基于模糊推理與均衡控制的脫硝實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

沈雪東

（1.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310000；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310000）

0 引言

中國(guó)煤炭生產(chǎn)在一次能源生產(chǎn)中占70%左右，這決定了中國(guó)的電力生產(chǎn)主要以燃煤為主?；鹆Πl(fā)電廠在燃燒煤炭發(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生了大量的粉塵、鎘、汞等重金屬氧化物，同時(shí)含有大量的SO2、NOX、CO2等有毒有害氣體。當(dāng)這些有毒有害氣體未經(jīng)處理直接排入大氣，將會(huì)造成嚴(yán)重的酸雨、霧霾、溫室效應(yīng)等環(huán)境污染問(wèn)題，是中國(guó)在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的難題之一。其中，NOX是繼SO2之后燃煤電站污染物治理的又一重點(diǎn)問(wèn)題。

選擇性催化還原法（SCR）技術(shù)已成為世界上應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的一種煙氣脫硝技術(shù)，占煙氣脫硝裝置總量的93%以上，運(yùn)行性能優(yōu)良的SCR裝置的脫硝效率高達(dá)99%以上。在脫硝系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中，噴氨量是決定脫硝效率的重要因素。當(dāng)噴氨量過(guò)少時(shí)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分，造成煙氣超標(biāo)排放；當(dāng)噴氨量過(guò)多時(shí)會(huì)造成氨逃逸量超標(biāo)，產(chǎn)生二次污染，同時(shí)容易引起空預(yù)器堵塞，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨變得尤為重要，既要保證氮氧化物達(dá)標(biāo)排放，又要控制氨逃逸在較低限值以內(nèi)。

圖1 1000MW/700MW/450MW負(fù)荷SCR進(jìn)出口NOX和NH3分布圖Fig.1 1000MW/700MW/450MW Load SCR import and export NOX and NH3 distribution map

1 SCR技術(shù)現(xiàn)存主要問(wèn)題

1.1 煙氣流場(chǎng)分布不均勻

一方面，SCR脫硝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段通常假設(shè)進(jìn)口煙氣流速、NOx濃度場(chǎng)分布均勻，并據(jù)此為邊界條件設(shè)計(jì)流場(chǎng)。然而，在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，以上兩個(gè)邊界條件很難滿足，通常會(huì)隨著磨組的搭配和切換，進(jìn)口NOx濃度分布不但不均勻，而且還不定常。另一方面，現(xiàn)階段SCR脫硝系統(tǒng)大都為后期改造加裝設(shè)備，脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時(shí)脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道狹長(zhǎng)，部分鍋爐爐型自身結(jié)構(gòu)更加劇了煙氣流場(chǎng)的復(fù)雜，導(dǎo)致濃度場(chǎng)分布不均勻。除此之外，另一個(gè)導(dǎo)致不均勻的因素是部分噴氨AIG的堵塞，會(huì)造成各分區(qū)內(nèi)噴氨量的變化和波動(dòng)。因此，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過(guò)量導(dǎo)致氨逃逸率超標(biāo)，影響空預(yù)器等煙道后部設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)也影響了SCR脫硝效率。

1.2 NOx在線測(cè)量數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)

當(dāng)今的SCR脫硝進(jìn)/出口NOx煙氣在線分析系統(tǒng)多采用單點(diǎn)抽取法測(cè)量，煙氣經(jīng)過(guò)采樣、凈化處理、分析等多道流程，系統(tǒng)本身比較復(fù)雜而且故障率較高。同時(shí)電廠煙道截面是非常大的，流場(chǎng)復(fù)雜，煙氣成分分布不均勻，如果想獲取真實(shí)準(zhǔn)確的煙氣污染物排放數(shù)據(jù)或者污染物分布情況，需要布置幾十套這樣的測(cè)量系統(tǒng)，就復(fù)雜程度和投資費(fèi)用上看也是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)主要采用手動(dòng)噴氨格柵調(diào)整的方法，該方法需要在機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定的工況下手動(dòng)對(duì)各個(gè)點(diǎn)單獨(dú)采樣測(cè)量，因其只能得到個(gè)別典型工況下的參考數(shù)據(jù)，所以也只能給出參考的量值。

1.3 機(jī)組變工況運(yùn)行

煙氣流在煙道內(nèi)的分布特性隨著機(jī)組負(fù)荷、磨組方式、燃燒器各個(gè)風(fēng)門開(kāi)度等因素的影響而變化。雖然每個(gè)噴氨支管配有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可在運(yùn)行調(diào)試期間根據(jù)脫硝出口NH3和NOx的分布情況，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)解決SCR反應(yīng)器入口煙氣分布不均勻的問(wèn)題，但是該方式僅是通過(guò)試驗(yàn)方法調(diào)整，在工況改變的情況下無(wú)法做到及時(shí)調(diào)整，也無(wú)法實(shí)施在線監(jiān)測(cè)SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙氣截面NOx分布情況，所以不能及時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)情況實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)噴氨小室的噴氨量，往往造成局部氨逃逸率升高或者NOx超標(biāo)排放。

2 優(yōu)化方案

2.1 AIG分區(qū)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

根據(jù)前期收集的數(shù)據(jù)分析該1000MW機(jī)組SCR進(jìn)口、出口沿爐寬度方向上NOx體積濃度分布規(guī)律，以及現(xiàn)場(chǎng)脫硝A/B側(cè)噴嘴數(shù)量、煙道尺寸等設(shè)備實(shí)際情況，基于SCR系統(tǒng)各噴氨小室“NOx/NH3等摩爾比優(yōu)化噴氨[1]”的理念，將脫硝A、B側(cè)各分8個(gè)區(qū)域，對(duì)原有噴氨手動(dòng)閥組進(jìn)行分區(qū)組合。為了解決手動(dòng)噴氨閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)噴氨量的在線調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙道狀況及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)手動(dòng)閥門進(jìn)行組合，前端加上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，可在線對(duì)噴氨量進(jìn)行控制。由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門上端線性好，正常工作中閥門開(kāi)度均大于50%開(kāi)度，即自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍是50%～100%。除此之外，根據(jù)脫硝A、B側(cè)8個(gè)分區(qū)情況，與之對(duì)應(yīng)在SCR的每側(cè)各安裝一套煙氣在線網(wǎng)格測(cè)量[5]系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)SCR各個(gè)分區(qū)進(jìn)/出口的NOx和O2進(jìn)行在線快速斷面掃描測(cè)量。

2.2 多模式模糊推理器

鑒于SCR系統(tǒng)現(xiàn)存的主要問(wèn)題，根據(jù)機(jī)組不同的工況組合，采用多模式模糊推理算法[2]計(jì)算出各區(qū)域噴氨調(diào)閥所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度作為控制前饋量，實(shí)現(xiàn)變工況下SCR出口NOx 濃度場(chǎng)的快速前饋控制。前饋控制器相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制器來(lái)說(shuō)具有快速響應(yīng)功能，有效克服了SCR系統(tǒng)滯后性大的難題。多模式模糊推理算法[6]根據(jù)專家?guī)鞌?shù)據(jù)和模糊決策系統(tǒng)，由離線計(jì)算得到相應(yīng)的控制查詢表，根據(jù)控制查詢表綜合分析影響SCR系統(tǒng)出口NOx 濃度分布的主要影響因子，確保該系統(tǒng)在變工況時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)噴氨閥門開(kāi)度進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

多模式模糊推理器的作用就是根據(jù)不同的工況組合推算出各個(gè)噴氨閥門所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度值輸出，再與傳統(tǒng)PID控制器的輸出疊加，作為噴氨調(diào)閥的最終開(kāi)度指令。多模式模糊推理器有6個(gè)輸入量分別為：負(fù)荷（LOAD）、磨組方式（MILL）、煙氣含氧量（O2）、SOFA風(fēng)、COFA風(fēng)和燃燒器擺角（TILT），8個(gè)輸出量分別對(duì)應(yīng)8個(gè)噴氨格柵調(diào)閥開(kāi)度。本工程首先利用多維模糊推理模型將變量模糊化，其次用隸屬度函數(shù)[3]計(jì)算相應(yīng)的隸屬度，最終應(yīng)用規(guī)則庫(kù)[2]的控制規(guī)則得到相應(yīng)閥門開(kāi)度的調(diào)整值。

在穩(wěn)定工況運(yùn)行條件下，首先將所有噴氨電動(dòng)閥門開(kāi)到85%，控制SCR出口NOx值不超標(biāo)。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)噴氨閥門，減小脫硝SCR出口NOx濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，使NOx分布更加均勻，并記錄當(dāng)前噴氨格柵閥門調(diào)節(jié)開(kāi)度和NOx濃度分布情況。然后，逐步調(diào)整MILL、O2、SOFA、COFA和TILT的大小并再次對(duì)各個(gè)閥門進(jìn)行微調(diào)，確保NOx濃度相對(duì)偏差在20%以內(nèi)。根據(jù)在不同運(yùn)行工況下100%、85%、75%、60%、50%、40%的調(diào)平試驗(yàn)得出的各個(gè)閥門開(kāi)度數(shù)據(jù)，建立規(guī)則庫(kù)，其中部分控制規(guī)則表單見(jiàn)表1。在表1中的模糊規(guī)則充分反映在不同工況組合下的8個(gè)噴氨電動(dòng)閥門開(kāi)度的前饋修正值，在機(jī)組變工況時(shí)起到很好的前饋修正作用。

表1 模糊規(guī)則庫(kù)Table 1 Fuzzy rule base

2.3 均衡控制器

多模式模糊控制系統(tǒng)雖然可以將SCR出口整體NOx濃度控制在限值內(nèi)，但對(duì)出口NOx濃度偏差無(wú)法達(dá)到“細(xì)調(diào)”的作用。因此，為了減小出口NOx的濃度偏差，考慮添加均衡控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的“細(xì)調(diào)”，構(gòu)成AIG噴氨優(yōu)化調(diào)平控制系統(tǒng)。均衡控制器[6]根據(jù)SCR出口各區(qū)域NOx濃度值和出口NOx均值的偏差補(bǔ)償修正各區(qū)域噴氨閥門開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)脫硝SCR出口NOx濃度值的均衡補(bǔ)償控制。

圖2 優(yōu)化的整體方案Fig.2 Optimized overall plan

均衡控制器[6]共設(shè)計(jì)8個(gè)輸入，對(duì)應(yīng)SCR出口8個(gè)在線測(cè)量的濃度NOxi與8個(gè)出口NOx平均值NOxave的差值；均衡控制器設(shè)計(jì)的8個(gè)輸出分別對(duì)應(yīng)各區(qū)域噴氨閥門指令的修正補(bǔ)償量。當(dāng)測(cè)得某區(qū)域出口NOx的偏差值大于設(shè)定的目標(biāo)偏差時(shí)，差值為正則開(kāi)大此區(qū)域閥門，反之則關(guān)小閥門。當(dāng)偏差值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，停止修正補(bǔ)償作用。均衡控制器具體公式如下：

公式中，Δf為噴氨調(diào)閥指令的修正補(bǔ)償量，在均衡控制器的調(diào)試過(guò)程中應(yīng)對(duì)該控制算法中的系數(shù)k+、k-進(jìn)行細(xì)調(diào)，直至最優(yōu)。

2.4 優(yōu)化的整體方案

（見(jiàn)圖2）

圖3 優(yōu)化前后氨逃逸對(duì)比圖和均勻性對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of ammonia escape and uniformity before and after optimization

3 結(jié)語(yǔ)

將模糊控制和均衡控制應(yīng)用在1000MW機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證各區(qū)域氨氮比精確控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了SCR噴氨在線優(yōu)化。特別是在變負(fù)荷工況下，滿足了脫硝工程中噴氨混合的需要，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，在滿足NOx達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)將氨逃逸控制到較低水平。

從均勻性數(shù)據(jù)比對(duì)分析，可清晰地看出SCR出口NOx分布標(biāo)準(zhǔn)偏差的改善。依據(jù)廣東電網(wǎng)電力科學(xué)研究院的《中德技術(shù)合作火電廠SCR煙氣脫硝裝置的運(yùn)行優(yōu)化和性能試驗(yàn)》提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)SCR催化劑使用年限預(yù)計(jì)有5%的提高。