300 MW火電機組脫硝控制策略設計與優(yōu)化

徐國飚

（華電江蘇能源有限公司，江蘇南京 210037）

0 引言

氮氧化物（NOx）污染是大氣污染的主要來源之一，而燃煤電廠則是NOx排放大戶，目前超低排放已成為燃煤電廠的“底線”指標[1-2]。關于如何提高脫硝系統(tǒng)的可用性，以往比較關注脫硝系統(tǒng)的設備構造、反應原理、運行操作方式等方面，隨著計算機技術和自動控制理論的發(fā)展，脫硝自動控制策略的優(yōu)化越來越引起業(yè)內(nèi)專家的廣泛關注[3-5]。如果脫硝自動無法正常投入，將對機組安全經(jīng)濟運行產(chǎn)生嚴重影響：

（1）NOx波動大，甚至經(jīng)常超標。為避免超標，不得不將NOx設定值置于較低水平，從而增加了液氨或尿素溶液等脫硝還原劑的消耗量，增加電廠運營成本。

（2）脫硝自動的調(diào)節(jié)性能差容易導致脫硝還原劑的過量加入，從而導致氨逃逸較高，過量的氨與煙氣中的硫化物反應生成硫酸氫銨，會堵塞空預器，危及下游設備安全經(jīng)濟運行。

（3）為避免環(huán)?？己?，往往需要專門安排運行人員調(diào)節(jié)脫硝控制，既增加運行工作量，又會制約機組變負荷能力，容易引起電網(wǎng)“兩個細則”考核及環(huán)?？己?。

當前，為響應國家“雙碳”目標的要求，越來越多的火電機組開展了靈活性改造，機組調(diào)峰深度需要達到20% 額定負荷甚至更低，以充分發(fā)揮火電機組調(diào)峰調(diào)頻的靈活性和對電網(wǎng)的基礎支撐作用。脫硝自動控制在寬負荷工況能夠取得良好的投入效果，既是保證脫硝環(huán)保參數(shù)達標的前提，也是機組參與深度調(diào)峰和空預器長周期安全運行的保障[6]。

某300MW火電機組，采用選擇性非催化還原法脫硝工藝，脫硝還原劑為尿素溶液。該機組自投運以來，脫硝控制調(diào)節(jié)效果較差，脫硝自動無法正常投入，煙囪出口NOx波動大、經(jīng)常超標。本文分析了原脫硝自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果不佳的原因，并針對脫硝系統(tǒng)的動態(tài)特性和運行狀況，提出了基于智能并行前饋的變參數(shù)串級控制優(yōu)化方案。實踐表明，優(yōu)化后，煙囪出口NOx非常穩(wěn)定，變負荷工況下，NOx控制偏差在±10mg/Nm3以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)工況下，NOx控制偏差在±6 mg/Nm3以內(nèi)，脫硝控制取得了良好的調(diào)節(jié)效果，顯著提升了機組運行的安全經(jīng)濟性。

1 原脫硝自動控制策略存在的問題

1.1 采用簡單的單回路PID 控制

原脫硝控制系統(tǒng)采用單回路PID 控制，以煙囪出口NOx為被調(diào)量，根據(jù)煙囪出口NOx設定值與被調(diào)量的偏差，通過簡單的PID 調(diào)節(jié)，輸出尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥的開度，最終控制煙囪出口NOx穩(wěn)定。

由于脫硝系統(tǒng)不是一個相對獨立的確定性調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還會受到機組變負荷、磨煤機啟停、鍋爐燃燒、風煤比控制等其他參數(shù)影響，這就使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制目標不準確，導致脫硝自動投入后效果差，負荷一旦變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)外干擾均較大，自動控制無法正常投入。

1.2 CEMS 系統(tǒng)反吹和標定的干擾影響

為了防止取樣管路堵塞，煙囪出口CEMS系統(tǒng)每隔一定時間會自動反吹、標定一次。在系統(tǒng)自動反吹和標定期間，將煙囪出口的NOx鎖定為反吹和標定前測量值，持續(xù)時間可長達5 min。由于CEMS反吹和標定的頻率高、時間長，調(diào)節(jié)對象無法實時反映脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NOx的變化量，會帶來以下兩方面問題：

（1）若仍按鎖定前的NOx值與設定值進行偏差調(diào)節(jié)，則脫硝自動控制容易出現(xiàn)超調(diào)，特別是在機組變負荷過程中，會導致調(diào)節(jié)系統(tǒng)大范圍波動，甚至出現(xiàn)振蕩發(fā)散的情況；

（2）若在CEMS系統(tǒng)反吹和標定期間不進行偏差調(diào)節(jié)，則無法及時克服機組運行工況變化對NOx的影響。

原脫硝控制系統(tǒng)在CEMS系統(tǒng)反吹和標定完成后，經(jīng)常會出現(xiàn)煙囪出口NOx瞬時超標的現(xiàn)象。

1.3 原脫硝自動控制效果分析

根據(jù)圖1可以看出，原脫硝自動控制效果較差，即使機組處于穩(wěn)態(tài)運行，煙囪出口NOx依然波動較大：

圖1 原脫硝自動控制效果曲線

（1）煙囪出口NOx偏差可達30 mg/Nm3。

（2）煙囪出口NOx周期性波動，無法穩(wěn)定。

這主要是由于脫硝實際調(diào)節(jié)過程表現(xiàn)出較大的非線性、遲滯性和不確定性，且是一個受多種因素制約影響的復雜系統(tǒng)，僅僅依靠魯棒性較差的單回路PID 控制器，難以獲得良好的調(diào)節(jié)效果。

即使機組負荷、鍋爐燃燒穩(wěn)定，受脫硝NOx濃度測量延時性、C EM S系統(tǒng)反吹和標定、閥門特性的非線性等因素影響，脫硝自動控制也很難調(diào)節(jié)穩(wěn)定。變負荷時，往往需要將脫硝控制切除自動，由運行人員手動干預維持煙囪出口NOx穩(wěn)定不超標，這一方面極大地增加了運行人員的工作強度，另一方面也容易導致尿素溶液的過調(diào)，不利于機組的安全經(jīng)濟運行。

因此，必須針對當前脫硝控制存在的問題，根據(jù)脫硝系統(tǒng)的動態(tài)特性及運行工況，開展脫硝控制策略的設計與優(yōu)化工作，提高脫硝自動控制的準確性與穩(wěn)定性。

2 脫硝控制策略的設計與優(yōu)化

采用基于智能并行前饋控制的變參數(shù)串級PID 控制策略，實現(xiàn)脫硝自動控制性能的優(yōu)化提升。

2.1 變參數(shù)串級PID 控制策略

（1）串級控制策略：以煙囪出口NOx為主PID 控制器的被調(diào)量，主PID 控制器輸出為尿素溶液流量設定值，作為副PID 控制器的設定值，副PID 控制器的被調(diào)量為實際尿素溶液流量，副PID 控制器的輸出為尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥指令。副PID 控制回路起到尿素溶液流量快速粗調(diào)的作用，主PID 控制回路起到煙囪出口NOx濃度細調(diào)的作用。

（2）變參數(shù)控制策略：由負荷指令構造主PID 控制器的比例增益函數(shù)和積分增益函數(shù)，同時根據(jù)煙囪出口NOx測量值及設定值偏差合理修正比例增益和積分增益。在CEMS反吹或標定時，比例作用減弱為原值的一半，積分作用切為0，不參與偏差調(diào)節(jié)，主要由前饋決定脫硝控制輸出；在CEMS反吹或標定結束5 min后，比例積分作用恢復正常調(diào)節(jié)作用，如圖2所示。

圖2 脫硝控制主PID 調(diào)節(jié)器變參數(shù)控制策略

（3）尿素溶液流量調(diào)閥的非線性校正：根據(jù)尿素溶液流量調(diào)閥開度指令與實際尿素流量的關系，構造副PID 調(diào)節(jié)器的比例增益函數(shù)，以校正尿素流量調(diào)閥的非線性。

2.2 智能并行前饋控制策略

（1）理論尿素溶液流量動態(tài)預估前饋：通過控制邏輯判斷煤量、風量、入口NOx與出口NOx設定偏差及偏差變化情況，動態(tài)預估理論尿素溶液流量前饋。該前饋也可有效解決因CEMS系統(tǒng)自動反吹和標定前后NOx濃度突變造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)不可控的情況，如圖3所示。

圖3 脫硝控制理論尿素溶液流量動態(tài)預估前饋

（2）變負荷前饋：根據(jù)變負荷幅度及變負荷速率，設計動態(tài)變負荷前饋，提前調(diào)整尿素溶液流量設定值，以降低因變負荷造成的NOx濃度波動，如圖4所示。

圖4 脫硝控制變負荷前饋

（3）啟停磨前饋：判斷磨煤機啟停狀態(tài)，提前調(diào)整尿素溶液流量設定值，以降低磨啟停期間NOx濃度的波動，如圖5所示。

圖5 脫硝控制啟停磨前饋

采用智能并行前饋控制策略，可不等到煙囪出口NOx發(fā)生變化，直接提前改變尿素溶液流量，有效克服脫硝控制系統(tǒng)的大慣性和遲滯性，提高脫硝控制響應速度，并保持煙囪出口NOx的穩(wěn)定。

3 優(yōu)化后脫硝自動控制效果分析

優(yōu)化后脫硝自動控制曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出：

圖6 優(yōu)化后脫硝自動控制曲線

（1）機組負荷變化范圍為285MW→205MW→280MW ；

（2）變負荷工況下，煙囪出口NOx偏差最大為10mg/Nm3；

（3）穩(wěn)態(tài)工況下，煙囪出口NOx偏差最大為6 mg/Nm3。

本文提出的基于智能并行前饋的變參數(shù)串級PID脫硝優(yōu)化控制策略具有較強的魯棒性，對大慣性、大遲延對象的控制效果有明顯改善，前饋信號和反饋信號共同構成了尿素溶液流量的實時設定值，保證了實際尿素溶液流量快速跟蹤其設定值。機組在AGC隨動控制方式下，脫硝控制一直投入自動運行，在變負荷和穩(wěn)態(tài)工況下，煙囪出口NOx波動較優(yōu)化前大幅減?。ū?），脫硝自動控制取得了良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

表1 優(yōu)化前后脫硝控制效果對比表

4 結語

脫硝系統(tǒng)是一個受機組負荷、鍋爐燃燒、磨煤機啟停、CEMS系統(tǒng)反吹和標定等因素影響的大遲滯、大慣性控制系統(tǒng)，簡單的單回路控制不能滿足脫硝調(diào)節(jié)要求。針對原脫硝控制策略存在的問題，通過引入基于智能并行前饋的變參數(shù)串級控制優(yōu)化策略，完善控制對象，使脫硝控制調(diào)節(jié)方式能適應不同工況的控制需求，煙囪出口NOx全時段保持穩(wěn)定可控，避免了由參數(shù)變化導致的煙囪出口NOx超標，脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)及穩(wěn)定性得到了很大的提高。

脫硝控制實現(xiàn)全程自動控制，具有以下主要優(yōu)點：

（1）煙囪出口NOx對機組工況變化的適應能力強，能降低運行人員工作強度，避免誤操作，避免環(huán)?？己?，最大程度減少氨逃逸量，有效緩解空預器堵塞問題，降低電廠運營成本；

（2）不會制約機組的變負荷能力，為機組提高“兩個細則”考核能力奠定基礎；

（3）有助于機組實施靈活性改造，提高機組深度調(diào)峰能力，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供保障。

該脫硝優(yōu)化控制策略的成功應用可為其他同類型機組實施脫硝控制優(yōu)化提供有益的借鑒。