張曉航

(中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司西北電力試驗研究院,陜西 西安 710021)

0 引言

《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》提出,到2025年,氮氧化物(NOx)排放總量需比2020年下降10%以上[1]。在我國,由燃煤產(chǎn)生的NOx占總排放量比例約為70%[2]。減少NOx排放一方面要大力發(fā)展清潔能源以降低煤炭消費量,另一方面要持續(xù)推進煤電機組超低排放改造以實現(xiàn)煤炭清潔利用。選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù)是當前火力發(fā)電廠廣泛應用的煙氣脫硝技術(shù)[3]。SCR的原理是煙氣中的NOx和SCR反應器中的NH3以及空氣中的O2發(fā)生SCR反應,生成N2和H2O。國內(nèi)大部分地區(qū)環(huán)保部門將鍋爐排放煙氣NOx質(zhì)量濃度限制在50 mg/Nm3以內(nèi)[4]?；痣姀S須在環(huán)保達標的前提下避免過量噴氨。噴氨量過大不僅會造成資源浪費、脫硝效率下降,還會引發(fā)空預器堵塞、風煙系統(tǒng)出口阻力增加、耗能升高等問題[5-6]。

噴氨自動化是熱工自動化領域的研究熱點,通過控制噴氨調(diào)門開度調(diào)節(jié)進入SCR反應器中的氨氣量,實現(xiàn)對排放煙氣NOx濃度值的控制。常規(guī)控制策略基于比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制器加前饋的模型[7-8]。該模型具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實施等優(yōu)點。文獻[9]先利用遺傳算法計算得到PID控制器初始參數(shù),再利用模糊算法計算修正參數(shù)。仿真結(jié)果表明,這種方法有助于提升系統(tǒng)的快速性和準確性。近年來,強化學習、預測控制等先進控制算法被應用到噴氨控制,并得到了一定的實踐。部分學者針對脫硝系統(tǒng)多目標優(yōu)化展開研究。文獻[10]提出的控制策略兼顧了NOx排放的環(huán)保性和經(jīng)濟性,可有效降低脫硝成本。文獻[11]先通過大數(shù)據(jù)分析建立脫硝系統(tǒng)模型,再利用混合粒子群優(yōu)化(hybrid particle swarm optimization,HPSO)算法優(yōu)化模型參數(shù),具有較好的控制精度。綜合來看,基于經(jīng)典PID控制器的控制策略以其易于實施的優(yōu)點而被廣泛采用,但其屬于“事后”控制,調(diào)節(jié)品質(zhì)較差。先進控制算法因無法直接在電廠分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)實施,常采取在DCS外掛可編程邏輯控制器(programmable logical controller,PLC)或其他先進控制器[12]等方法實施。這樣操作花費大、安全風險高,且模型精度與現(xiàn)場實際常存在差距,阻礙了外掛控制器的大規(guī)模應用。

本文提出的脫硝控制策略無需額外投資即可直接在電廠DCS實施,可有效提升系統(tǒng)快速響應能力及控制精度,在保證排放達標的同時提升了經(jīng)濟性。通過工程現(xiàn)場應用,驗證了本文策略具有較好的控制效果。

1 SCR脫硝控制系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)控制方案

SCR入口煙氣NOx濃度測量值經(jīng)過折線函數(shù)F1(X)的輸出值,與機組主蒸汽流量經(jīng)過折線函數(shù)F2(X)的輸出值相乘得到基準噴氨量。SCR出口NOx濃度測量值和設定值的偏差經(jīng)過主PID控制器計算后得到NOx偏差噴氨調(diào)整量。機組鍋爐主控制器值經(jīng)過折線函數(shù)F3(X)的輸出值為氨氣快速調(diào)節(jié)量。上述三者相加之和為噴氨流量設定值。該設定值與氨氣流量測量值偏差經(jīng)過副PID控制器計算,得到噴氨調(diào)門開度指令。

串級PID加前饋模式被廣泛應用于脫硝噴氨控制。串級PID脫硝控制策略如圖1所示。

圖1 串級PID脫硝控制策略示意圖

1.2 控制難點

某電廠1#機組某次NOx調(diào)節(jié)過程曲線如圖2所示。

圖2 NOx調(diào)節(jié)過程曲線

由圖2可知,機組負荷經(jīng)歷先降后升過程。圖2中:A點時間為05∶04∶10,噴氨調(diào)門開度為62.8%,NOx設定值為36 mg/Nm3、測量值為36.1 mg/Nm3;B點時間為05∶07∶02,此時運行人員將設定值改為30 mg/Nm3;C點時間為05∶09∶02,噴氨調(diào)門開度為100%,NOx設定值為30 mg/Nm3,此時的測量值57.8 mg/Nm3已超過環(huán)保要求限值。A點、C點的時間差為4 min 52 s,即使運行人員在B點提前降低設定值也未能避免此次環(huán)保超標。該機組因脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)品質(zhì)差,噴氨調(diào)門長期處于手動調(diào)節(jié)狀態(tài),NOx超標、過度噴氨現(xiàn)象頻發(fā),引起空預器堵塞、一次風壓波動等問題,影響機組安全和經(jīng)濟運行。

當前,電廠脫硝控制存在以下難點。

①大延遲。大延遲包括催化反應延遲及測量響應延遲?？傃舆t時間一般約為3～5 min。因PID控制器基于NOx偏差進行調(diào)節(jié),其對NOx變化反應滯后造成的噴氨調(diào)門延遲進行調(diào)節(jié)。

②強擾動。新型電力系統(tǒng)背景下,電網(wǎng)自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)調(diào)度指令變化頻繁,變負荷時鍋爐燃燒不穩(wěn)定,生成的NOx量也發(fā)生較大波動。這對控制系統(tǒng)性能提出較高要求。

③傳統(tǒng)控制策略不具有針對性。例如,當NOx測量值由45 mg/Nm3上升至55 mg/Nm3時,控制系統(tǒng)應快速大幅增加噴氨調(diào)門開度以免環(huán)保超標;當NOx測量值由20 mg/Nm3上升至30 mg/Nm3時,由于其處于較低范圍,控制系統(tǒng)應保持或小幅增加噴氨調(diào)門開度以免過度噴氨。圖1控制策略表明,無論機組處于穩(wěn)態(tài)還是變負荷運行工況,由于控制系統(tǒng)預先設定的PID控制器參數(shù)為固定值,其控制強度也一致。這并不能滿足實際控制的需要。

2 脫硝控制優(yōu)化控制策略

2.1 機組運行工況辨識及分類

機組負荷穩(wěn)態(tài)時,鍋爐生成NOx較為穩(wěn)定,一般微調(diào)噴氨調(diào)門開度即可滿足控制需要。當機組升負荷過程啟動磨煤機,或降負荷過程停運磨煤機后一定時間內(nèi),NOx波動較大,需對噴氨調(diào)門進行大幅度調(diào)整才能避免環(huán)保超標。因此,要實現(xiàn)噴氨調(diào)門的精準控制,必須在機組不同運行工況對控制系統(tǒng)作針對性調(diào)整。本文基于DCS設計了機組運行工況辨識分類邏輯,通過分析不同運行工況下鍋爐生成NOx量的變化規(guī)律,將運行工況分為以下6類。

①穩(wěn)態(tài):機組負荷不變、各項運行參數(shù)穩(wěn)定的工況。穩(wěn)態(tài)鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx也較為穩(wěn)定。

②波動:機組負荷在區(qū)間范圍內(nèi)小幅振蕩工況,將振蕩區(qū)間設置為-10～+10 MW。此時,鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx出現(xiàn)小幅波動。

③連升:機組連續(xù)升負荷工況。此時,系統(tǒng)產(chǎn)生的NOx持續(xù)升高。

④連減:機組連續(xù)減負荷工況。此時,系統(tǒng)產(chǎn)生的NOx持續(xù)減少。

⑤啟磨:升負荷啟動磨組工況。啟磨存煤入爐,風煤比降低可能導致NOx快速下降。

⑥停磨:降負荷停運磨組工況。停磨斷煤后,風煤比升高可能導致NOx快速上升。

通過對機組進行運行工況辨識和分類,可以指導控制系統(tǒng)在不同工況下靈活調(diào)整控制作用強度,從而有針對性地對NOx進行調(diào)節(jié)。

2.2 基于模糊規(guī)則的NOx 趨勢預判策略

脫硝控制系統(tǒng)對實時性有較高要求。一旦NOx超過環(huán)保限值,電廠將面臨經(jīng)濟考核。為提高系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)能力,通過分析NOx測量值及其變化量規(guī)律,建立基于趨勢預判的NOx模糊修正規(guī)則。NOx模糊規(guī)則修正如表1所示。

表1 NOx模糊規(guī)則修正表

修正以NOx測量值為基準,根據(jù)其前1 min變化量確定修正量,不同測量值區(qū)間修正規(guī)則各不相同。當測量值處于低位時,修正目的在于超前關小調(diào)門以避免過度噴氨。當測量值處于中間位時,修正目的在于平滑測量值波動,以避免系統(tǒng)振蕩。當測量值處于高位時,修正目的在于避免環(huán)保超標。

修正式為:

P=C+σμ

(1)

式中:P為修正后PID控制器被調(diào)量;C為NOx測量值;σ為趨勢預測修正量,可通過查詢表1得到;μ為基于機組不同運行工況設置的調(diào)整系數(shù)。

設置是在穩(wěn)態(tài)及波動工況對修正量進行弱化處理以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在連升和連降工況時不進行調(diào)整,而在啟磨和停磨階段適當強化趨勢修正,讓系統(tǒng)盡快恢復穩(wěn)定。根據(jù)工程現(xiàn)場經(jīng)驗,本文設置μ在穩(wěn)態(tài)工況為0.2、波動工況為0.5、連升或者連降負荷工況為1、啟停磨煤機工況為1.3。

應用舉例如下。負荷波動工況下,NOx設定值為40 mg/Nm3、測量值為20 mg/Nm3,且測量值前1 min變化量為-5 mg/Nm3。此時,因NOx處于低位且呈快速下降趨勢,為避免NOx過低,PID控制器應超前關小噴氨調(diào)門開度以避免過度噴氨。查詢表1可知:σ值為-8 mg/Nm3;μ為0.5;修正后P為16 mg/Nm3。此時,模糊修正結(jié)果加強了NOx的下降趨勢,有助于PID控制器快速關小調(diào)門。反之,設定值不變,測量值為45 mg/Nm3,且前1 min變化量為+5 mg/Nm3。此時,因NOx處于高位且呈快速上升趨勢,為避免NOx超限,PID控制器應超前增加噴氨調(diào)門開度。查詢表1可知:σ值為+10 mg/Nm3;μ為0.5;修正后P為50 mg/Nm3。此時,模糊修正結(jié)果加強了NOx上升趨勢,有助于PID控制器快速開大調(diào)門以避免環(huán)保超標。

2.3 控制強度自適應調(diào)節(jié)策略

本文根據(jù)機組不同運行工況對控制系統(tǒng)作用強度作針對性調(diào)整。針對性調(diào)整主要包括4個方面,分別為PID控制器參數(shù)、前饋作用、系統(tǒng)輸出上下限、輸出變化速率。本文定義這4個方面強度調(diào)整系數(shù)分別為K1～K4。

①K1、K2。

K1對PID控制器參數(shù)強度進行調(diào)整。工程應用中,PID控制器在掃描周期k的輸出值Vk的計算式為:

(2)

式中:PT為控制器比例帶系數(shù),其數(shù)值越大代表比例作用越弱;TI為積分時間,其數(shù)值越大代表積分作用越弱;KD為微分系數(shù);TD為微分時間。

將原控制器參數(shù)PT、TI、KD與調(diào)整系數(shù)K1相乘,即可得到各PID控制器參數(shù)的修正值。

K2對控制系統(tǒng)前饋量OC強度進行調(diào)整。OC與K2相乘后得到修正后的前饋量。調(diào)試人員可根據(jù)不同現(xiàn)場實際情況進行動態(tài)調(diào)整。

②K3。

K3對控制系統(tǒng)輸出幅度進行修正,分為輸出上限K3H及輸出下限K3L。首先,本文基于歷史運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到機組不同負荷段穩(wěn)態(tài)工況噴氨調(diào)門開度上下限值。例如:機組負荷維持在175 MW時,噴氨調(diào)門開度在35～45%區(qū)間變化即可滿足控制需要,則調(diào)門開度定義為上限KH=45%、下限KL=35%。接著,本文用K3H和K3L對上下限進行動態(tài)修正。K3H取值1.1。K3L取值0.9,則修正后KH為49.5%、KL為31.5%。

③K4。

K4對控制系統(tǒng)輸出速率即噴氨調(diào)門開關速率進行調(diào)節(jié)。為避免環(huán)保超標及系統(tǒng)振蕩,K4對開門速率不作限制,僅對關門速率進行限制。本文將試驗電廠的關門速率限值設為4%/min。此外,有2種工況需特殊設置。①NOx轉(zhuǎn)向,即NOx測量值出現(xiàn)先升后降,且測量值減設定值之差大于10 mg/Nm3。②NOx測量值與設定值之差小于-10 mg/Nm3,即大差工況。以上2種工況需將調(diào)門快速關小,在上述工況發(fā)生后應將關門速率適度加快。

K1～K4調(diào)整系數(shù)如表2所示。

表2 K1～K4調(diào)整系數(shù)

2.4 脫硝控制策略

綜合以上分析,本文提出的脫硝優(yōu)化控制策略如圖3所示。

圖3 脫硝優(yōu)化控制策略

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(continuous emission monitoring system,CEMS)采集得到的煙氣NOx測量值,經(jīng)過模糊規(guī)則處理器得到修正后PID控制器被調(diào)量P。P與PID控制器設定值S的偏差經(jīng)過噴氨PID控制器接收并計算得到噴氨調(diào)門調(diào)整量,再與各前饋項疊加后經(jīng)過限幅、限速模塊得到最終噴氨調(diào)門指令。

前饋作用包括以下4項。

①基準開度Q1。

Q1是噴氨調(diào)門開度的基準量。

(3)

式中:R為SCR入口煙氣NOx質(zhì)量濃度測量值,其區(qū)間在150～400 mg/Nm3;S區(qū)間通常為30～40 mg/Nm3;Fx(Z)為主蒸汽流量折線函數(shù);γ1為微調(diào)系數(shù),可根據(jù)運行情況設置,初值取1。

試驗電廠主蒸汽流量對應折線函數(shù)如表3所示。

表3 主蒸汽流量對應折線函數(shù)

基準開度反映了鍋爐煙氣NOx實際濃度值,決定了噴氨調(diào)門基礎開度不受強度調(diào)節(jié)系數(shù)K1的調(diào)節(jié)。

②微分前饋Q2。

Q2在NOx測量值變化時快速改變噴氨調(diào)門開度。

(4)

式中:Q2為t1和t2時間NOx實測值變化量,根據(jù)現(xiàn)場實際,時間差取2～3 min;γ2為調(diào)節(jié)系數(shù),默認取1;Ct1和Ct2分別為t1和t2時刻NOx實際測量值。

為避免NOx小幅變化引起微分前饋波動進而導致噴氨調(diào)門振蕩,本文將Q2輸出“死區(qū)”設置為±3%,以保證微分前饋僅在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)被破壞、NOx大幅波動時起作用。

③啟停磨組前饋Q3。

為避免啟停磨組導致風煤失衡引起鍋爐燃燒不穩(wěn)、NOx波動等現(xiàn)象,本文增加啟停磨組前饋Q3。Q3的取值可以根據(jù)不同機組實際情況進行設置。本文試驗電廠啟磨時設置Q3為-5%、停磨時設置Q3為+6%;同時,設置Q3作用時間是啟停磨后10 min,即10 min后Q3自動恢復至0。

④氧量前饋Q4。

Q4反映風煤配比。若Q4持續(xù)上升,煙氣NOx也呈上升趨勢。Q4做法參考Q2,此處不再贅述。

3 工程應用

本文將提出的優(yōu)化方案應用于350 MW超臨界機組。其鍋爐設備采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1125/25.4-YM1型超臨界參數(shù)直流爐。該機組自2018年初投產(chǎn)以來,脫硝系統(tǒng)噴氨調(diào)門無法投入自動控制,長期依賴運行人員手動操作,NOx超標現(xiàn)象頻發(fā)。同時,該機組存在過量噴氨造成空預器堵塞嚴重、熱一次風母管壓力振蕩、協(xié)調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性差等問題。本文提出的優(yōu)化控制方案在該機組實施后,在不同運行工況下檢驗其應用效果。

圖4為機組負荷320 MW穩(wěn)態(tài)工況NOx調(diào)節(jié)過程曲線。

圖4 負荷320 MW穩(wěn)態(tài)工況NOx調(diào)節(jié)過程曲線

圖4中:NOx設定值保持為41 mg/Nm3。由于對控制系統(tǒng)作用強度進行了針對性調(diào)節(jié),噴氨調(diào)門開度小幅變化就可以將NOx質(zhì)量濃度保持在設定值附近,且設定值與測量值偏差保持在±5 mg/Nm3內(nèi)。

圖5為機組降負荷過程NOx調(diào)節(jié)曲線。

圖5 降負荷過程NOx調(diào)節(jié)曲線

此時,NOx設定值始終保持在40 mg/Nm3,且設定值與測量值最大偏差為8 mg/Nm3。

機組升負荷過程NOx調(diào)節(jié)曲線如圖6所示。

圖6 升負荷過程NOx調(diào)節(jié)曲線

此時,NOx設定值始終保持在42 mg/Nm3,且設定值與測量值最大偏差為6 mg/Nm3,控制品質(zhì)優(yōu)良。

機組負荷在270～310 MW區(qū)間波動過程中,負荷小波動過程NOx調(diào)節(jié)曲線如圖7所示。

圖7 負荷小波動過程NOx調(diào)節(jié)曲線

此時,NOx設定值保持為43 mg/Nm3,設定值與測量值最大偏差為5 mg/Nm3。

由NOx調(diào)節(jié)過程曲線可知,在機組不同運行工況下,所提控制策略均能將NOx偏差控制在±8 mg/Nm3以內(nèi),自動調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》(DL/T 657—2015)中NOx偏差在±10 mg/Nm3內(nèi)的要求。

本文對比350 MW超臨界機組投運所提優(yōu)化控制方案前后數(shù)據(jù)。應用數(shù)據(jù)對比如表4所示。

表4 應用數(shù)據(jù)對比

由表4可知,所提方案取得了較為理想的效果。所提方案實施后:NOx月超標次數(shù)大幅減少,NOx均值提升2.3 mg/Nm3,同比增長6.2%,實際的耗氨量減少54.6 kg/h,同比減少14.1%,噴氨量日均同比減少1 310.4 kg,折合尿素602.8 kg,當年減少尿素耗量220 t。按每噸尿素2 000元計算,其產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為440 000元。而電解220 t尿素,需耗電500 000 kW·h。按每度電0.25元計算,則優(yōu)化方案節(jié)約電費約為125 000元。年綜合節(jié)約成本約為56.5萬元。

4 結(jié)論

本文提出的控制策略是對電廠傳統(tǒng)PID控制策略的有益改進。

本文基于模糊規(guī)則預判NOx變化,對測量值進行動態(tài)趨勢修正,提升了控制系統(tǒng)對NOx變化的靈敏度和快速響應能力,使噴氨調(diào)門快速并更有針對性地調(diào)節(jié)。

本文基于機組運行狀態(tài)辨識和分類,從4個方面自適應調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)作用強度,避免了控制系統(tǒng)的過度調(diào)節(jié),并在一定程度上屏蔽和減少了系統(tǒng)瞬時擾動。

工程實踐驗證了本文策略具有較高的實用性,有助于提高電廠脫硝系統(tǒng)自動投入率、提升NOx控制水平,具有較高的推廣和應用價值。