基于尿素?zé)峤鉅t的SCR脫硝系統(tǒng)控制研究與應(yīng)用

祝寶營(yíng)

（北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

光伏、風(fēng)電等新能源的投運(yùn)并網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組深度調(diào)峰的要求越來(lái)越高?？焖偕地?fù)荷、頻繁啟停磨煤機(jī)等工況都會(huì)造成脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口和煙囪入口NOx質(zhì)量濃度的劇烈波動(dòng)，使得脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)難以投入?？紤]機(jī)組及周圍環(huán)境的安全性，新建機(jī)組開(kāi)始使用尿素溶液利用尿素?zé)峤鉅t制備氨氣進(jìn)行SCR脫硝。利用尿素?zé)峤鉅t制備氨氣需要控制進(jìn)入尿素?zé)峤鉅t的尿素溶液量，并且制備完的氨氣同時(shí)進(jìn)入A側(cè)SCR反應(yīng)器和B側(cè)SCR反應(yīng)器，且以脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx濃度的平均值作為被調(diào)量，這相對(duì)于可以分別獨(dú)立控制的使用液氨作為還原劑的SCR 脫硝系統(tǒng)更難控制。楊宏民［1］等分析了尿素溶液流量、溫度、噴槍位置、煙氣中NOx含量和尿素溶液濃度對(duì)脫硝效率的影響；周洪煜［2］等提出了基于混結(jié)構(gòu)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Mixed Structure Radial Basis Function Neural Network，MSRBFNN）的控制策略實(shí)現(xiàn)最優(yōu)噴氨量控制；武寶會(huì)［3］等分析了煙氣流量、氨流量、NOx濃度等測(cè)量過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決措施，同時(shí)也提出了控制氨逃逸率的技術(shù)方法；張秉權(quán)［4］提出了以脫硝效率自動(dòng)控制回路投入為前提的SCR反應(yīng)器出口NOx濃度控制策略。

基于尿素?zé)峤鉅t的煤電機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)建立脫硝系統(tǒng)控制模型，在尿素溶液控制策略中利用主蒸汽流量測(cè)量的準(zhǔn)確性間接計(jì)算噴氨量，加入機(jī)組負(fù)荷變化率、反應(yīng)器入口氮氧化物濃度變化率、啟停磨煤機(jī)預(yù)判、煙囪入口NOx質(zhì)量濃度等控制變量參與尿素溶液的調(diào)節(jié)。

1 機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)介紹

現(xiàn)考慮廠區(qū)的安全性，要求用尿素?zé)峤鉅t替代液氨儲(chǔ)罐，利用尿素溶液自制NH3，尿素?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)式為

以某電廠660 MW 超超臨界機(jī)組為例，介紹基于尿素?zé)峤鉅t的SCR 脫硝調(diào)節(jié)控制策略。機(jī)組配備一套尿素?zé)峤庀到y(tǒng)，其中包括1 支大噴槍（0～1 m3/h）和6 支小噴槍（0～0.3 m3/h），機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)只投入小噴槍。

采用液氨進(jìn)行脫硝時(shí)，脫硝系統(tǒng)兩側(cè)反應(yīng)器的脫硝控制回路分別獨(dú)立控制，液氨量獨(dú)立調(diào)節(jié)；然而基于尿素?zé)峤鉅t的脫硝系統(tǒng)，反應(yīng)器兩側(cè)共用一個(gè)脫硝調(diào)節(jié)回路，兩側(cè)的控制被緊密耦合在一起，控制難度更大。針對(duì)現(xiàn)有火電機(jī)組利用尿素?zé)峤鉅t進(jìn)行脫硝存在的若干問(wèn)題，提出了新的控制策略，通過(guò)實(shí)踐證明，應(yīng)用新的控制策略后，機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況、升負(fù)荷、降負(fù)荷、啟停磨煤機(jī)以及CEMS 吹掃等工況下脫硝自動(dòng)可連續(xù)穩(wěn)定投入運(yùn)行，達(dá)到了電廠對(duì)運(yùn)行人員嚴(yán)苛的脫硝控制要求（部分電廠要求煙囪入口NOx質(zhì)量濃度小時(shí)均值30～45 mg/m3，煙囪入口NOx質(zhì)量濃度瞬時(shí)值不得連續(xù)超過(guò)50 mg/m3，5min），極大地減少了超標(biāo)次數(shù)。

2 脫硝系統(tǒng)建模

在搭建新的脫硝控制策略前，首先需要建立脫硝系統(tǒng)控制模型，分析系統(tǒng)模型參數(shù)和特性。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)脫硝控制系統(tǒng)的輸入施加適當(dāng)?shù)碾A躍激勵(lì)，觀察并記錄噴槍的尿素溶液流量變化、脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度變化情況。利用粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）對(duì)脫硝系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)［5-6］。對(duì)單個(gè)尿素調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度從零開(kāi)始進(jìn)行階躍增加，每次開(kāi)度增加10%，待尿素流量穩(wěn)定后再增加10%，直至調(diào)節(jié)閥門全開(kāi)至100%。在DCS 中記錄好調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度、尿素溶液量和SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度。

利用PSO 算法辨識(shí)尿素溶液量和SCR 反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度的傳遞函數(shù)。對(duì)尿素溶液量和SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行零初始值處理，即選取工況變化前5 個(gè)點(diǎn)的均值作為初始值，工況變化后的數(shù)值與初始值作差，處理后的結(jié)果如圖1所示。

圖1 原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)曲線

利用PSO 算法辨識(shí)尿素溶液量與SCR 反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度傳遞函數(shù)，采用全局尋優(yōu)方式，粒子位置和速度更新如式（1）所示。

4.1 溫室消毒：按溫室空間，每立方米用硫磺4克加80%DDV0.1克和鋸末8克混合均勻后點(diǎn)燃封閉一晝夜，再打開(kāi)風(fēng)口大放風(fēng)。

式中：c1、c2為學(xué)習(xí)因子，經(jīng)過(guò)調(diào)試，c1=0.4，c2=0.8；rand（1）為在［0，1］范圍內(nèi)變化的隨機(jī)數(shù)；Vb（ii）為個(gè)體歷史最優(yōu)解；Vbg為群體歷史最優(yōu)解；V（i）為粒子當(dāng)前位置，ΔV（i）為當(dāng)前速度；w(k)為慣性權(quán)重，隨著優(yōu)化的進(jìn)行，逐漸降低自身權(quán)重，變化如式（2）所示。

式中：wmax為最大慣性權(quán)重，wmin為最小慣性權(quán)重，S為最大迭代次數(shù)，k為當(dāng)前迭代次數(shù)。

最后得到尿素溶液量與SCR 反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度之間的傳遞函數(shù)G1(s)如式（3）所示，辨識(shí)結(jié)果如圖2 所示，式（3）給出了帶滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)傳遞函數(shù)，為后續(xù)參數(shù)標(biāo)定提供了理論參考。

圖2 尿素溶液量與SCR出口NOx濃度辨識(shí)結(jié)果

同理，對(duì)單個(gè)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行模型辨識(shí)，得到單個(gè)尿素調(diào)門的閥門開(kāi)度與尿素溶液量之間的傳遞函數(shù)G2(s)如式（4），辨識(shí)結(jié)果如圖3所示。

圖3 單個(gè)尿素調(diào)門開(kāi)度與尿素溶液量辨識(shí)結(jié)果

3 SCR脫硝控制系統(tǒng)

3.1 串級(jí)PID加前饋控制策略

結(jié)合建立的脫硝系統(tǒng)控制模型，綜合分析后制定基于尿素?zé)峤鉅t的串級(jí)PID 加前饋的脫硝調(diào)節(jié)控制策略為：主PID 回路調(diào)節(jié)脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度，并對(duì)所需要脫除的NOx量進(jìn)行修正，主PID 回路設(shè)定值為運(yùn)行人員期望的脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度值，過(guò)程值為脫硝系統(tǒng)兩側(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度平均值。副PID 回路調(diào)節(jié)每支小噴槍的尿素溶液量，副PID 回路的輸出加上脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度變化率、鍋爐負(fù)荷變化率、磨煤機(jī)啟停預(yù)判等四個(gè)前饋?zhàn)饔玫矫恐姌?，控制策略框圖如圖4所示［7］。

理論尿素溶液量的計(jì)算如式（5）所示。

式中：F為所需的理論尿素溶液量，m3/h；Q為機(jī)組的主蒸汽流量，t/h；Cin為脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口的NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；Csp為脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口的NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值，mg/m3；α 為系數(shù)，根據(jù)NH3摩爾質(zhì)量、尿素分子摩爾質(zhì)量、尿素溶液純度、尿素溶液密度、尿素?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)式、主蒸汽流量、機(jī)組額定煙氣流量和額定主蒸汽流量計(jì)算得到。本實(shí)施例中，NH3與NO2的反應(yīng)摩爾比取0.85，計(jì)算后的α為1.173 37×10-6。

在圖4中，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器兩側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度的平均值作為PID1 控制回路過(guò)程值，運(yùn)行人員設(shè)置的脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度值作為PID1控制回路的設(shè)定值。為了保證NOx測(cè)量的準(zhǔn)確性，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器A/B 兩側(cè)入口和出口NOx測(cè)點(diǎn)需要定期進(jìn)行吹掃。當(dāng)A 側(cè)進(jìn)行吹掃時(shí)，過(guò)程值自動(dòng)選擇B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度值；同樣，當(dāng)B側(cè)進(jìn)行吹掃時(shí)，過(guò)程值自動(dòng)選擇A側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度值。

圖4 脫硝控制策略SAMA圖

脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口NOx過(guò)程值減去出口NOx設(shè)定值得到需要脫除的NOx量，PID1 控制回路的輸出對(duì)需要脫除的NOx量進(jìn)行修正，得到實(shí)際需要脫除的NOx量，再根據(jù)式（5）乘以主蒸汽流量得到理論尿素溶液量。根據(jù)實(shí)際投運(yùn)的尿素噴槍數(shù)量，將總的理論尿素溶液量平均分配到每個(gè)小噴槍，即為單個(gè)噴槍調(diào)門的理論尿素溶液量。本實(shí)施例中，PID1控制回路的比例系數(shù)Kp=0.92，積分時(shí)間Ti=85 s。PID2 控制回路的比例系數(shù)Kp=0.11，積分時(shí)間Ti=60 s。

為了克服脫硝系統(tǒng)大滯后的特點(diǎn)，在本控制策略中增加四個(gè)前饋，具體如下。

1）前饋一為脫硝系統(tǒng)入口氮氧化物濃度變化率，即當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口氮氧化物濃度增加時(shí)，增大噴槍調(diào)門開(kāi)度；當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口氮氧化物濃度降低時(shí)，減小噴槍調(diào)門開(kāi)度。最后經(jīng)過(guò)函數(shù)f（x1）將入口氮氧化物濃度變化率轉(zhuǎn)換為噴槍調(diào)門開(kāi)度，函數(shù)f（x1）設(shè)置如表1所示。

表1 函數(shù)f1（x）參數(shù)

2）前饋二為機(jī)組鍋爐負(fù)荷的變化率，即在機(jī)組鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度會(huì)增加，提前增加尿素噴槍開(kāi)度；在機(jī)組鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度會(huì)減少，提前減少尿素噴槍開(kāi)度。引入機(jī)組鍋爐負(fù)荷變化率做前饋避免了采用電負(fù)荷時(shí)因抽汽量發(fā)生變化而電負(fù)荷不變的情況。最后經(jīng)過(guò)函數(shù)f（x2）將鍋爐負(fù)荷變化率轉(zhuǎn)換為尿素噴槍調(diào)門開(kāi)度，函數(shù)f（x2）設(shè)置如表2所示。

表2 函數(shù)f（x2）參數(shù)

3）前饋三為脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度與設(shè)定值偏差的函數(shù)，當(dāng)脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度與設(shè)定值偏差較大時(shí)，通過(guò)此前饋，可快速改變噴槍調(diào)門開(kāi)度，調(diào)整尿素溶液量，最后經(jīng)過(guò)函數(shù)f（x3）將此偏差轉(zhuǎn)換為尿素噴槍調(diào)門開(kāi)度。

4）前饋四為磨煤機(jī)啟停預(yù)判邏輯，磨煤機(jī)的每次啟停一般都會(huì)造成脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度過(guò)高或過(guò)低，給運(yùn)行人員帶來(lái)困擾。因此在啟磨煤機(jī)時(shí)，檢測(cè)到磨煤機(jī)已合閘并且給煤量大于所設(shè)閾值時(shí)，逐漸增加尿素溶液量，維持一定時(shí)間后再逐漸降為零；在停磨煤機(jī)時(shí)，檢測(cè)到磨煤機(jī)已合閘（合閘信號(hào)30 min 后有效）并且給煤量小于所設(shè)閾值時(shí)，逐漸減少尿素溶液量，維持一定時(shí)間后再逐漸降為零。這亦完全符合運(yùn)行人員日常操作習(xí)慣。

為了避免脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口和煙囪入口處NOx質(zhì)量濃度值長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高或過(guò)低，在PID2 控制回路增加閉鎖增和閉鎖減功能。閉鎖增功能在即使計(jì)算結(jié)果要求繼續(xù)增大噴槍調(diào)門開(kāi)度時(shí)也不能再繼續(xù)增加；閉鎖減功能在即使計(jì)算結(jié)果要求繼續(xù)減小噴槍調(diào)門開(kāi)度時(shí)也不能再繼續(xù)減小。

閉鎖增功能是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置最高尿素溶液流量上限，當(dāng)PID2 的計(jì)算結(jié)果超出上限時(shí)，輸出維持上限值不變；閉鎖減功能是根據(jù)機(jī)組運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置最低尿素溶液流量下限，當(dāng)PID2 的計(jì)算結(jié)果低于下限時(shí)，輸出維持下限值不變。

因尿素調(diào)節(jié)門的非線性特性容易造成噴槍投入自動(dòng)后尿素溶液量忽大忽小，因此尿素溶液指令先經(jīng)過(guò)尿素調(diào)門特性曲線，然后作用到每支尿素噴槍。本實(shí)施例中，利用建立單個(gè)尿素噴槍調(diào)門開(kāi)度與尿素溶液量模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算調(diào)門流量特性曲線，得到函數(shù)f（x4）如表3所示。

表3 函數(shù)f4（x）參數(shù)

3.2 應(yīng)用效果

應(yīng)用新的脫硝控制策略后，機(jī)組脫硝控制效果如圖5 所示，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口氮氧化物濃度和煙囪入口氮氧化物濃度均穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

圖5 機(jī)組在升負(fù)荷且啟磨煤機(jī)過(guò)程的脫硝調(diào)節(jié)控制效果

1）機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況（515 MW）下，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度可控制在設(shè)定值±7 mg/m3范圍內(nèi)。

2）機(jī)組在減負(fù)荷和脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口A 側(cè)/B側(cè)CEMS 吹掃時(shí)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度可控制在設(shè)定值±7 mg/m3范圍內(nèi)。

3）機(jī)組在升負(fù)荷且啟C 磨煤機(jī)時(shí)，脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度超過(guò)50 mg/m3的時(shí)間為57 s。

4）機(jī)組脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度值階躍擾動(dòng)測(cè)試由45 mg/m3降至30 mg/m3的試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)230 s后反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度收斂至設(shè)定值。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全有效運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的前提，考慮尿素溶液易結(jié)晶影響調(diào)節(jié)門的線性度，建議定期對(duì)尿素調(diào)節(jié)門進(jìn)行沖洗，確保無(wú)堵塞情況；脫硝系統(tǒng)CEMS 儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性影響著NOx質(zhì)量濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)效果，建議加強(qiáng)對(duì)CEMS 儀表的校準(zhǔn)和維護(hù)。根據(jù)機(jī)組脫硝系統(tǒng)控制模型，結(jié)合機(jī)組中與NOx質(zhì)量濃度變化相關(guān)的因素，設(shè)計(jì)了基于尿素?zé)峤鉅t的脫硝控制策略，采用串級(jí)PID 加前饋控制，既可以快速消除尿素溶液壓力變化等內(nèi)擾的影響，又可以利用四個(gè)前饋量及時(shí)抑制NOx質(zhì)量濃度的變化，使脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度的變化始終滿足要求。