脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用與分析

摘 要針對(duì)公司#4機(jī)組超低排放改造后，原常規(guī)的PID+前饋控制方式無(wú)法滿足調(diào)節(jié)過(guò)程中的負(fù)荷變化、給煤機(jī)斷煤、磨煤機(jī)切換等工況變化，造成控制品質(zhì)下降、調(diào)節(jié)滯后等問(wèn)題。采用集成了預(yù)測(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制技術(shù)的INFIT優(yōu)化控制系統(tǒng)，以考核指標(biāo)作為控制目標(biāo)，應(yīng)用以來(lái)不僅可滿足環(huán)保排放指標(biāo)要求，同時(shí)提高了脫硝控制品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】控制策略 控制品質(zhì) 預(yù)測(cè)控制 INFIT NOx

1 引言

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)不夠明確、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件限制等問(wèn)題，系統(tǒng)的自動(dòng)投入率和投入效果較差，使得整個(gè)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行性能受到明顯影響。我公司#4機(jī)組在進(jìn)行過(guò)超低排放改造后，根據(jù)環(huán)保要求，煙囪入口氮氧化物NOX濃度控制要求將不超過(guò)50mg/Nm3，比原有控制要求在100mg/Nm3以下減小了一倍，煙囪入口氮氧化物NOx濃度可調(diào)節(jié)范圍變小，噴氨量變大。通過(guò)對(duì)噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)改造，取得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2 目前脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及分析

目前SCR脫硝閉環(huán)控制策略，基本設(shè)計(jì)為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。該控制方式下的設(shè)定值為氨氮摩爾比或者脫硝效率，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的煙氣流量、SCR入口NOx濃度和設(shè)定氨氮摩爾比計(jì)算出NH3流量需求，最終通過(guò)流量PID改變氨氣閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)NH3實(shí)際流量，這種控制方式較簡(jiǎn)單；部分電廠總結(jié)固定摩爾比控制方式的不足，采取了固定SCR出口NOx濃度控制方式，此時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為SCR出口NOx濃度，并根據(jù)其與實(shí)際出口NOx濃度的偏差來(lái)動(dòng)態(tài)修正氨氮摩爾比，達(dá)到閉環(huán)控制SCR出口濃度的效果。但不論上述何種控制方案，在正常運(yùn)行中均表現(xiàn)出如下問(wèn)題：

2.1 控制目標(biāo)不與考核目標(biāo)對(duì)應(yīng)

環(huán)保部門最終對(duì)電廠進(jìn)行考核核算的指標(biāo)是煙囪入口處的NOx濃度測(cè)量值（由CEMS表計(jì)測(cè)得）。而目前自動(dòng)調(diào)節(jié)控制目標(biāo)是SCR出口的NOx，由于SCR出口NOx濃度與煙囪入口NOx濃度不論在靜態(tài)關(guān)系還是動(dòng)態(tài)特性上均存在著較大的差別，也使得電廠的最終環(huán)保考核結(jié)果不佳。

2.2 控制策略設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，與脫硝被控對(duì)象不相適應(yīng)

根據(jù)試驗(yàn)情況，脫硝被控對(duì)象（NH3流量→煙囪入口NOx濃度）的響應(yīng)純延遲時(shí)間接近3分鐘，整個(gè)響應(yīng)過(guò)程達(dá)十幾分鐘，是典型的大滯后被控對(duì)象，控制系統(tǒng)想要獲得良好的控制品質(zhì)，必須以基于大滯后被控對(duì)象的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行優(yōu)化。而目前普遍應(yīng)用的控制策略均采用簡(jiǎn)單的PID+前饋的方案，必然無(wú)法獲得良好的控制品質(zhì)。

2.3 控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)分依賴于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的完好性

SCR進(jìn)、出口的NOx、O2測(cè)量?jī)x表由于長(zhǎng)期運(yùn)行在灰、塵較高的環(huán)境下，容易出現(xiàn)部分或整體失真的情況，且儀表的定期吹掃、標(biāo)定也會(huì)使測(cè)量值瞬間突變。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的脫硝控制策略對(duì)上述問(wèn)題均無(wú)相應(yīng)應(yīng)對(duì)，一旦某個(gè)測(cè)點(diǎn)失靈特別是出口NOX測(cè)量?jī)x表故障時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)即處于癱瘓，系統(tǒng)的長(zhǎng)期可用性明顯受到影響。

出現(xiàn)上述問(wèn)題的主要原因是：目前國(guó)內(nèi)的脫硝控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單，對(duì)于煤種多變、機(jī)組負(fù)荷受AGC頻繁調(diào)度、測(cè)量?jī)x表存在失真的脫硝運(yùn)行環(huán)境，則應(yīng)將先進(jìn)的控制技術(shù)如：預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等技術(shù)應(yīng)用到脫硝優(yōu)化控制中來(lái)，才能獲得滿意的控制品質(zhì)。

3 INFIT脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略及特點(diǎn)

3.1 INFIT自動(dòng)控制系統(tǒng)總體配置

INFIT控制系統(tǒng)是獨(dú)立于DCS系統(tǒng)以外的一套軟、硬件一體化的控制系統(tǒng)，可通過(guò)DCS系統(tǒng)的通訊模塊融入到DCS系統(tǒng)中。與DCS通過(guò)MODBUS通訊方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。INFIT控制系統(tǒng)以PLC作為硬件平臺(tái)，采用SCL、STL語(yǔ)言（匯編語(yǔ)言）開(kāi)發(fā)了所有的高級(jí)控制算法模塊，并通過(guò)面向?qū)ο蟮姆庋b技術(shù)，建立了類似一般DCS系統(tǒng)組態(tài)的函數(shù)庫(kù)，通過(guò)函數(shù)調(diào)用完成機(jī)組優(yōu)化控制工程。與DCS系統(tǒng)通過(guò)MODBUS通訊方式交換數(shù)據(jù)，取得機(jī)組負(fù)荷、NOx濃度、NOx設(shè)定值、AGC指令、標(biāo)定信息等數(shù)據(jù)，并將PLC內(nèi)部?jī)?yōu)化計(jì)算后的控制指令傳送至DCS系統(tǒng)。

INFIT控制系統(tǒng)的應(yīng)用無(wú)需改變DCS系統(tǒng)的原有控制功能，通過(guò)DCS操作畫面上的投/切按鈕，運(yùn)行人員可以自由選擇噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)是受控于INFIT系統(tǒng)或者是原DCS系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生通訊故障、INFIT系統(tǒng)故障、I/O信號(hào)故障時(shí)INFIT控制系統(tǒng)立即交出控制權(quán)，機(jī)組可平穩(wěn)過(guò)渡到原DCS控制的合理運(yùn)行方式下。

3.2 INFIT自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略及特點(diǎn)

3.2.1 INFIT自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略

針對(duì)公司#4機(jī)組SCR脫硝過(guò)程的特點(diǎn)，采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，提出了新型的脫硝噴氨自動(dòng)控制方案，控制策略圖如圖1所示。

3.2.2 INFIT自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略特點(diǎn)

（1）直接以考核指標(biāo)作為控制目標(biāo)。INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)直接以煙囪排口的NOx濃度測(cè)量值作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，對(duì)控制效果的評(píng)估可以直接以環(huán)?？己酥笜?biāo)為依據(jù)，同時(shí)也為正常運(yùn)行中的運(yùn)行調(diào)整帶來(lái)極大的方便。

（2） 整個(gè)控制策略以預(yù)測(cè)控制為基礎(chǔ)。采用針對(duì)SCR脫硝控制系統(tǒng)的大滯后特性，INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用了目前國(guó)際上最前沿的預(yù)測(cè)控制技術(shù)，同時(shí)融合改進(jìn)的狀態(tài)變量控制、相位補(bǔ)償控制技術(shù)，取代了原有的常規(guī)PID控制。采用這種技術(shù)能夠提前預(yù)測(cè)被調(diào)量的未來(lái)變化趨勢(shì)，而后根據(jù)被調(diào)量的未來(lái)變化量進(jìn)行控制，有效提前調(diào)節(jié)過(guò)程，從而大幅提高了脫硝系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力。

（3）進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性校正和補(bǔ)償。采用智能前饋技術(shù)對(duì)脫硝控制系統(tǒng)的各種擾動(dòng)因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從反應(yīng)源頭及時(shí)消除煙囪排口NOx濃度的波動(dòng)。同時(shí)INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)采用競(jìng)爭(zhēng)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來(lái)實(shí)時(shí)校正上述動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法中的各項(xiàng)特性參數(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)的狀態(tài)，控制性能不斷向最優(yōu)目標(biāo)逼近。

（4）增加針對(duì)AGC指令多變情況下的特別節(jié)氨算法。國(guó)內(nèi)機(jī)組AGC運(yùn)行的特點(diǎn)是指令變化頻繁，此時(shí)NOx濃度也將受影響而反復(fù)波動(dòng)，此時(shí)控制系統(tǒng)若仍采用常規(guī)控制策略，極易因反饋調(diào)節(jié)作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩情況，使控制性能明顯變差，增加氨氣消耗量。INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組AGC指令的變化規(guī)律，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)NOx濃度的波動(dòng)，調(diào)整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，從而減少不必要的控制調(diào)節(jié)，使氨氣消耗明顯減少。

（5） 對(duì)個(gè)測(cè)量?jī)x表數(shù)據(jù)在線評(píng)估，實(shí)時(shí)調(diào)整控制權(quán)重。INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，不斷對(duì)各NOx測(cè)量?jī)x表的數(shù)值進(jìn)行在線評(píng)估，發(fā)現(xiàn)失真現(xiàn)象后立即調(diào)整該測(cè)量參數(shù)在控制系統(tǒng)中的權(quán)重占比，將部分測(cè)量值失真給控制系統(tǒng)造成的影響降至最低，從而保證脫硝控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

4 INFIT脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

在DCS脫硝畫面中增加INFIT噴氨自動(dòng)投退按鈕、煙囪運(yùn)行模式投切按鈕，投入INFIT控制按鈕后，如將煙囪運(yùn)行模式按鈕投入時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)INFIT控制系統(tǒng)對(duì)煙囪排口氮氧貨物的控制，如煙囪運(yùn)行模式按鈕未投入則對(duì)A、B側(cè)脫硝出口氮氧化物自動(dòng)控制。INFIT噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)投入與退出均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)擾切換，如圖2、圖3所示。

INFIT控制系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，脫硝噴氨自動(dòng)投入率、出口NOx控制品質(zhì)明顯改善，在變負(fù)荷工況時(shí)，入口NOx大幅波動(dòng)，但煙囪排口均在設(shè)定值范圍內(nèi)波動(dòng)，上下波動(dòng)范圍不超過(guò)10mg/m3，控制品質(zhì)及系統(tǒng)穩(wěn)定明顯提高，如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)近半年多時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，INFIT控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，控制品質(zhì)好；調(diào)節(jié)較靈敏，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷大幅度變化及制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)切換等工況變化。采用針對(duì)機(jī)組AGC運(yùn)行方式下的特別優(yōu)化算法，使得煙囪入口的NOx濃度波動(dòng)幅度更小，NOx控制目標(biāo)的設(shè)定數(shù)值可以更加接近于環(huán)?？己酥?，脫硝系統(tǒng)的氨氣消耗量將明顯降低，同時(shí)當(dāng)INFIT控制系統(tǒng)出現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)異?；蛳到y(tǒng)故障時(shí)，可無(wú)擾切換至常規(guī)控制有利于機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行要求。在滿足國(guó)家環(huán)保要求的前提了提高了機(jī)組的自動(dòng)化水平，有著廣闊的運(yùn)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]馬瑞，黎明.脫硝噴氨自動(dòng)控制在大型火電廠中應(yīng)用案例分析[C].2015年全國(guó)發(fā)電廠熱工自動(dòng)化專業(yè)年會(huì)及熱控專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)論文集，2015.

[2]呂劍虹。預(yù)測(cè)控制在熱工過(guò)程控制中的應(yīng)用研究[D].東南大學(xué)，1990.

[3]南京英納維特自動(dòng)化工程有限公司[C].現(xiàn)代火電機(jī)組SCR脫硝控制的先進(jìn)解決方案，2011.

作者簡(jiǎn)介

田猛（1984-），男，工程師，從事電廠熱工設(shè)備維護(hù)及技術(shù)管理工作。

作者單位

淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司安全生產(chǎn)部 江蘇省淮安市 223002