SCR脫硝系統(tǒng)噴氨精細調節(jié)技術應用及控制策略研究

胡國力

（北京達華潔能工程技術有限公司， 北京 100000）

0 引言

目前，相關SCR脫硝系統(tǒng)的科研技術已相對成熟，大量實踐證明，該系統(tǒng)在實際應用中對煙氣的脫硝率甚至可達到90%以上。近年來，產業(yè)經濟的高速發(fā)展在一定程度上增加了社會對能源的消耗，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國對煤炭類物質的消耗量在國際中處于居高不下的水平。而煤炭屬于一種化石類燃料，此類燃料在燃燒中會發(fā)生較為復雜的化學反應，在供應企業(yè)生產所需能量的同時，釋放大量的氮氧化物質、硫化物質、顆粒物以及粉塵等對大氣環(huán)境造成污染的物質。為實現(xiàn)對污染物的控制，生產單位開始進行SCR脫硝系統(tǒng)的推廣與使用，但該系統(tǒng)是一個多參數(shù)、多影響變量協(xié)同控制的系統(tǒng)，系統(tǒng)在運行時，不僅需要考慮噴氨量對系統(tǒng)的脫硝效果的影響，還需要考慮系統(tǒng)在運行中的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在運行中的任何一個參數(shù)發(fā)生異常變化，都會對脫硝效果造成影響。因此，該文將根據(jù)現(xiàn)有工作的實際需求，以SCR脫硝系統(tǒng)為例，針對該系統(tǒng)在運行中的噴氨行為進行精細化調節(jié)設計，以此種方式實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的規(guī)范化控制。

1 SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣量與氨氣量測量

為實現(xiàn)對系統(tǒng)運行中噴氨量等參數(shù)的控制，發(fā)揮系統(tǒng)在實際應用中更高的效能與價值，應在設計方法前，輔助先進測量技術，對測試系統(tǒng)在運行中入口位置的煙氣量與氨氣量進行主動測量。

根據(jù)系統(tǒng)實際運行與進氣煙道分布，采用網格劃分技術，將系統(tǒng)在運行中的單側煙道劃分為長度×寬度=2×4的網格，在每個對應的網格區(qū)域內安裝一個系統(tǒng)運行采樣探頭。將探頭與量測儀表進行連接，探頭獲取的數(shù)據(jù)將通過量測儀表量測后進入煙氣分析儀。采用輪測的方式即可實現(xiàn)對系統(tǒng)入口位置煙氣量的測量。此過程可用公式（1）表示。

式中：為系統(tǒng)入口位置煙氣量，計算單位為mg/Nm；為網格總數(shù)；為探頭采樣數(shù)量；為量測儀表直接量測數(shù)據(jù)。

在此基礎上采用軟測量的方式對SCR脫硝系統(tǒng)入口位置的氨氣量進行測量，相比直接測量，軟測量是通過大量的實測數(shù)據(jù)間接計算得到的數(shù)據(jù)，此種數(shù)據(jù)采集方式可以避免由于分析儀采樣導致的反饋數(shù)據(jù)時效性差等問題。可以在量測過程中，根據(jù)脫硝系統(tǒng)中輸入燃料量、進風量及其運行工況等參數(shù)，采用多元線性回歸計算的方式，進行脫硝系統(tǒng)入口氨氣量的計算。如公式（2）所示。

式中：為脫硝系統(tǒng)入口氨氣量計算單位為mg/Nm；為輸入燃料量；為進風量；為運行工況；為多元線性回歸方程式。

通過上述方式，完成對系統(tǒng)入口位置多種參數(shù)的測量與計算。

2 基于偏差系數(shù)計算的噴氨補償與主動調節(jié)

掌握脫硝系統(tǒng)多種運行條件后，該文采用對系統(tǒng)在運行中偏差系數(shù)的計算進行噴氨量的實時補償，確保系統(tǒng)在運行中噴氨量隨著系統(tǒng)入口煙氣濃度的變化而發(fā)生變化。在此過程中，將測量儀安裝在系統(tǒng)煙氣反應器位置，按照上文方式獲取反應器出口截面位置氮氧化物的濃度與分布情況，當?shù)趸镔|的分布較密集或濃度較高時，可采用增加反應器噴氨管道支管調節(jié)閥的方式進行噴氨開度的調節(jié)。調節(jié)過程如公式（3）所示。

式中：為氮氧化物濃度；為噴氨補償；為入口煙氣濃度的變化變化系數(shù)；為反應器噴氨管道支管調節(jié)閥數(shù)量；為反應器噴氨管道支管直徑；為反應器噴氨管道支管調節(jié)閥流通速度。

在此基礎上，當?shù)趸镔|的分布較稀疏或濃度較低時，可采用減小反應器噴氨管道支管調節(jié)閥的方式進行噴氨開度的控制。按照上述方式進行噴氨量的不同調整，通過此種方式控制截面出口位置氮氧化物濃度的標準差在15%范圍內。此過程如公式（4）所示。

式中：為脫硝系統(tǒng)在運行中反應器某點位置的氮氧化物濃度；為截面出口位置氮氧化物濃度的標準差，在計算

公式（4）中的的計算如公式（5）所示。

式中：為出口截面面積；為偏差系數(shù)；為偏差允許范圍。

通過上述方式得到滿足＜15%時的所有取值，以此為依據(jù)，進行系統(tǒng)噴氨反應器調節(jié)閥調節(jié)開度的調整。調節(jié)過程中，需要全面考慮前端脫硝系統(tǒng)在運行過程中的發(fā)電負荷、煙氣量、爐膛含氧量等技術參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的變化，結合相關工作的實際情況，在隱藏層進行噴氨參數(shù)設定的優(yōu)化，通過此種方式，實現(xiàn)在系統(tǒng)不同運行工況下的噴氨量的補償與主動調節(jié)。

3 基于PID技術的噴氨分區(qū)均衡控制

完成上述設計后，為實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的進一步控制，該文引進PID技術對脫硝系統(tǒng)在運行中噴氨分區(qū)的均衡進行控制?？刂七^程中，將SCR脫硝系統(tǒng)的運行機理作為參照，建立預測模型。通過對前端反應值的評估，掌握系統(tǒng)運行與氨氣的需求量，根據(jù)對氨氣需求量的反饋與校正，進行系統(tǒng)的主動控制。此過程如公式（6）所示。

式中：為噴氨主動控制過程；Δ為氨氣的需求量；為反饋系數(shù)；為校正系數(shù)；為預測數(shù)值。

在上述內容的基礎上，在系統(tǒng)不同網格分區(qū)內安裝分區(qū)調節(jié)閥，采用解耦的方式進行系統(tǒng)內不同分區(qū)的平衡處理。平衡處理過程如公式（7）所示。

處理過程中，為確保各個分區(qū)的平衡性，可引進神經網絡技術，將歸一化參數(shù)錄入神經網絡中，在網絡中進行參數(shù)的優(yōu)化。將優(yōu)化后的參數(shù)引入軟測量模型中，對系統(tǒng)運行過程中的相關參數(shù)進行實時跟蹤。結合系統(tǒng)內不同分區(qū)的平衡處理過程誤差和期望誤差，對神經網絡進行權重、閾值的修正，并對訓練數(shù)據(jù)進行更新，利用轉變學習率來提高網絡的系統(tǒng)內不同分區(qū)的平衡處理的精度。分區(qū)調節(jié)閥可設置上、下限的調節(jié)，調節(jié)過程中，應設定一定的調節(jié)范圍，以此確保系統(tǒng)可以在有效線性范圍內運行。通過此種方式，使系統(tǒng)不同分區(qū)在脫硝處理過程中可以適應機組運行的調峰要求，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內不同分區(qū)的平衡處理，以此達到PID自適應控制的目的。此過程如公式（8）所示。

式中：為噴氨控制量；為解耦算法；為調峰值；為分區(qū)數(shù)量。

輸出控制量，按照預設的控制量進行系統(tǒng)控制，檢測控制后系統(tǒng)出口位置氮氧濃度與分布，當檢測結果符合國家要求的脫硝處理標準后，即可認為完成了控制方法的設計。反之，當檢測結果不符合標準時，說明補償?shù)膰姲绷课茨芡耆l(fā)揮效果，可以采用加大單元網格劃分數(shù)量的方式，提高氨氣與氮氧化物質的反應接觸面，進一步實現(xiàn)對反應過程的優(yōu)化。

4 實例應用分析

在完成針對SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨調節(jié)與控制方法設計后，下述將以某地區(qū)大型電廠作為試點單位，使用該文設計的方法進行SCR脫硝系統(tǒng)的控制效果檢驗。根據(jù)大量的實踐與電廠企業(yè)負責人反饋的信息，對SCR脫硝系統(tǒng)在運行中入口位置煙氣參數(shù)進行統(tǒng)計，見表1。

表1 SCR脫硝系統(tǒng)運行中入口煙氣參數(shù)

在應用該文方法前，檢測SCR脫硝系統(tǒng)運行中入口煙氣的壓力（Pa）、溫度（攝氏度）、濃度（g/Nm）等參數(shù)。將此部分數(shù)據(jù)作為試驗中的參照數(shù)據(jù)。

根據(jù)此電廠負責人反饋，企業(yè)針對SCR脫硝系統(tǒng)的運行，采用的是復合控制方法進行噴氨量的控制與主動調節(jié)。獲取SCR脫硝系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)，分析在控制前，SCR脫硝系統(tǒng)的運行工況。如圖1所示。

在圖1中，曲線A表示測試系統(tǒng)在實際運行中入口位置氮氧化物質的濃度或含量；曲線B表示測試系統(tǒng)入口位置噴氨量；曲線C表示測試系統(tǒng)在實際運行中出口位置氮氧化物質的濃度或含量。

根據(jù)圖1中3條曲線的變化趨勢可以看出，噴氨量并未能隨著入口氮氧化物值的濃度的變化而發(fā)生變化，進而導致出口氮氧化物值的濃度變化曲線的波動幅度較大。盡管出口氮氧化物值的濃度已呈現(xiàn)一定的降低趨勢，但此種控制模式極易導致機組在運行中出現(xiàn)高負荷問題，進而導致脫硝系統(tǒng)的脫硝效果不理想。綜上所述，該電廠現(xiàn)行應用的脫硝系統(tǒng)控制方法對系統(tǒng)運行的控制效果較差。

圖1 精細控制前SCR脫硝系統(tǒng)的運行工況

在此基礎上，使用該文設計的方法對系統(tǒng)的運行過程進行主動、精細化控制?？刂七^程中，先使用先進測量技術進行系統(tǒng)入口位置煙氣參數(shù)的量測，掌握進入煙氣的參數(shù)條件后，通過計算偏差系數(shù)的方式實現(xiàn)氨氣量補償，以此種方式，實現(xiàn)對系統(tǒng)噴氨的主動控制與精細調節(jié)。在此基礎上，引進PID技術實現(xiàn)系統(tǒng)運行的控制，擺脫系統(tǒng)在運行中受到外界環(huán)境或其他因素干擾的問題。

將集成該文控制方法后的SCR脫硝系統(tǒng)投入使用，根據(jù)系統(tǒng)的實時運行工況，對系統(tǒng)入口物質、出口位置導入煙氣等物質的濃度、噴氨量參數(shù)進行主動獲取。同時，通過實時數(shù)據(jù)捕捉技術，將SCR脫硝系統(tǒng)在運行中的實時參數(shù)繪制成曲線圖，如圖2所示。

圖2 精細控制后SCR脫硝系統(tǒng)的運行工況

在圖2中，曲線A1表示控制后SCR脫硝系統(tǒng)運行中入口氮氧化物值的濃度；曲線B1表示控制后SCR脫硝系統(tǒng)運行中的噴氨量；曲線C1表示控制后SCR脫硝系統(tǒng)運行中出口氮氧化物值的濃度。

根據(jù)圖2中3條曲線的變化趨勢可以看出，使用該文設計的調節(jié)與控制方法進行SCR脫硝系統(tǒng)的運行控制，可以確保系統(tǒng)在運行過程中，噴氨量隨著入口氮氧化物值濃度的變化而發(fā)生變化，即確保系統(tǒng)在運行中不同物質濃度具有較強的平衡性。同時，在此種控制模式下，SCR脫硝系統(tǒng)出口氮氧化物值的濃度也被控制在了一個較低的數(shù)值。

綜上所述可得出該文試驗的最終結論：此次設計的噴氨精細調節(jié)與控制方法，在實際應用中具有較好的控制效果，可以實現(xiàn)在控制噴氨量的同時，降低系統(tǒng)運行出口氮氧化物值的濃度，進而發(fā)揮系統(tǒng)更高的效能。

5 結語

該文研究的SCR脫硝系統(tǒng)，其本質是一種使用催化試劑輔助煙氣脫硝的還原系統(tǒng)，通常系統(tǒng)在運行時將氨氣作為還原物質，將適量的氨氣注入系統(tǒng)中，將其系統(tǒng)煙道中的煙氣進行混合處理，在適宜的條件下，氨氣將與反應器中的氮氧類物質發(fā)生化學反應，進而將煙氣轉化為水體與氮氣。為發(fā)揮該系統(tǒng)更高的效能，該文從3個方面，以SCR脫硝系統(tǒng)為例，針對該系統(tǒng)在運行中的噴氨行為進行精細化調節(jié)設計。完成設計后，經過實踐檢驗證明了設計的控制方法在實際應用中具有良好效果，可以起到控制系統(tǒng)運行宏觀調節(jié)與綜合運行的效果。