某電廠2×660MW超臨界燃煤機組，為滿足大氣污染物環(huán)保排放要求，先后對2臺機組實施了脫硝改造，采用選擇性催化還原(SCR)法進行脫硝，控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)控制，接入輔網(wǎng)進行操作調(diào)整。

2臺機組脫硝系統(tǒng)在投入運行的過程中，由于PLC實現(xiàn)復(fù)雜自動控制的局限性，加之現(xiàn)場設(shè)備及脫硝噴氨自動控制設(shè)計的不完善，導(dǎo)致噴氨自動無法正常投入，完全依靠運行人員手動控制，無法精確控制脫硝出口NOx排放濃度，也增大了運行人員的工作強度。下面對脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)存在的問題進行深入分析并優(yōu)化。

1 SCR脫硝基本原理

燃煤電廠鍋爐產(chǎn)生的NOx主要來源于燃料型NOx和熱力型NOx。根據(jù)NOx生成機理，控制NOx的技術(shù)主要包括燃燒時盡量避免NOx的生成技術(shù)和NOx生成后的煙氣脫除技術(shù)。SCR技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，采用NH3作還原劑，煙氣中NOx在經(jīng)過SCR反應(yīng)器時，在催化劑的作用下被還原成無害的N2和H2O。煙氣中的NOx主要有NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2。

要實現(xiàn)高效率脫硝，噴氨流量的控制至關(guān)重要。若噴氨量超過需求量，則NH3氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速率將增大，降低NOx的脫除效率，同時形成有害的副產(chǎn)品，即硫酸銨(NH4)2SO4和硫酸氫銨NH4HSO4，加劇對空氣預(yù)熱器換熱元件的堵塞和腐蝕;若噴氨量小于需求量，則反應(yīng)不充分，造成NOx排放超標。由于噴氨量主要由氨流量調(diào)節(jié)閥控制，因此為保證脫硝出口NOx排放濃度滿足環(huán)保要求，控制氨逃逸率低于3×10-6mg/m3，提高脫硝系統(tǒng)噴氨自動控制的品質(zhì)尤為重要。

2初始噴氨自動控制策略

該電廠原脫硝噴氨自動控制策略是摩爾比串級回路控制，與單回路比例-積分-微分(PID)相比，摩爾比串級回路控制相對復(fù)雜，該串級控制回路由主調(diào)和副調(diào)控制回路組成。

a.主調(diào)控制回路。利用脫硝反應(yīng)時MNH3/MNOx摩爾比近似等于1的原理，使用煙氣進口NOx質(zhì)量濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量，再乘以二者摩爾比便可得到氨氣需求量，在滿足脫硝效率要求的情況下，設(shè)置二者摩爾比為0.84，同時進行脫硝出口NOx對二者摩爾比的修正調(diào)節(jié)(依據(jù)出口NOx質(zhì)量濃度與設(shè)定值偏差進行PID調(diào)節(jié))，此外，在操作員站上設(shè)有摩爾比偏置，提供了摩爾比的設(shè)定功能。

b.副調(diào)控制回路。根據(jù)修正的摩爾比計算得到所需要的氨氣流量，其作為副調(diào)的給定值與氨氣流量測量值的偏差經(jīng)過副調(diào)調(diào)節(jié)后輸出控制指令，控制噴氨流量調(diào)節(jié)閥開度，改變噴氨量大小，最終將出口NOx質(zhì)量濃度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。

3噴氨自動控制影響因素分析及優(yōu)化

初始邏輯設(shè)計雖然采用了較為經(jīng)典的控制策略，但是設(shè)計不完善，沒有考慮更多的細節(jié)，同時由于PLC實現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，所以脫硝噴氨自動一直無法正常投入，長時間依靠運行人員手動調(diào)節(jié)，在負荷變化較大時，脫硝出口NOx質(zhì)量濃度得不到及時有效地控制，嚴重影響了NOx的達標排放。為解決該問題，使噴氨自動能夠有效投入，達到良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，全面分析噴氨自動控制的影響因素，并對現(xiàn)有噴氨自動控制進行優(yōu)化改造。

3.1影響因素分析

a.系統(tǒng)延遲性。由于脫硝反應(yīng)系統(tǒng)及取樣測量系統(tǒng)的延遲性，使噴氨自動控制系統(tǒng)被控對象的響應(yīng)延遲時間在2～3min，是典型的大滯后被控對象，這意味著噴氨調(diào)節(jié)閥動作后，出口NOx需要一段時間才會有變化，這使得調(diào)節(jié)的及時性受到制約。

b.入口NOx含量波動大。受燃燒調(diào)整、煤質(zhì)變化、負荷變化頻繁及啟停磨等影響，脫硝入口NOx質(zhì)量濃度變化大、變化快，由于脫硝反應(yīng)區(qū)入口到出口的距離短，噴氨反應(yīng)有一定的時間滯后，所以反應(yīng)就不完全，出口NOx也會相應(yīng)快速上升，導(dǎo)致超調(diào)。

c.NOx測量數(shù)值異常。脫硝煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)取樣采用直抽法，系統(tǒng)處于負壓狀態(tài)，若取樣管路有泄漏，氧量測量就會失準，導(dǎo)致經(jīng)過氧量折標的NOx質(zhì)量濃度異常;取樣探頭及管線堵塞，取樣流量消失，分析儀表報故障，會使NOx數(shù)值失準;分析儀表吹掃/標定期間，NOx數(shù)值將保持不變，這些都會影響噴氨自動控制。

d.煙氣流量計算不準。煙氣流量通過燃料量計算而來，由于其參與噴氨需求量的計算，其計算的準確程度，將決定計算所得噴氨需求量與實際需求量偏差的大小，偏差太大，主調(diào)修正回路無法進行有效地修正調(diào)節(jié)，從而影響噴氨自動的投入及調(diào)節(jié)效果。

e.噴氨流量的穩(wěn)定性差。噴氨流量采用節(jié)流孔板的方式測量，其測量數(shù)值受到孔板特性的影響，同時受到氨區(qū)供氨壓力的影響，供氨壓力通過機械減壓閥和穩(wěn)壓罐調(diào)節(jié)，供氨壓力不穩(wěn)，波動較大，使噴氨流量測量值頻繁發(fā)生變化，與閥門開度對應(yīng)的穩(wěn)定性差，對調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生擾動，影響調(diào)節(jié)效果。

f.噴氨不均勻。噴氨不均勻會引起反應(yīng)器出口NOx含量分布不均勻，進而導(dǎo)致出口NOx測量值不具有代表性，從而影響噴氨自動調(diào)節(jié)效果;脫硝CEMS取樣測點位置選取不當，可能使取樣探頭處于渦流區(qū)，NOx測量數(shù)值不能正確反應(yīng)實際變化，這些也影響噴氨自動的調(diào)節(jié)效果。

g.控制邏輯設(shè)計不完善。PLC實現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，原有邏輯回路無前饋信號，沒有對大延遲屬性進行有針對性地優(yōu)化;原有邏輯對摩爾比進行偏置，對運行人員來說，畫面中無摩爾比顯示，偏置調(diào)整不直觀。

3.2優(yōu)化方法

3.2.1脫硝噴氨自動控制的優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化現(xiàn)有的脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)，對脫硝進出口CEMS系統(tǒng)全面細致檢查，測點選取不當?shù)倪M行移位改造;合理調(diào)整自動吹掃/標定時間及間隔時間，防止脫硝進出口CEMS裝置的吹掃時間重合，最大程度保證接收的NOx、O2含量等參數(shù)的真實性;通過噴氨格柵(AIG)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，調(diào)整每路進氨支管手閥的開度，調(diào)整不同區(qū)域的噴氨量，最終達到噴氨均勻;對噴氨調(diào)節(jié)閥進行檢修，并重新調(diào)試定位，使兩側(cè)閥門開度與流量特性盡量一致，并在分布式控制系統(tǒng)(DCS)中利用函數(shù)修正閥門特性。

此外，也優(yōu)化了控制系統(tǒng)邏輯，由于PLC實現(xiàn)復(fù)雜的模擬量控制較為困難，利用電流信號隔離器，將與噴氨自動相關(guān)的參數(shù)測點同時引入PLC與DCS中，并在DCS中對噴氨自動控制進行邏輯組態(tài)，然后將調(diào)節(jié)閥自動指令再送回PLC輸出，脫硝噴氨自動的投切、給定值設(shè)定、流量偏置等與自動相關(guān)的操作仍在原輔網(wǎng)畫面進行，僅在DCS中進行邏輯運算。

將控制邏輯引入DCS后，對噴氨自動控制策略優(yōu)化，優(yōu)化后主體仍采用串級回路控制，基于出口的串級控制方式見圖1。

3.2.2主調(diào)及副調(diào)控制回路的優(yōu)化

主調(diào)控制回路不再修正摩爾比，而是根據(jù)出口NOx質(zhì)量濃度與其設(shè)定值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出，直接對計算出理論所需的噴氨流量進行修正(修正范圍0.7～1.3)。理論所需的噴氨流量則是由燃料量所計算出的煙氣量乘以入口NOx質(zhì)量濃度與出口NOx設(shè)定值之差，再乘以二者摩爾比得到氨氣需求量。

副調(diào)控制回路由主調(diào)回路修正后得到的噴氨流量，加上運行人員手動偏置量，作為副調(diào)的給定值，與噴氨流量測量值的偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后輸出自動控制指令，控制噴氨流量調(diào)節(jié)閥開度，改變噴氨量大小。為了減小系統(tǒng)遲延的影響，在控制系統(tǒng)中引入了變負荷前饋;另外，由于燃燒工況的變化會影響入口NOx質(zhì)量濃度，當發(fā)現(xiàn)入口NOx質(zhì)量濃度迅速上升，出口NOx質(zhì)量濃度超過設(shè)定值時，調(diào)節(jié)已來不及，觀察發(fā)現(xiàn)尾部煙道處煙氣氧量測點，能提前反應(yīng)入口NOx質(zhì)量濃度的變化趨勢，引入氧量信號作為前饋，來減少遲延與超調(diào)。

正常情況下通過脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度來調(diào)節(jié)噴氨調(diào)門開度，從而調(diào)節(jié)噴氨流量，當出口分析儀進行吹掃/標定時，閉鎖主調(diào)PID運算，保持原輸出，減少超調(diào);當氨逃逸率超過2×10-6mg/m3，副調(diào)回路閉鎖，防止過量氨的噴入。

在噴氨調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)時，通過觀察曲線發(fā)現(xiàn)，噴氨調(diào)門開度基本在25%～55%就能滿足不同負荷下脫硝效率的要求，結(jié)合閥門流量特性，同時為防止測點反應(yīng)遲緩，造成調(diào)節(jié)閥過開或過關(guān)，所以限制噴氨調(diào)節(jié)閥開度自動指令在20%～70%進行調(diào)節(jié)，以免超調(diào);手動操作時調(diào)門無開度限制，可在0～100%操作。

4優(yōu)化后的效果

優(yōu)化后的脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)品質(zhì)有了明顯改善，基本滿足機組各種參數(shù)運行工況的變化，自動調(diào)節(jié)可長期投入，出口NOx質(zhì)量濃度基本能穩(wěn)定在設(shè)定值的±20mg/m3范圍以內(nèi)，噴氨自動控制能滿足運行要求，氨的逃逸率控制在3×10-6mg/m3內(nèi)，減輕了運行人員的操作強度，使NOx排放濃度滿足環(huán)保要求。

5結(jié)束語

通過對現(xiàn)有噴氨自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)雖然有了明顯改善，但是隨著環(huán)保標準的日趨嚴格，以及超低排放改造的實施，對脫硝噴氨這種大延遲自動控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制將很難滿足現(xiàn)場控制要求，因此探索結(jié)合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、史密斯預(yù)估等先進控制算法進行優(yōu)化，是今后學習工作的一個方向，以期找到合理的控制策略，提高控制品質(zhì)，滿足脫硝自動控制的要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行提供保障。