分析火电机组脱硝控制系统优化

分析火电机组脱硝控制系统优化

高猛

河北大唐国际唐山热电有限责任公司，河北 唐山 063000

摘要：针对目前机组脱硝系统存在的不完善，从脱硝系统相关设备、DCS逻辑优化和相关参数设置等方面进行了研究和改进，提高脱硝系统自动投入率，确保脱硝系统符合国家排放要求。

关键词：火电；脱硝；控制；优化

1、概述

由于脱硝改造为近几年才陆续开展的项目，而且短时间内大批改造项目投用，但是目前各火电厂的脱硝喷氨控制系统在设备、设计及控制策略等方面均存在一定的不完善，导致电厂各机组的脱硝自动调节相差较大，脱硝效率及电厂运行经济性较差。而且不少机组脱硝喷氨自动投入后，NOX波动大且振荡不容易稳定，特别是在变负荷及启停磨煤机时，NOX动态偏差较大。为了避免出口NOX排放超标，火电厂在操作脱硝调节系统是时只能增大喷氨量，容易造成喷氨过量，出现大量氨逃逸，从而对锅炉空预器、烟道等设备将造成巨大的伤害，为火电机组埋下极大的隐患。

2、脱硝喷氨控制系统的设备现状

（1）部分机组喷氨调节阀执行机构死区大、线性差，尤其尿素热解喷枪调节阀更严重，严重影响自动调节效果。

（2）脱硝烟道截面大，内部流场不均，导致NOX、氧浓度分布不均，造成测量误差，导致SCR出口NOX平均值与排烟NOX偏差较大。

（3）对于大部分部分尿素热解法脱硝的机组，尿素热解炉至A、B设计的操作方法是手动调整，无法实现远程连续调节，在A、B脱硝反应器入口烟气质量与NOX含量不一致时，一侧会出现喷氨过量，两侧SCR出现偏差。

（4）部分机组脱硝系统CEMS测点不准，影响脱硝控制和排放考核。

3、脱硝喷氨控制策略现状

脱硝被控对象（氨流量-烟囱入口NOX浓度）的响应纯延迟时间接近3分钟，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象。目前普通采用的控制策略为比较简单的控制策略，无法获得良好的调节品质，具体有如下几点：

（1）部分机组脱硝控制为单回路，控制逻辑简单，很难适应机组各种运行工况的变化。

（2）很多机组脱硝控制被调量为单一反应器出口NOX，而SCR出口NOX浓度与烟囱入口NOX浓度不论静态还是动态存在一定误差，影响考核结果。

（3）脱硝控制策略中，很少有前馈作用或者只有简单的前馈修正，无法适应机组负荷变动工况时NOX的控制。

（4）有些机组脱硝喷氨控制为单纯的固定摩尔比或脱硝效率方式，这种控制方式只考虑了摩尔比和脱硝效率，未考虑脱硝出口NOX浓度，无法准确控制脱硝出口NOX浓度，导致运行人员在改变定值时不直观，在入口NOX浓度较低和锅炉燃烧剧烈扰动的工况下，脱硝控制不理想。

（5）磨煤机启、停时，尤其是上层磨煤机启、停时，脱硝控制不理想，NOX波动较大。

（6）脱硝控制逻辑中部分参数在脱硝系统调试时，没有经过详细的设定及整定，影响脱硝效果。

4、脱硝喷氨控制影响因素及优化

4.1、脱硝反应滞后严重

脱硝系统反应滞后严重，在喷氨调阀动作后，由于反应滞后的原因，出口NOX需要一段时间才会进行相应变化，调节的快速性就受到了一定的制约。优化：a.改造NOX策略装置，缩短NOX测量时间，减少系统滞后时间。b.需要根据实际情况调整调节器参数，尤其防止积分作用过强导致系统波动，可根据负荷、偏差等进行变参数调节，合理设置四区，设计合适前馈作参数。充分发挥调节的前馈作用，使调节作用提前动作。

4.2、负荷变化时脱硝喷氨自动调节跟不上

脱硝自动调节与入口烟气量有很大关系，而脱硝入口烟气量是采用负荷的百分比进行函数计算得来，所以负荷变化直接导致了脱硝入口烟气量变化，这对脱硝自动的影响很关键。在负荷变化时，在靠近气量变化的位置进行调节，再经过PID计算后，调节效果相对较慢。优化：针对负荷变化动态过程中，可考虑根据负荷指令、煤量、风量、烟气流量、入口NOX等相关参数设计多变量的动态前馈作用，解决负荷变动时调节跟不上的问题，提高脱硝自动调节品质。

4.3、启、停磨煤机时NOX波动大

启停磨煤机时，系统风量扰动较大，对炉膛燃烧效果和NOX的产生有一定的影响。一般情况下，启磨加煤时，反应器入口NOX会突升，停磨减煤时，入口NOX会大幅突降。优化：针对启、停磨时NOX扰动大的问题，对逻辑进行了优化，磨煤机启动时，给喷氨调节系统增加一定的前馈量，提前对喷氨量进行一定的调节，保持一定时间后恢复；相反，磨煤机停止时，提前减少一定的前馈量，具体参数可在正常运行时进行调整。

4.4、部分机组脱硝喷氨自动控制为单纯摩尔比或者脱硝效率方式

该控制方式下的设定值为氨氮摩尔比或者脱硝效率。摩尔比控制是由SCR进口NOX浓度乘以烟气流量得到NOX质量流量，在根据NH3/NOX的固定摩尔比计算出所需的氨气流量，作为喷氨调节系统的给定值，这属于开环控制系统。优化：a.优化控制策略为串级控制：内回路调节喷氨流量，提高系统响应快速性，外回路调节出口NOX浓度，同时增加负荷、煤量、风量、烟气量等前馈量。b.在控制策略中加入脱硝出口NOX浓度的控制回路，达到直接控制排放值的目的。

5、研发基于预测控制理论的脱硝控制系统的研究

5.1、研究必要性

脱硝系统的喷氨控制一般采用PID+前馈的喷氨控制策略。由于受到SCR催化反应的时间、烟气流速、机组负荷和煤种等的变化的影响，使得喷氨化学反应和控制存在较大的滞后和惯性现象。常规PID控制是基于当前控制偏差计算获得当前时刻控制输出，对于纯迟延大惯性系统的控制往往不能达到比较满意的效果。预测控制相对于常规PID控制，由于采用了模型预测、滚动优化和反馈校正控制策略，使得控制具有效果好、控制精度准等优点，比较适合纯迟延大惯性系统的控制。预测控制能够解决脱硝控制调节滞后、超调严重等问题，能够很好的满足脱硝控制的要求。对此，采用先进控制的方法，解决目前PID控制无法快速调节脱硝化学反应中大延迟和大惯性环节的问题。通过与NOX变化相关联量的数学模型建立，提前预测出口NOX的浓度值改变方向和幅度，对喷氨系统进行定量精细化控制。

5.2、研究主要内容

（1）针对锅炉SCR脱硝系统及风烟系统进行数学建模，在机组负荷、机组负荷变化率、烟气流量、烟气温度、SCR入口NOX浓度、SCR出口NOX浓度、喷氨流量等状态量与排放烟气的NOX浓度之间建立关联模型，通过对历史数据的分析以及进行数值模拟，研究各状态量同被控量的影响关系，最终建立脱硝效率、排放烟气的NOX浓度同各状态量之间的预测模型。

（2）在数学模型的基础上，采用先进控制的方法，利用预测控制技术实现最优控制，提出模型预测、滚动优化和反馈校正综合控制方案，解决目前PID控制无法快速调节脱硝化学反应中大延迟和大惯性环节的问题，实现机组负荷快速变化过程中的喷氨量的精准控制。

（3）研发独立于DCS系统之外的控制平台，借助外部控制平台优于DCS系统的多阶次复杂计算能力，来保证新型喷氨控制算法的实现。并充分考虑外部控制平台与被控设备的连接，使其具备完善的安全机制，满足现场安全稳定运行的需求。

5.3、预期目标

（1）通过脱硝预测控制系统的应用，能够提前预测出口NOX的浓度值改变方向和幅度，实现对喷氨系统的及时、定量的精细化控制，有效解决目前常规控制中的调节不及时、超调量大、NOX浓度波动大的问题。

（2）脱硝预测控制系统应用后，NOX浓度控制精准，波动量小，运行设定值可以尽可能的接近排放值，有效的节约氨的用量，提高机组运行经济性。

（3）脱硝预测控制系统可以使氨的用量计算更加准确，减少氨逃逸，避免氨逃逸造成空预器的堵塞，提高机组运行安全性。

6、结束语

总之，基于预测控制理论的脱硝控制系统的优化对整个火电企业的运行有着关键作用。虽然当前火电企业的脱硝控制策略及方案还存在着诸多问题，但我们相信，通过脱硝系统控制策略的不断优化，一定能够逐步解决脱硝控制纯延迟大惯性、超调等问题，从而使脱硝效率进一步调高，促进我国火电企业高效蓬勃发展，进一步实现火电行业经济效益和社会效益的有机统一。

参考文献

[1]王东旭,王雁军.三河电厂脱硝系统的优化[J].华北电力技术,2012(10).

[2]杨超.脱硝装置控制系统的整合和优化[J].浙江大学,2015(1).

[3]邓倩.燃煤电厂SCR法烟气脱硝装置优化控制的仿真运行研究[J].华北电力大学,2012(6).