脱硝喷氨自动控制优化在大型火电厂中应用案例分析

脱硝喷氨自动控制优化在大型火电厂中应用案例分析
摘要：本文叙述了华润首阳山发电厂两台630MW 机组脱硝喷氨控制系统，该控制系统采用常规PID控制策略和模糊控制共同完成，能够准确的测量、控制相关设备，达到脱硝控制系统的安全、稳定、经济的运行.
关键词：脱硝常规PID控制模糊自控制优化
1、引言
根据我国环保政策要求，目前烟气脱硫项目已基本覆盖所有燃煤火电机组，但烟气脱硝还未大规模的开展应用。

有相关研究资料表明，如果还继续不加强对烟气中氮氧化物的控制，氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。

随着我国对工业环保标准逐渐严格，仅靠低氮燃烧已明显不能满足更加严格的排放标准。

SCR烟气脱硝技术是目前减少氮氧化物排放的有效方法，河南华润电力首阳山有限公司利用原设计基础上在2013年更改设计，投产脱硝装置，引进丹麦SCR烟气脱硝技术，采用SCR (Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法)方法，SCR脱硝工艺中，氮氧化物在催化剂作用下被氨还原为无害的氮气和水，不产生任何二次污染，反应通常可在温度250~450 oC 下进行，其化学反应如下：
4NH3 + 4NO + O2 →4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O
SCR 法一般是将氨类等还原剂喷入烟气中，利用催化剂将烟气中的NOX通过催化反应生成氮气和水，不影响环境，而除氮氧化物效果明显，能够达到90%以上。

2、脱硝自动控制常规控制策略分析：
2.1设备概况：
华润首阳山电厂分别在2013年5月和10月对二台超超临界的630MW机组进行了脱硝改造，其SCR烟气脱硝装置主要由液氨卸载/储存系统、注统、SCR反应系统、吹灰系统、干除灰系统组成。

其工艺流程见图1。

图一工艺流程图
锅炉分A\B二侧，每侧有一个供氨调门，该调门进行对喷氨量的控制，从而参与控制出口烟囱NOx含量，并且二个调门保持平衡，防止催化剂的老死或者堵塞等现象，
2.2设备运行原理：
SCR脱硝系统的工艺流程示意图如下图所示。

脱硝系统的工艺装置主要组成部分包括两个装有催化剂的反应器、两个液氨存储罐及一套氨气注入系统。

来自存储罐的液氨靠自身的压力进入蒸发器中，被热水加热蒸发成氨气。

从氨气积压器出来的氨气经由稀释风机来的空气在氨气/空气混合器混合稀释，通过注入系统被注入到烟气中，被稀释的氨气和烟气在SCR前被充分混合均匀后进入两层催化剂，进而产生化学反应，氮氧化物就被脱除。

其工艺流程见图2。

图二 SCR 法的基本原理流程图
2.3 自动控制的测量原理：
SCR烟气脱硝控制系统依据确定的NH3/NOx摩尔比来提供所需要的气氨流量，进口NOx浓度和烟气流量的乘积产生NOx流量信号，此信号乘上所需NH3/NOx摩尔比就是基本氨气流量信号(前馈信号)，根据烟气脱硝反应的化学反应式，一摩尔氨和一摩尔NOx进行反应。

摩尔比对应关系的决定是在现场调试期间来决定并记录在气氨流量控制系统的程序上。

所计算出的气氨流量需求信号送到DCS控制器并和真实气氨流量的信号相比较，所产生的误差信号经比例加积分动作处理送氨气流量控制阀进行定位
同时根据设计脱硝38.0%，依据入口NOx浓度和设计中要求的最大≤5.0ppm的氨逃逸率计算出修正的摩尔率(反馈信号)并输入在气氨流量控制系统的程序上。

SCR控制系统根据计算出的氨气流量需求信号去定位气氨流量控制阀，实现对脱硝的自动控制。

通过在不同负荷下的对气氨流量的调整，找到最佳的喷氨量。

2.4 常规自动控制逻辑设计
1)根据目前国内脱硝系统的运行情况，对脱硝氨气流量控制一般采用基本控制方式Constant Mole Ratio Control (固定摩尔比控制方式)。

该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式，在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOx ，这种控制方式是设定值可调的单回路控制系统，控制回路简单易于调试和整定，这是这种控制方式的优点，其缺点是会过度脱氮，增加运行成本。

2)脱硝系统的关键参数为喷氨量，因此采用良好的控制措施对供氨调门进行控制是脱硝自动的重点。

图三脱硝控制常规PID控制SAMA图
控制主体原则为前馈串级控制，控制的主参数为脱硝出口烟道NOx的含量，副参数为氨气流量，前馈量为根据进口NOx的流量算出的基本氨气需求量。

主回路PID出口用于调整摩尔比修正值，副回路PID出口用于控制调门开度。

在控制中3个氨气流量需要由计算流量公式得到，算出的氨气流量三取中后做滤波处理。

脱硝进口烟道NOx修正值=(脱硝进口烟道NOx检测×15)/(21-脱硝进口烟道含氧量检测)。

脱硝出口烟道NOx 修正值=(脱硝出口烟道NOx检测×15)/(21-脱硝出口烟道含氧量检测)。

设定负荷跟实际负荷的偏差对于氨气量的修正根据实际情况得到。

由于脱硝喷氨自动系统具有较大的延迟性，目前用常规控制策略，容易导致脱硝喷氨控制系统不稳定，目前在国内不建议利用该方法进行喷氨自动控制。

3、脱硝喷氨系统模糊控制策略分析
3.1设备概况：
在国内，针对比如SCR脱硝控制系统这样大滞后、大延时的控制，引进了针对控制对象的预测控制技术、融合改进的状态变量控制、相位补偿控制技术，代替了经典PID控制。

能够提前预测被调量未来变化趋势，根据被调量未来变化量进行控制、提前调节，提高了脱硝系统闭环稳定性和抗扰动能力。

华润首阳山电厂脱硝大胆引入了由东南大学研究的英菲迪控制系统，通过和DCS常规系统的耦合，达到了精准的控制。

3.2模糊控制的特点
3.2.1实时动态特性校正和补偿
采用智能前馈技术对脱硝控制系统受到扰动进行动态补偿，从反应源头消除NOx浓度剧烈波动;模糊控制系统采用竞争型神经网络学习算法来实时校正上述动态补偿算法中各项特性参数，使得整个系统始终处于在线学习状态，控制结果不断向最优目标逼近。

3.2.2 增加AGC指令频繁变化特别节氨算法
AGC指令变化频繁将导致脱硝出口NOx浓度反复波动，若控制系统采用常规PID控制策略，因反馈调节作用与AGC指令变化同相位而造成叠加振荡，使控制品质明显变差。

模糊控制系统根据机组AGC指令变化，实时预测NOx 浓度波动规律，调整控制算法始终保持与AGC指令变化反相位，减少不必要的控制调节，氨气消耗明显减少。

3.2.3在线评估测量仪表数据
模糊控制系统根据机组运行参数对NOx测量数据进行在线评估;系统发现测量参数失真现象后立即调整该测量参数在控制系统中的权重占比，将测量值失真给控制系统造成的影响降至最低，从而保证脱硝控制系统长期可靠运行。

4、常规控制和模糊控制共同在机组喷氨系统上的应用
4.1 实施方式
常规控制以目前DCS为载体，而模糊控制系统以PLC为载体，采用SCL、STL语言开发高级算法模块，采用封装技术建立比DCS系统功能更强大的组态函数库，通过函数调用完成模糊控制系统的建立;模糊控制系统与机组DCS采用标准MODBUS通讯方式交换数据，取得机组负荷、NOx浓度、NOx设定等数据，借用常规控制逻辑的某些逻辑通道，将优化计算后控制指令传至DCS，与原有DCS脱硝控制系统进行切换完成喷氨自动调节。

4.2 二种控制方式的数据交换
常规控制采用喷氨调门开度、烟囱入口NOx浓度、烟囱入口O2浓度、脱硝氨气流量、脱硝入口NOx测量值、脱硝出口NOx测量值、脱硝入口O2测量值、脱硝出口O2测量值、脱硝出口氨测量值、脱硝效率、分析仪故障等信号，而模糊控制系统采集除了上述信号外，还包括了锅炉指令、速率限制之前的功率指令、速率限制之后的功率指令、锅炉总风量等，这些数据充分反映系统运行状况。

图四模糊控制指令生成图
4.3 系统投运
在DCS脱硝画面增加模糊控制系统投退按钮，投入模糊控制控制方式后，将A侧和B侧喷氨调节阀投入自动即可实现模糊控制系统对SCR出口NOx浓度自动控制;模糊控制自动投入与A、B侧喷氨自动的投入不分先后。

模糊控制系统投入与退出均实现无扰切换。

在火电厂中，NOX的有二组数据，一组为脱硫出口数据、一组为脱硝出口，为了更有效的控制，我们在控制中，把二组NOX数据都引入到模糊控制中，根据实际情况，进行随时切换，达到预期目标。

图五模糊控制投入图图六常规PID控制投入图
模糊控制系统投运后，若某侧测量信号存在问题或喷氨调节阀存异常，则自动切换到常规自动控制，或者由运行人员接触自动，进行手动控制;二次均是独立自动方式，相互操作不受影响。

5、应用效果
模糊控制系统投运以来，控制品质明显改善，机组负荷稳定、快速变负荷及启停制粉系统状况下，SCR出口的Nox 浓度均控制在合理范围内。

图七喷氨自动实施曲线图
6、结束语
通过近一年的实际应用，模式控制技术先进、性能可靠、控制效果满意;调节灵敏、系统抗干扰性能强，能适应负荷大幅变化及个别参数异常;常规PID控制对模糊控制的有利的补充，当模糊控制出现各种参数监测异常，模糊控制系统无扰切换至常规控制稳定运行;
目前在国内采用常规PID和模糊控制共同组合的这种方式，能够有效的提升热控自动化水平，满足国家环保部门及其对大型排污企业监控要求，取得了社会和企业双重效益。

参考文献：
[1] 马瑞《河南华润首阳山电厂逻辑说明》
[2] 吕剑虹预测控制在热工过程控制中的应用研究，东南大学博士学位论文
[3] 黎明《华润首阳山电厂运行自动投入操作指导书》
[4] 王露华 SCR烟气脱硝技术在国华台电600MW机组的应用。