李 賑 馬劍宇 紀(jì) 翾

（國(guó)能江蘇諫壁發(fā)電有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212006）

0 引言

當(dāng)前，氮氧化物是火電機(jī)組污染排放物治理的重點(diǎn)，隨著國(guó)家環(huán)保排放管控標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，現(xiàn)市環(huán)保要求將脫硝氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)提高至25 Nm3/h以下，可以預(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)，對(duì)氮氧化物的排放將實(shí)現(xiàn)超低或近零排放。目前，國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組的SCR脫硝控制系統(tǒng)由于控制策略設(shè)計(jì)不完善、控制目標(biāo)不明確、測(cè)點(diǎn)滯后性長(zhǎng)、煙氣流場(chǎng)多變等問(wèn)題，系統(tǒng)的自動(dòng)投入率和投入效果均較差，使得整個(gè)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行性能受到明顯影響。本文針對(duì)某廠1 000 MW機(jī)組脫硝自動(dòng)控制運(yùn)行中存在的問(wèn)題，分析了問(wèn)題的主要原因，并通過(guò)邏輯改造、功能優(yōu)化展現(xiàn)了實(shí)際調(diào)節(jié)效果。

1 現(xiàn)有脫硝自動(dòng)控制方案

某廠1 000 MW機(jī)組脫硝噴氨自動(dòng)控制邏輯采用較為典型的“前饋+反饋”模式，如圖1所示，前饋為脫硝入口NOx對(duì)應(yīng)f（x）函數(shù)，反饋為煙囪入口NOx實(shí)際值與設(shè)定值偏差經(jīng)過(guò)PID得出，兩者同時(shí)作用于脫硝噴氨調(diào)門開(kāi)度（有的電廠將反饋改為脫硝出口NOx來(lái)提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，但環(huán)保考核要求是針對(duì)煙囪入口NOx，當(dāng)脫硝出口NOx與煙囪入口NOx數(shù)值存在偏差時(shí)，就無(wú)法精準(zhǔn)控制煙囪入口NOx）。

圖1 某廠1 000 MW火電機(jī)組脫硝控制邏輯圖

實(shí)際運(yùn)行下來(lái)，該脫硝系統(tǒng)NOx控制難度較大。脫硝運(yùn)行曲線如圖2所示，該控制曲線存在明顯波動(dòng)，無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)控制，為滿足煙囪入口NOx時(shí)刻低于50 Nm3/h，通常煙囪入口NOx控制濃度設(shè)定在25 Nm3/h以下。如要控制NOx滿足最新環(huán)保排放要求，甚至一點(diǎn)都不能超過(guò)30 Nm3/h，難度非常大，極大可能造成過(guò)量噴氨，甚至發(fā)生環(huán)保參數(shù)超標(biāo)異常。

圖2 某廠1 000 MW火電機(jī)組NOx排放曲線

此外，脫硝系統(tǒng)如果過(guò)量噴氨，將產(chǎn)生較大的殘氨量，導(dǎo)致嚴(yán)重的預(yù)熱器硫酸氫銨堵塞，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性。很多電廠都發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的預(yù)熱器堵塞，一般情況下，NOx控制得越低，預(yù)熱器堵塞越嚴(yán)重。

2 現(xiàn)有脫硝方案問(wèn)題分析

當(dāng)前脫硝控制系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題如下。

2.1 脫硝CEMS參數(shù)測(cè)量滯后

NOx濃度的測(cè)量要經(jīng)過(guò)煙氣采樣、伴熱導(dǎo)管加熱、分析柜測(cè)量一系列流程，煙氣在伴熱導(dǎo)管的流動(dòng)以及分析柜內(nèi)濃度的測(cè)量均需要一定時(shí)間，從而導(dǎo)致CEMS測(cè)量會(huì)存在一定時(shí)間的滯后，如圖3所示，該測(cè)量時(shí)延會(huì)對(duì)其后脫硝系統(tǒng)噴氨量的控制產(chǎn)生影響，使得噴氨量控制過(guò)程中前饋無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，增大控制難度，脫硝出口NOx濃度的波動(dòng)也會(huì)更大[1]。

圖3 脫硝系統(tǒng)CEMS測(cè)量滯后約1 min

2.2 煙囪入口NOx滯后性長(zhǎng)

因?yàn)闊煔饬鞒碳霸O(shè)備布置原因，煙囪入口NOx測(cè)點(diǎn)距離脫硝反應(yīng)器出口非常遠(yuǎn)，造成測(cè)點(diǎn)滯后性很長(zhǎng)，達(dá)2 min。脫硝出口NOx測(cè)點(diǎn)布置在脫硝反應(yīng)器出口，滯后性相對(duì)較短，約70 s，這將進(jìn)一步加劇調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后、脫硝噴氨量跟蹤不及時(shí)等一系列問(wèn)題。

2.3 脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx變化幅度較大（100～300 Nm3/h之間波動(dòng)）

近年來(lái)，火電機(jī)組調(diào)峰需要機(jī)組變負(fù)荷幅度及速度均明顯加大，同時(shí)磨煤機(jī)啟停頻繁等原因，易造成脫硝進(jìn)口NOx變化幅度較大。為有效控制脫硝出口NOx，就必須要求脫硝噴氨控制系統(tǒng)隨之大幅度精準(zhǔn)變化，否則將很難正?？刂?。

2.4 噴氨調(diào)門線性問(wèn)題

由于上述邏輯前饋指令直接作用于調(diào)門開(kāi)度，大多數(shù)調(diào)門開(kāi)度較大時(shí)，線性都會(huì)較差，當(dāng)調(diào)門開(kāi)度大于50%時(shí)，噴氨流量提升就很不明顯了，調(diào)門的調(diào)節(jié)線性變差，易造成實(shí)際噴氨量不足，脫硝出口參數(shù)上升較大。

2.5 煙氣場(chǎng)多變導(dǎo)致脫硝出口NOx與煙囪入口NOx數(shù)值存在偏差

采用脫硝出口NOx作為反饋的控制邏輯雖能提高響應(yīng)速度，但環(huán)?？己耸轻槍?duì)煙囪入口NOx測(cè)點(diǎn)。鍋爐負(fù)荷變化、煙氣場(chǎng)的分布不均易造成脫硝出口NOx與煙囪入口NOx數(shù)值存在偏差，只將脫硝出口NOx作為反饋量控制時(shí)，就無(wú)法精確控制煙囪入口NOx，導(dǎo)致運(yùn)行人員不得不長(zhǎng)期跟蹤其數(shù)值的變化并及時(shí)調(diào)整。

上述問(wèn)題導(dǎo)致該自動(dòng)控制邏輯很難精準(zhǔn)控制NOx。舉例說(shuō)明：調(diào)門開(kāi)度本身較大時(shí)，如果脫硝進(jìn)口NOx上升，前饋?zhàn)饔脮?huì)直接開(kāi)大脫硝噴氨調(diào)門，但線性較差，噴氨流量無(wú)法正常提升，需要待反饋上升后方可再次開(kāi)大（但是反饋?zhàn)饔靡驗(yàn)闇笮詥?wèn)題，反應(yīng)較慢），從而導(dǎo)致煙囪入口NOx過(guò)高，造成參數(shù)超標(biāo)。

反之亦然，同時(shí)由于煙囪入口NOx過(guò)高，過(guò)度噴氨后可能又導(dǎo)致煙囪入口NOx濃度過(guò)低，造成脫硝系統(tǒng)殘氨量較大，硫酸氫銨大幅度上升，導(dǎo)致預(yù)熱器堵塞可能性加大。

3 脫硝自動(dòng)控制邏輯改進(jìn)

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)該廠1 000 MW機(jī)組脫硝自動(dòng)控制回路進(jìn)行了邏輯改造，該控制系統(tǒng)包括以下三大模塊：脫硝超前模塊、脫硝噴氨量預(yù)估模塊、脫硝偏差模塊，具體方案如下。

3.1 脫硝超前模塊

脫硝CEMS參數(shù)測(cè)點(diǎn)滯后不可避免，針對(duì)該問(wèn)題，增加脫硝超前模塊，通過(guò)引入一些超前量來(lái)修正脫硝入口NOx，使其滯后性減小并更接近真實(shí)曲線。

3.1.1 脫硝側(cè)氧量測(cè)點(diǎn)替換

脫硝NOx參數(shù)是經(jīng)過(guò)脫硝側(cè)氧量6%折算而來(lái)：

根據(jù)某1 000 MW機(jī)組長(zhǎng)期變負(fù)荷工況試驗(yàn)，排除氧量測(cè)點(diǎn)漏風(fēng)可能，脫硝氧量參數(shù)的變化滯后鍋爐側(cè)氧量約1 min。針對(duì)該現(xiàn)象，對(duì)脫硝氧量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行替換，將其改為鍋爐側(cè)氧量，減少脫硝入口NOx滯后性。

3.1.2 增加鍋爐氧量微分補(bǔ)償修正

變負(fù)荷工況中，燃料加速回路作用導(dǎo)致煤量、風(fēng)量波動(dòng)較大[2]，造成風(fēng)煤比失調(diào)。燃料型NOx生成主要與燃燒區(qū)域風(fēng)煤比有關(guān)，脫硝入口NOx由于測(cè)點(diǎn)響應(yīng)滯后易造成脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)滯后。在機(jī)組變負(fù)荷工況下，鍋爐側(cè)氧量變化能提前反映燃燒區(qū)風(fēng)煤比的變化情況，因此，在脫硝入口NOx中引入鍋爐氧量微分修正回路，其輸出作為超前量作用在脫硝入口NOx回路中。同時(shí)考慮到測(cè)點(diǎn)的正常擾動(dòng)，對(duì)該算法設(shè)置一定的死區(qū)，當(dāng)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，該超前量輸出為0，不會(huì)對(duì)原脫硝自動(dòng)邏輯產(chǎn)生干擾，同時(shí)該函數(shù)輸出上下限可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)整定。

3.1.3 增加脫硝入口NOx微分補(bǔ)償修正

原理同上，在變工況及啟停磨期間，脫硝入口NOx變化較大時(shí)，其微分經(jīng)f（x）函數(shù)輸出作為超前量作用在脫硝入口NOx回路中，這樣可以在鍋爐工況擾動(dòng)時(shí)提前改變脫硝入口NOx，進(jìn)一步降低其滯后性。

3.1.4 增加啟停磨信號(hào)補(bǔ)償修正

根據(jù)運(yùn)行人員反映的情況和歷史數(shù)據(jù)調(diào)取分析，磨煤機(jī)啟停對(duì)脫硝自動(dòng)控制回路調(diào)節(jié)的干擾也是比較大的[3]。由于操作手法、啟停磨時(shí)制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式不同等，很難確定修正值。目前，可根據(jù)磨煤機(jī)一次風(fēng)量與煤量偏差前饋經(jīng)f（x）函數(shù)輸出對(duì)脫硝入口NOx做修正。

3.1.5 脫硝超前模塊邏輯簡(jiǎn)介

進(jìn)行上述優(yōu)化后脫硝超前模塊邏輯如圖4所示，同時(shí)該邏輯輸出量作為下文圖5邏輯中SCR入口NOx數(shù)值。采用上述修正后的脫硝入口NOx參數(shù)時(shí)滯更小，更能反映脫硝參數(shù)的真實(shí)變化，使得鍋爐變工況運(yùn)行及啟停磨期間脫硝自動(dòng)響應(yīng)更快，脫硝出口控制也更加平緩。

圖4 脫硝超前模塊邏輯

圖5 優(yōu)化后脫硝控制邏輯圖

3.2 脫硝噴氨量預(yù)估模塊

針對(duì)傳統(tǒng)的脫硝噴氨系統(tǒng)滯后性大、調(diào)門線性差等問(wèn)題，采用全新的脫硝控制邏輯對(duì)其進(jìn)行替換。利用脫硝反應(yīng)前后氮原子摩爾比不變的原則，可以根據(jù)鍋爐參數(shù)預(yù)估出脫硝理論噴氨量，公式如下：

通過(guò)上述公式計(jì)算出鍋爐理論噴氨量，同時(shí)將鍋爐脫硝噴氨量作為主被調(diào)量，脫硝出口NOx濃度作為副被調(diào)量，組成一個(gè)閉環(huán)的串級(jí)PID控制系統(tǒng)，副脫硝出口PID反饋環(huán)節(jié)經(jīng)f（x）輸出0.7～1.3系數(shù)用于對(duì)鍋爐理論噴氨量進(jìn)行修正，確保脫硝噴氨量計(jì)算準(zhǔn)確，如圖5所示。由于取消原邏輯中前饋環(huán)節(jié)，脫硝噴氨調(diào)門線性問(wèn)題得以避免。

3.3 脫硝偏差模塊

由于上述圖5邏輯最終控制的參數(shù)是脫硝出口NOx，但環(huán)?？己藚?shù)針對(duì)的是煙囪入口NOx，根據(jù)問(wèn)題2.5分析當(dāng)兩者存在偏差時(shí)，就不能保證煙囪入口NOx控制濃度，從而運(yùn)行人員必須人為干預(yù)調(diào)整，增加了煙囪入口NOx控制難度。

因此引入偏差模塊控制邏輯，該邏輯作用：自動(dòng)計(jì)算前一段時(shí)間內(nèi)“煙囪入口NOx與脫硝出口NOx的差值”（該時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)整定）。公式如下：

該邏輯加入后運(yùn)行人員只需設(shè)定煙囪入口NOx設(shè)定值，控制邏輯會(huì)自動(dòng)計(jì)算出脫硝出口NOx設(shè)定值，且電腦長(zhǎng)期實(shí)時(shí)跟蹤其偏差值，并作為反饋量來(lái)調(diào)整脫硝出口NOx的設(shè)定值，這樣在不影響原邏輯自動(dòng)調(diào)節(jié)速度的同時(shí)也保證了煙囪入口NOx的跟蹤調(diào)節(jié)，大大減輕了人員調(diào)整的工作量。該邏輯如圖6所示，其輸出量作為圖5邏輯中SCR出口NOx設(shè)定值。

圖6 偏差模塊控制邏輯圖

4 優(yōu)化效果

在變負(fù)荷工況下，由于鍋爐側(cè)燃燒工況提前變化，鍋爐氧量微分前饋與脫硝進(jìn)口NOx微分前饋提前動(dòng)作，脫硝進(jìn)口NOx上升較快，測(cè)點(diǎn)滯后性減小，脫硝噴氨調(diào)門能夠及時(shí)動(dòng)作，脫硝噴氨量也上升較快，如圖7所示。同時(shí)由于新脫硝控制邏輯的作用下，煙囪入口NOx滯后性得以減小，使得脫硝煙囪入口NOx參數(shù)波動(dòng)更加平穩(wěn)，如圖8所示。

圖7 脫硝入口NOx及各超前量動(dòng)作曲線

圖8 脫硝邏輯改造后NOx變化曲線

5 結(jié)論

該廠1 000 MW機(jī)組脫硝自動(dòng)控制邏輯優(yōu)化后，提高了機(jī)組脫硝自動(dòng)控制的可靠性，改善了調(diào)節(jié)質(zhì)量。將鍋爐噴氨量預(yù)估模塊作為主調(diào)回路后，可有效減少調(diào)節(jié)系統(tǒng)的滯后性并避免脫硝調(diào)門線性問(wèn)題；偏差模塊功能使得煙囪入口NOx能自行跟蹤調(diào)整，極大程度減輕了運(yùn)行人員的工作量；脫硝超前模塊的引入可有效減少脫硝進(jìn)口參數(shù)測(cè)量的滯后性，在變負(fù)荷工況與磨煤機(jī)啟停時(shí)能超前動(dòng)作，提高了調(diào)節(jié)的快速性。上述方案的實(shí)施為機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低排放提供了技術(shù)支持，同時(shí)脫硝參數(shù)控制更加平緩，也避免了過(guò)量噴氨的情況，降低了噴氨成本，減少了脫硝出口的殘氨量，可有效減少預(yù)熱器硫酸氫銨堵塞，對(duì)預(yù)熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到良好的作用。