx濃度波動(dòng)較大，為了防止NOx超標(biāo)，通常采用的方法是噴入過(guò)量的氨水溶液，使凈煙氣NOx濃度在很低的水平運(yùn)行，造成氨水用量過(guò)量、氨逃逸嚴(yán)重，對(duì)尾部空預(yù)器的運(yùn)行也造成較大影響。

1.3 傳統(tǒng)CEMS 取樣系統(tǒng)簡(jiǎn)單，樣氣不具有代表性

傳統(tǒng)CEMS 取樣系統(tǒng)取樣方式多為單個(gè)探頭插入煙道內(nèi)抽取煙氣進(jìn)行稀釋分析，隨后根據(jù)測(cè)量值調(diào)節(jié)噴氨總閥。這種單點(diǎn)取樣的測(cè)量值無(wú)法代表煙道全截面的實(shí)際煙氣平均濃度，測(cè)量端測(cè)量值缺乏代表性，直接導(dǎo)致調(diào)節(jié)缺乏準(zhǔn)確性。

1.4 未考慮爐內(nèi)燃燒因素，控制效果欠佳

當(dāng)前SNCR 控制策略以反饋控制為主，有時(shí)會(huì)以燃料量、爐內(nèi)氧含量為控制前饋，控制效果普遍欠佳，主要原因在于爐內(nèi)NOx生成量的大幅波動(dòng)是無(wú)法通過(guò)SNCR 進(jìn)行消除的，氨水的噴入對(duì)凈煙氣NOx濃度的影響滯后很大，容易引起控制系統(tǒng)的振蕩。爐內(nèi)氧含量對(duì)NOx生成的影響很大，如果可以通過(guò)二次風(fēng)控制氧含量，減小氧含量的波動(dòng)幅度，特別是升降負(fù)荷等工況下的波動(dòng)，將大幅降低NOx濃度的波動(dòng)，對(duì)SNCR 控制系統(tǒng)的優(yōu)化具有顯著作用。

2 SNCR 優(yōu)化控制設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)SNCR 脫硝控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、考核要求、被控特性數(shù)學(xué)模型等方面的精準(zhǔn)把握，提出了基于預(yù)測(cè)控制技術(shù)的SNCR 脫硝優(yōu)化控制解決方案。該方案用網(wǎng)格法混合采樣裝置代替原有CEMS 的單點(diǎn)取樣，以獲取具有代表性的混合樣氣；采用MPC 控制器代替原PID 控制器，克服系統(tǒng)大滯后問(wèn)題；通過(guò)辨識(shí)干擾模型，增加負(fù)荷、煤質(zhì)、爐內(nèi)氧含量等智能前饋，減少NOx濃度波動(dòng)幅度，通過(guò)增加二次風(fēng)- 氧含量控制優(yōu)化，減小爐內(nèi)氧含量波動(dòng)，進(jìn)而減小NOx濃度的波動(dòng)幅度，減少氨水用量，降低氨逃逸。

2.1 網(wǎng)格法混合取樣改造方案

網(wǎng)格法混合采樣裝置示意圖如圖1 所示。將SNCR 出口截面均勻地劃分為2×8 的網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格的中心位置布置取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)位布置一根DN20 的取樣支管，敞口傾斜安裝，取樣支管匯合至DN100 的倒Y 型取樣母管上，再引至煙道外，在此處連接原CEMS 取樣探頭，用以測(cè)量混合取樣NOx濃度值。

圖1 網(wǎng)格法混合采樣裝置示意圖

混合取樣時(shí)，關(guān)閉反吹控制閥，打開(kāi)負(fù)壓發(fā)生器下端（相當(dāng)于一個(gè)射流器），煙氣通過(guò)高壓熱空氣吸出并送回?zé)煹纼?nèi)，此時(shí)CEMS 系統(tǒng)對(duì)混合煙氣進(jìn)行測(cè)量。

熱風(fēng)反吹時(shí)，打開(kāi)反吹控制閥，關(guān)閉負(fù)壓發(fā)生器下端，加熱的高壓空氣經(jīng)過(guò)負(fù)壓發(fā)生器進(jìn)入取樣管路并進(jìn)行反吹，防止取樣管路積灰。

通過(guò)上述方式測(cè)量獲得的煙氣參數(shù)更具有代表性，為噴氨總閥調(diào)節(jié)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2 基于MPC 的脫硝控制優(yōu)化方案

基于MPC 的脫硝優(yōu)化控制方案是以煙囪入口凈煙氣環(huán)?？己它c(diǎn)的NOx濃度值為核心，以省煤器出口NOx濃度值為輔助的多層次復(fù)合串級(jí)控制方案，其控制策略示意圖如圖2 所示。

圖2 基于MPC 的SNCR 優(yōu)化控制策略示意圖

凈煙氣NOx濃度值的控制延遲較大，省煤器出口NOx濃度值的控制延遲會(huì)小很多，省煤器出口煙氣經(jīng)過(guò)空預(yù)器、除塵器、脫硫塔等設(shè)備直到脫硫出口，完成一系列反應(yīng)過(guò)程，因此煙囪入口NOx濃度值相比于省煤器出口NOx濃度值更加平緩，對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制煙囪入口凈煙氣NOx濃度值可以掌握整體調(diào)節(jié)過(guò)程，控制省煤器出口NOx濃度值可以掌握過(guò)程細(xì)節(jié)，所以該控制方案以煙囪入口凈煙氣NOx濃度值不超標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)省煤器出口NOx濃度值的控制實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整，同時(shí)在整個(gè)控制過(guò)程中考慮爐內(nèi)氧含量前饋，建立氧含量與SNCR 脫硝系統(tǒng)的協(xié)同控制，減小波動(dòng)幅度，提高控制精度。

基于MPC 的脫硝優(yōu)化控制方案區(qū)別于現(xiàn)有控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于將原PID 控制系統(tǒng)的PID 替換為先進(jìn)的MPC 控制器，由于從SNCR 氨水用量變化到煙囪入口處的NOx濃度變化純滯后在3 min～5 min，整個(gè)控制過(guò)程控制平穩(wěn)需要超過(guò)6 min，控制目標(biāo)的變化使得系統(tǒng)的控制難度明顯增加，如果仍然采用原控制策略中的PID 控制方式，則難以應(yīng)對(duì)NOx濃度控制過(guò)程中的大滯后問(wèn)題。其主要原因在于：PID 控制是根據(jù)以前的被調(diào)量偏差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，屬于“事后”調(diào)節(jié)，無(wú)法提前調(diào)節(jié)，只能依靠“過(guò)量”調(diào)節(jié)使噴氨盡可能跟上NOx濃度波動(dòng)。若噴氨的“過(guò)量”量小，噴氨控制跟不上NOx濃度波動(dòng)；“過(guò)量”量大，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，NOx濃度參數(shù)容易振蕩。而MPC 控制將噴氨的“過(guò)量”調(diào)節(jié)變?yōu)椤安贿^(guò)量或少過(guò)量的提前調(diào)節(jié)”，這樣不僅可以使氨水用量跟上煙囪入口的NOx變化，而且可以有效減緩過(guò)調(diào)引起的振蕩，因此MPC 控制是提前調(diào)節(jié)的有效手段。

PID 與MPC 控制階躍響應(yīng)比較如圖3 所示，圖中實(shí)線為沒(méi)有延遲的控制曲線，虛線為其他所有參數(shù)均不變，只是給模型增加30 s 延遲的控制曲線。從圖3可以看出，沒(méi)有延遲的時(shí)候，PID 和MPC 控制的控制效果都不錯(cuò)；一旦系統(tǒng)有了延遲，PID 控制就會(huì)發(fā)生大幅度波動(dòng)，控制效果明顯變差，而MPC 控制則沒(méi)有明顯的變化，可見(jiàn)MPC 控制是處理大滯后系統(tǒng)的控制問(wèn)題的良好選擇。

圖3 PID 與MPC 控制階躍響應(yīng)比較

2.3 優(yōu)化爐內(nèi)氧含量，平抑NOx 濃度的大幅波動(dòng)

爐內(nèi)氧含量對(duì)NOx濃度影響較大，當(dāng)氧含量較平穩(wěn)時(shí)，NOx濃度也較平穩(wěn)，SNCR 控制效果也較好，當(dāng)氧含量波動(dòng)較大時(shí)，NOx濃度波動(dòng)也會(huì)較大。某企業(yè)煙氣氧含量與NOx濃度關(guān)系的歷史曲線見(jiàn)圖4。由圖4 可知，在不考慮SNCR 自身影響的情況下，當(dāng)煙氣氧含量波動(dòng)較大時(shí)，NOx濃度的波動(dòng)幅度也會(huì)很大，通常SNCR 控制系統(tǒng)很難在這樣的波動(dòng)幅度下有較好的控制效果；當(dāng)煙氣氧含量波動(dòng)較小時(shí)，NOx濃度的波動(dòng)幅度也較小，在此基礎(chǔ)上通過(guò)MPC 對(duì)SNCR 進(jìn)行控制優(yōu)化，可以得到較好的效果。通常在變負(fù)荷時(shí)煙氣中氧含量波動(dòng)劇烈，同時(shí)NOx濃度的波動(dòng)也會(huì)很劇烈，此時(shí)NOx濃度常超過(guò)環(huán)保指標(biāo)，SNCR 控制系統(tǒng)本身很難消除這部分強(qiáng)擾動(dòng)。

圖4 煙氣氧含量與NOx 濃度的歷史曲線

CFB 機(jī)組采用二次風(fēng)來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)氧含量，在SNCR整體控制優(yōu)化的控制策略中，通過(guò)爐內(nèi)參數(shù)控制氧含量，降低變負(fù)荷工況下的氧含量波動(dòng)幅度，在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)噴氨總閥來(lái)控制凈煙氣NOx濃度，通過(guò)負(fù)荷、風(fēng)量、氧含量等前饋?zhàn)兞繉?duì)氨水用量進(jìn)行提前動(dòng)作。SNCR 優(yōu)化控制系統(tǒng)整體方案如圖5 所示，通過(guò)爐內(nèi)一次風(fēng)量、二次風(fēng)量、總煤量與省煤器出口氧含量的關(guān)系，建立爐內(nèi)氧含量控制模型，根據(jù)氧含量與NOx濃度波動(dòng)趨勢(shì)的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立爐內(nèi)NOx動(dòng)態(tài)模型，對(duì)SNCR 入口NOx濃度的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖5 SNCR 優(yōu)化控制系統(tǒng)整體方案

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

某化工廠動(dòng)力裝置由CFB 鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)3 大主機(jī)及相應(yīng)配套輔機(jī)組成，規(guī)模為4 臺(tái)280 t/h高壓CFB 鍋爐、1 臺(tái)50 MW 發(fā)電機(jī)。鍋爐以煤為主要燃料，天然氣為點(diǎn)火及輔助燃料。鍋爐通過(guò)燃料燃燒將給水加熱成9.81 MPa、540 ℃的高溫高壓蒸汽。每臺(tái)鍋爐在分離器出口配有SNCR 脫硝裝置，省煤器出口配有單層催化劑。

該裝置CFB 鍋爐煙氣脫硝工藝采用SNCR，要求機(jī)組脫硫凈煙氣中NOx質(zhì)量濃度小時(shí)均值不超50 mg/m3，其中噴氨控制系統(tǒng)由煙臺(tái)某公司負(fù)責(zé)投入進(jìn)行自動(dòng)化控制，要求在保證NOx濃度不超標(biāo)的前提下，盡可能節(jié)約噴氨量，減少氨逃逸。

改造前該裝置的CFB 鍋爐SNCR 系統(tǒng)自動(dòng)化投入率很低，基本采用手動(dòng)控制，其主要原因在于機(jī)組DCS 本身邏輯是基于PID 控制器，控制策略簡(jiǎn)單，無(wú)法處理SNCR 控制系統(tǒng)的大滯后難題。另外，凈煙氣中NOx濃度波動(dòng)大，手動(dòng)調(diào)試依賴凈煙氣中NOx濃度的反饋值，會(huì)造成噴氨量過(guò)多，并導(dǎo)致下一時(shí)刻凈煙氣中NOx濃度的大幅波動(dòng)，凈煙氣NOx質(zhì)量濃度的波動(dòng)范圍在15 mg/m3～65 mg/m3。當(dāng)負(fù)荷很穩(wěn)定時(shí)，保持噴氨量不變，可以控制凈煙氣NOx濃度，但是當(dāng)負(fù)荷稍有波動(dòng)時(shí)，凈煙氣NOx濃度的波動(dòng)很大，控制效果不理想。

該裝置CFB 鍋爐SNCR 系統(tǒng)通過(guò)采取前述網(wǎng)格法混合取樣改造、基于MPC 的優(yōu)化控制改造和爐內(nèi)氧含量?jī)?yōu)化控制改造，解決了控制延遲較大、自動(dòng)化投入率低的問(wèn)題，SNCR 脫硝系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)運(yùn)行周期的自動(dòng)控制。其優(yōu)化前后效果對(duì)比如圖6 所示。

圖6 SNCR 脫硝系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)試，改造后SNCR 系統(tǒng)控制效果如下：在280 t/h 負(fù)荷工況下，設(shè)定煙囪入口凈煙氣中NOx質(zhì)量濃度為30 mg/ m3，其實(shí)測(cè)的凈煙氣中NOx質(zhì)量濃度值不超考核線50 mg/m3（小時(shí)均值），凈煙氣中NOx質(zhì)量濃度值波動(dòng)幅度由原來(lái)的±20 mg/m3降低至±10 mg/m3。噴氨閥門(mén)動(dòng)作較小，瞬時(shí)噴氨量維持在270 kg/h～280 kg/h，改造后氨水單耗較2019年平均值（噸蒸汽1.4 kg）下降25%以上。

4 結(jié)論

針對(duì)某化工廠CFB 鍋爐SNCR 脫硝系統(tǒng)的NOx濃度波動(dòng)情況，通過(guò)預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制器，并在該鍋爐進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案可實(shí)現(xiàn)凈煙氣的直接控制，方便運(yùn)行調(diào)整；可實(shí)現(xiàn)全運(yùn)行周期的自動(dòng)控制，減少運(yùn)行工作量；凈煙氣NOx質(zhì)量濃度值波動(dòng)幅度從原來(lái)的最大±20 mg/ m3降低到±10 mg/m3；改造后氨水單耗較2019年平均值下降25%以上，系統(tǒng)長(zhǎng)期投運(yùn)后，將有效降低氨逃逸，節(jié)約噴氨量，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。