（江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司江苏启东226246）
摘要：火力发电厂脱硝喷氨自动调节普遍存在超调、震荡、延时大等问题，以江苏大唐国际吕四港发电厂2号机组脱硝系统为例，分析了其调节异常的原因，设计了脱硝出口NOx浓度调节方式，通过对脱硝喷氨自动调节系统优化，解决了出口NOx浓度波动大、NOx排放浓度超标、氨逃逸值偏高等问题。采用串级回路的脱硝喷氨自动调节方式，不断优化脱硝喷氨自动调节系统，能够增强喷氨自动调节的稳定性和准确性，提高了脱硝系统的可靠性、连续性及经济性。
关键词：火电厂；脱硝系统；喷氨；自动控制
1引言
目前，中国各燃煤火力发电企业在对锅炉脱硝装置进行超低排放改造中，发现脱硝喷氨自动调节系统普遍存在自动调节和整定问题，即脱硝出口NOx浓度波动幅度大、不规律等问题，造成了喷氨调节门跟踪不及时、NOx浓度超标、喷氨量过大、氨逃逸升高、空预器堵塞等难题。
2脱硝系统简介
现有烟气脱硝系统采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺，2号机组脱硝系统由东方电气集团东方锅炉股份有限公司以EPC总承包的方式建设。还原剂采用液氨，催化剂按照2+1布置，每层催化剂体积102m3。SCR烟气脱硝系统采用高灰段布置方式，即SCR反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间，每台炉配置两个SCR反应器，脱硝系统不设烟气旁路和省煤器高温旁路系统；脱硝系统包括SCR脱硝装置、烟气系统、液氨存储及蒸发系统、氨稀释及喷射系统等。
脱硝装置处理100%烟气量，脱硝装置入口烟气的NOx排放浓度不高于320mg/Nm3，脱硝装置在性能考核试验时同时满足NOx脱除率不小于87.5%；SCR出口NOx含量不高于40mg/Nm3，氨的逃逸小于2.3mg/Nm3（干基，6%O2）
3优化前控制方式
脱硝喷氨自动系统优化前采用的是脱硝氨气流量基本控制方式（固定摩尔比控制方式）。在该控制方式下，系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOx，为设定值可调的单回路控制系统。其控制原理如图3-1所示。
图3-1控制原理图
4存在的问题
（1）系统延时大，当机组负荷变化较大或启停磨煤机时，SCR出口NOx浓度变化较大，喷氨调门随之变化较大，造成出口NOx波动幅度过大，超过污染物排放限值。
（2）喷氨调整门自动调节回路经常出现出口NOx浓度与实际值偏差大并自动切换为手动，运行人员没有及时发现和调整，造成出口NOx值超高或超低。
（3）控制回路简单，氨氮摩尔比不能适应各种工况参数要求。
（4）氨气反应区氨逃逸率高，空预器堵塞严重。
5脱硝控制系统逻辑优化
5.1确定技术路线
结合2号机组SCR脱硝系统的运行现状，确定项目的攻关目标，即通过对变工况特性及其优化控制策略的研究，建立新的控制系统，并通过工程实施，能够保证机组在各种工况下（稳定负荷、变负荷、启停磨时等）均能够在自动控制模式下稳定运行，保证脱硝出口NOx浓度满足环保要求，并且减少氨的投入，降低氨逃逸量。
为保证上述攻关目标的实现，采用的总体技术路线如图5-1所示
图5-1总体技术路线图
技术路线简要说明：根据脱硝过程的反应机理和脱硝系统的运行数据，研究SCR入口烟气参数对脱硝效率的影响，并根据SCR出口NOx的控制要求，确定出最佳的氨/氮摩尔比；由于NOx参数的测量普遍存在大滞后特性，为保证SCR入口烟气动态过程满足最佳氨/氮摩尔比要求，通过对NOx参数的动态预估来获取烟气中实时的NOx浓度；在上述基础上，计算出理论上所需的喷氨量数值，作为喷氨量控制系统的前馈控制信号。
为克服各种不确定因素对SCR出口NOx的影响，保证其运行在给定值附近，本项目采用了基于模型驱动的多模型自适应闭环控制策略。
前馈控制信号和反馈控制信号共同构成了喷氨量的实时设定值，喷氨量实际值要求快速跟踪设定值，以保证最佳的氨/氮摩尔比。为此，本项目结合喷氨量调节阀门的开度-流量特性，设计了喷氨量快速跟踪回路。
在上述研究基础上，形成了SCR脱硝过程的优化控制策略，并在Matlab平台上对控制策略的有效性进行了验证，最后将优化控制策略转化为DCS控制逻辑，应用到SCR脱销系统，保证其安全稳定运行。
5.2主要研究内容
结合本项目确定的攻关目标和技术路线，本项目主要研究内容如下：
（1）SCR脱硝反应器入口NOx的的动态预估。由于NOx测量存在滞后性，SCR脱销系统入口NOx的动态预估成为脱销控制的一个关键因素。针对吕四#2机组燃烧系统不同工况下的运行数据，采用主元分析及多变量过程监测选出影响SCR脱硝反应器入口NOx含量的主导因素，进而利用最小二乘支持向量机建立反应器入口NOx含量的预测模型。
（2）烟气流量的在线软测量技术研究。喷氨量控制系统根据烟气流量控制喷氨量，因此喷氨量控制效果取决于烟气流量测量的准确性。根据脱硝系统的运行机理及氮氧化物还原方程式，以及锅炉侧燃烧系统的运行参数，在线拟合出烟气流量的计算值，进一步得出具体的软测量关系式。
（3）SCR脱硝系统优化控制技术研究。包括：1）针对SCR脱硝被控对象存在的大迟延特性，设计了具有预估控制功能的二自由度模型驱动PID控制；2）针对SCR脱硝系统在不同负荷工况呈现不同的动态特性，将多模型自适应控制思想应用到了脱硝控制系统的设计中；3）针对目前脱硝系统NOx测点单一的现象，研究了测点吹扫工况下NOx测量值的在线估计及控制技术；4)研究了喷氨量快速跟踪调节方法。
5.3项目实施过程
5.3.1现场摸底
从SIS系统中提取脱硝系统相关的历史运行数据，通过数据关联分析，对当前脱硝系统的运行状况给予综合诊断，并找出潜在的问题及可行的解决措施。
5.3.2喷氨量扰动试验及数据建模
了解2号机组A、B两侧喷氨量扰动下，SCR反应器出口NOx的动态变化特性，收集建立SCR控制系统动态模型的相关数据。整个动态特性试验在三个不同的负荷点（600MW、450MW、350MW）下进行，测试喷氨量扰动下NOx参数的动态特性。根据试验数据，建立SCR脱硝系统动态特性模型。
5.3.3优化控制策略的设计及仿真
（1）SCR入口NOx的动态预估。根据锅炉燃烧侧的运行特性，分析影响NOx的各种运行因素，并基于主元分析和最小二乘支持向量机动态预估SCR入口NOx的变化特性，以解决NOx测量滞后问题。
（2）烟气软测量方法研究。根据脱硝系统的运行机理及氮氧化物还原方程式，在机组运行稳定并忽略氨逃逸的情况下，可通过喷氨量、SCR反应器入出口的氮氧化物含量及烟气含氧量反推出此运行工况下的烟气流量。
图6-1原脱硝系统A侧运行效果
图6-2原脱硝系统B侧运行效果
（3）喷氨量快速跟踪控制策略研究。包括：喷氨调门开度-流量特性的拟合、内回路控制参数的整定等。
（4）SCR出口NOx的闭环控制策略研究。包括：局部模型模型驱动控制器的设计、多模型自适应控制设计等。
（5）控制系统的matlab仿真及调整。在matlab环境下测试控制系统性能并结合实际运行条件进行控制量模拟、控制器参数修正等。
5.3.3控制策略的DCS逻辑实现
将设计的SCR脱硝优化控制系统在DCS上进行逻辑组态。
5.3.4控制系统调试与投运
针对机组的不同运行工况，进行控制系统调试、考察控制系统运行性能。
6优化后的效果
选取不同负荷段以及升降负荷过程，对照比较改造前后SCR脱硝系统的运行效果。
改造前，原脱硝系统2016年11月6日运行效果如图6-1和图6-2所示。
图中浅蓝色曲线为负荷曲线，红色曲线为SCR出口NOx浓度曲线，粉红色曲线为脱硫出口NOx浓度，黑色曲线为SCR出口CEMS维护信号，维护过程中出口NOx浓度测量值会产生波动，故维护过程中的出口NOx浓度波动不予考虑。由图可见，在升降负荷时，出口NOx浓度会产生大幅波动，经常超出50mg/Nm3的限值，为了抑制出口NOx浓度继续上涨，控制系统经常切换为手动，而手动调节又加剧了出口NOx浓度的波动，控制效果不理想。
改造后，新脱硝系统2017年2月18日运行情况如图6-3和图6-4所示。
图6-3新脱硝系统A侧运行效果
图6-4新脱硝系统B侧运行效果
图7-12号机组优化前喷氨量曲线及负荷曲线
由图可见，图中浅蓝色曲线为负荷曲线，红色曲线为SCR出口NOx浓度曲线，粉红色曲线为脱硫出口NOx浓度，黑色曲线为SCR出口CEMS维护信号，绿色为出口NOx浓度设定值。机组负荷稳定运行时，SCR出口及脱硫出口NOx浓度稳定在设定值附近，波动范围在±4mg/m3以内。19点16分起，负荷由420MW升高至660MW，之后又降到380MW，在此大范围负荷变化的过程中，出口NOx浓度波动范围依然在±8mg/m3范围内，脱硫出口NOx浓度从未超标，且全程投入自动。
7优化前后喷氨量分析
优化后的SCR脱硝系统能够保证机组在变负荷或启停磨时均能够在自动控制模式下稳定运行，保证脱硝出口NOx浓度满足环保要求。并且，本系统在保证出口NOx浓度稳定在要求范围内的同时，还可以尽可能的减少喷氨量的使用，节约成本，减少对空预器的堵塞及对大气的二次污染。
图7-22号机组优化后喷氨量曲线及负荷曲线
图7-1为2号机组优化前，2016年10月27日-11月2日的喷氨量曲线及负荷曲线。通过计算可得，2016年10月27日-11月2日，A侧喷氨流量均值82.20kg/h，B侧喷氨流量均值70.73kg/h，总喷氨流量均值152.93kg/h，负荷均值504.23MW，用总喷氨流量均值除以负荷均值，得到平均每发出1MW•h电所用喷氨量303.29g/MW•h。
图7-2为2号机组优化后，2017年2月12日-2月18日的喷氨量曲线及负荷曲线。通过计算可得，2017年2月12日-2月18日，A侧喷氨流量均值70.37kg/h，B侧喷氨流量均值63.88kg/h，总喷氨流量均值134.25kg/h，负荷均值501.89MW，用总喷氨流量均值除以负荷均值，得到平均每发1MW•h电所用喷氨量267.49g/MW•h。
故2号机优化后的SCR脱硝控制系统所用的喷氨量相比于优化前节约了：
2号机组经过SCR脱硝控制系统优化改造后，喷氨量相比于改造前减少了11.8%，证明了优化后的SCR脱硝控制系统不仅能使出口NOx浓度在各种工况下都能稳定在要求范围内，还能有效地的减少喷氨量，节约成本，减少对空预器的堵塞及对大气的二次污染。
8结论
通过项目的实施及完善，该项目为SCR脱硝系统提供了一套完整的控制及优化技术。通过获取SCR脱硝系统相关的运行数据，借助于数据挖掘技术和人工智能技术能够有效提取机组的运行特征，并在此基础上实现对SCR脱硝系统的优化控制，使脱硝系统运行稳定，且严格的满足了国家环保要求。该项目在吕四电厂2号机组成功运用后，可以广泛地推广到其它燃煤机组。
参考文献
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