基于人工智能的脱硝喷氨自动优化算法研发与实践

基于人工智能的脱硝喷氨自动优化算法研发与实践

张浩军

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂河北唐山063028

摘要:“十二五”期间,我国约束性的大气治理指标有2个:二氧化硫和氮氧化合物分别下降8%和10%,火电作为四大高耗能行业之一,是减排的主要力量。根据环保部《火电厂大气污染排放标准GB13223-2011)》,2014年7月前所有火电机组均应达到限值要求。随着政策全面铺开,现有燃煤电厂脱硝改造步伐加快。

关键词:人工智能;脱硝喷氨;优化算法;研发与实践

一、陡河发电厂脱硝设施情况简介

陡河发电厂于2012年8月至2014年5月陆续完成了3至8号机组的脱硝改造工程。3至8号机组采用选择性催化还原法(SCR)脱硝装置,以尿素热解产生氨气制备还原剂。每台炉设2个SCR反应器,1台热解炉,每台热解炉设3套计量分配装置,3只喷枪。SCR反应器布置在空预器与省煤器之间的高含尘区域。在设计煤种、锅炉BMCR工况、处理100%烟气量条件下,在安装2层催化剂的情况下脱硝效率不小于80%,安装3层催化剂时脱硝效率不小于90%。3号4号8号机组SCR设计时,按入口NOx含量为400mg/Nm3,出口NOx含量小于80mg/Nm3;#5~#7机组SCR设计时,按入口NOx含量为450mg/Nm3时,出口NOx含量小于90mg/Nm3。

二、研究背景

陡河发电厂脱硝系统改造,厂家依据主流脱硝自动控制模式,设计了两种氨需量计算方法,两种方法可由运行人员选择切换:

2.1效率模式:该方式是基于脱硝效率及催化剂脱硝能力的一种基础控制方式,其主要算法是根据烟气中NOX的浓度和烟气量,及固定的氨氮摩尔比,再乘以脱硝效率设计值,计算出需氨量,以此计算需量为设定,进行PI调节。

2.2出口NOX模式:该方式以操作人员设定的出口NOX浓度为设定值,采用脱硝出口NOX浓度为反馈,进行PI调节。

2.3通过一段时间的运行应用,运行人员普遍反应脱硝自动不好用,缺点如下:

2.3.1效率模式的缺点:

1、在机组负荷变动、燃烧配风调节、及倒磨运行时,会造成烟气中NOX浓度大幅变化,会导致氨需量设定值大幅波动,超出自动调节范围,使系统调节发散,自动无法投入。

2、在工况稳定时,可能会造成喷氨过量,增加脱硝运行成本。长时间喷氨过量还会堵塞空预器,影响机组安全运行。

2.3.2出口NOX模式的缺点:

由于喷氨后需经过热解反应、反应器催化、CEMS系统采样分析等诸多环节,该调节延迟较大,有可能造成NOX超标排放,由于环保部门考核指标是烟气排放限值,如果NOX超标会造成环保电价的考核,给厂里造成经济损失。

三、基于人工智能的脱硝喷氨自动优化算法

基于以上控制模式的缺点,我们提出了基于人工智能的脱硝自动优化算法。

该算法是基于前馈的调节,以前馈为主,反馈为辅,通过前馈作用一次性计算出绝大部分的氨需量,然后由反馈作用进行细调,使调节系统形成闭环。脱硝系统是大迟延系统,通过加大前馈作用,可以有效加快调节系统的响应速度,克服系统迟延;通过将前馈作用进行阶跃设定,可以有效避免在工况波动时调节系统震荡或发散,使调节作用稳定;通过对前馈参数的上下限值,可以在工况波动时防止喷入过量的尿素,降低脱硝成本。

具体算法是根据入口NOX浓度和烟气流量,按照固定的氨氮摩尔比计算的氨需量为基础,通过加大调节运算死区,模拟运行人员手动操作,对应不同的工况段将氨需量进行阶跃设定,必要时辅助以运行人员手动偏置。以最终计算出的氨需量做为最终设定值,进行PI调节运算。

此种算法有效解决了脱硝效率模式、出口NOX模式的缺点,在保证出口NOX达标排放的同时,该算法调节速度快、无迟延,在工况波动时也能稳定调节,并且可以有效降低尿素使用量,节约了脱硝运行成本。

3.1技术方案实施

3.1.1利用停机机会,增加一套脱硝氨需量计算逻辑。根据入口NOX、烟气量和机组负荷等工作情况,通过脱硝氨需量经典公式计算出所需要的氨需量。逻辑组态时预留一些必要的曲线、高低限、斜率等算法模块。

3.1.2收集机组运行时的历史数据,对逻辑中重要数据进行必要的限值,限制高低限宜为正常运行参数的1.1倍,如运行参数越限,则表明该参数异常。由于机组特性不同,每台机组各有不同,如#3机组入口NOX(氮氧化物)限值范围为250mg/M3--450mg/M3,尿素运算量限值范围为0.22M3/h--0.33M3/h)。

3.1.3机组运行后,在机组运行各负荷段及工况(如涨落负荷、燃烧配风调节、倒磨运行以及制粉系统堵煤断煤等)情况下,由经验丰富的运行人员进行精确的手动调节,手动设定脱硝氨需量,在保证出口NOX不超标的情况下,运行人员应尽量减少尿素的使用量,并逐渐摸索出在各种负荷段及工况情况下的最少尿素使用量。该步应至少持续7-10天,以涵盖各种负荷及工况。

3.1.4收集第3步运行人员手动调节的历史数据,用自动计算的氨需量与运行手动设定氨需量值进行比对,注意自动计算的趋势及与运行人员手工设定氨需量的偏差。

3.1.5根据偏差修正计算曲线或函数曲线(如下图FG019、FG027)。使其拟合运行手动设定曲线,必要时增加运行手动偏置功能。

四、效果比对

4.1应用前,效率模式和出口NOX模式调节效果差。

曲线1是尿素溶液流量,可以看出,尿素流量波动比较大,使用量也比较大。

曲线2、3是A、B侧入口NOX浓度。

曲线4、5是A、B侧出口NOX浓度,在入口NOX波动较大时(线标时刻),出口NOX波动剧烈,随时可能瞬时超标。图中最高达到174mg/m3(排放标准200mg/m3)。

4.2应用后,调节效果良好。

曲线1是实际尿素流量,小波动曲线是运行在自动的基础上施以手动偏置的效果。

曲线2是自动计算的尿素流量,可以看出,自动计算的氨需量,能够实时跟踪入口NOX浓度,并且当入口NOX波动较大时,能够限制过多的尿素设定,防止过量喷氨。

曲线3、4是A、B侧入口NOX浓度。

曲线5、6、7是A、B侧和脱硫出口NOX浓度,波动较平稳,即使在入口NOX波动较大时,出口NOX也能平稳波动,该段曲线中出口NOX最高83mg/m3(排放标准200mg/m3)。

通过上面的效果对比可以看出,“基于人工智能的脱硝喷氨自动优化算法”应用后,调节运算死区加大,氨需量计算值阶跃变化,氨需量设置了运行上限,运行人员在必要时可以施以手动偏置。该优化算法调节效果良好,能够保证出口NOX达标排放,同时有效降低了尿素的使用量,节约了脱硝运行成本。

五、应用情况

2014年12月3日至今已成功应用于陡河发电厂3号5号6号7号8号机组中。该发明的应用,不仅减低了运行人员的劳动强度,而且在保证烟气排放达标的同时,减少了喷氨过量现象的发生,防止因喷氨过量而导致空预器堵塞,保护空预器的安全运行。尿素总量控制自动调节投入后,避免了尿素过喷问题,尿素使用量降低5%左右,按2014年全厂尿素使用量计算,每年可节约尿素300吨左右,按目前尿素市场价计算,年节约成本60万元左右。

六、研发与实践

2015年8月25日,陡河发电厂针对基于人工智能的脱硝喷氨自动优化算法研究的成果进行专利申报工作,并于2018年1月30日中华人民共和国国家知识产权局授权发明。

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