燃煤電廠脫硝NOx的軟測(cè)量技術(shù)和自動(dòng)控制優(yōu)化

陳榮超

(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江寧波315208)

燃煤電廠脫硝NOx的軟測(cè)量技術(shù)和自動(dòng)控制優(yōu)化

陳榮超

(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江寧波315208)

為了解決脫硝NOx測(cè)量不準(zhǔn)和控制不穩(wěn)定的問題，簡(jiǎn)要介紹了SCR脫硝法的基本原理和工藝，分析了當(dāng)前脫硝NOx測(cè)量技術(shù)和脫硝自動(dòng)控制的特點(diǎn)，接著重點(diǎn)提出了一種基于鍋爐燃燒模型的脫硝NOx軟測(cè)量技術(shù)，以及基于NOx軟測(cè)量技術(shù)的脫硝自動(dòng)控制優(yōu)化方法，通過在某臺(tái)機(jī)組上的實(shí)際應(yīng)用表明，該方法可行且有效。

NOx；軟測(cè)量；多變量；優(yōu)化

0 引言

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)，自2014年7月1日起，燃煤鍋爐煙塵排放中NOx限值在重點(diǎn)地區(qū)為100 mg/Nm3。燃煤火電廠通過脫硝技術(shù)改造后的機(jī)組，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的小于100 mg/Nm3的NOx排放目標(biāo)，同時(shí)又要保證脫硝工藝的效率滿足環(huán)?？己艘螅乐拱睔膺^量。在排放和效率達(dá)標(biāo)的前提下少噴氨，減少經(jīng)濟(jì)投入，同時(shí)防止進(jìn)入大氣中形成對(duì)大氣的氨污染以及對(duì)空預(yù)器通道的堵塞影響，需要一套完善的脫硝NOx測(cè)量技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 SCR法脫硝工藝簡(jiǎn)述

SCR煙氣脫硝法是火電機(jī)組控制氮氧化物排放最可靠的手段[1]。SCR法脫硝是將液氨蒸發(fā)器后一定濃度的氨通過噴氨格柵噴入鍋爐省煤器后的煙氣中，混合后的煙氣通過SCR反應(yīng)器，在反應(yīng)器中的催化劑作用下，NH3與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退瑥亩舻趸锏姆椒?。脫硝SCR法裝置中，一般配置有兩個(gè)獨(dú)立的SCR反應(yīng)器、兩套噴氨格柵、兩套聲波吹掃裝置、兩臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)(一用一備，兩側(cè)公用)、兩個(gè)氨/空氣混合器、兩套氨蒸氣供應(yīng)管路、兩套稀釋空氣供應(yīng)管路及配套的閥門、管道、儀控測(cè)量設(shè)備等。

2 優(yōu)化前的脫硝NOx測(cè)量和自動(dòng)控制方法

一般的脫硝控制系統(tǒng)首先測(cè)量出實(shí)際的煙氣量、煙氣入口和出口的NOx含量等，接著再結(jié)合預(yù)先設(shè)定的脫硝效率計(jì)算出需要的噴氨量，計(jì)算出的噴氨量與實(shí)際氨流量進(jìn)行比較后作為噴氨調(diào)節(jié)閥的控制指令，以合理的閥門開度維持合適的氨流量。

2.1 優(yōu)化前的脫硝NOx測(cè)量

煙氣入口和出口NOx的檢測(cè)是脫硝控制系統(tǒng)構(gòu)成的關(guān)鍵部分。NOx是通過精密分析儀使用紅外線光學(xué)法來(lái)測(cè)定濃度的，由于分析儀對(duì)安裝環(huán)境(包括振動(dòng)、溫度、濕度)等的要求，不能直接安裝在鍋爐煙道上，而是通常采用數(shù)十米長(zhǎng)的采樣管將樣氣引導(dǎo)到CEMS小室再進(jìn)行分析，圖1是NOx分析儀的測(cè)量過程示意圖。圖1中D指的是就地采樣探頭到分析儀控制柜的采樣管路的長(zhǎng)度，通常在30～40 m之間。分析儀的煙氣流量在60～80 ml/h，根據(jù)采樣管的直徑來(lái)計(jì)算，從煙氣樣氣的抽取，到分析儀分析出數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出噴氨閥的控制指令，一般需要40～60 s的時(shí)間。而流速在15 m/s左右的煙氣從經(jīng)過入口NOx到出口NOx不到3 s的時(shí)間，顯然出口NOx得出的數(shù)據(jù)不能實(shí)際驗(yàn)證根據(jù)入口NOx數(shù)據(jù)計(jì)算出的自動(dòng)噴氨需求量，尤其是機(jī)組的負(fù)荷或燃燒工況隨時(shí)變動(dòng)、入口NOx數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況下更加難以控制。因此直接用分析儀得到的煙氣出、人口NOx進(jìn)行控制難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制。

圖1 NOx分析儀測(cè)量過程圖

2.2 優(yōu)化前的脫硝自動(dòng)控制方法

圖2 基本控制邏輯圖

脫硝控制是一個(gè)典型的大延遲時(shí)間過程，目前的脫硝自動(dòng)控制策略是基于脫硝效率設(shè)置的。該控制策略根據(jù)原煙氣入口NOx情況，由運(yùn)行人員設(shè)置一個(gè)合適的脫硝效率，系統(tǒng)根據(jù)此效率計(jì)算出當(dāng)前煙氣流量所需的氨量，從而實(shí)現(xiàn)脫硝的自動(dòng)控制，如圖2。從控制邏輯中可以看出，從煙氣量和入口NOx計(jì)算出的氨的需求作為前饋量，在鍋爐負(fù)荷不變及燃燒穩(wěn)定的情況下能有較好的控制效果，但沒有解決延遲時(shí)間問題。在鍋爐負(fù)荷變化或燃燒調(diào)整時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噴氨量的過量或不足。另外，此策略使用PID實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在使用中變量較單一，只能適應(yīng)鍋爐負(fù)荷不變，煙氣量穩(wěn)定的工況。

3 脫硝NOx軟測(cè)量和自動(dòng)控制優(yōu)化

為消除鍋爐負(fù)荷或燃燒波動(dòng)時(shí)對(duì)脫硝控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，在基本控制邏輯中增加了鍋爐負(fù)荷變化的微分值，同時(shí)，將排粉機(jī)和上層給粉機(jī)等對(duì)鍋爐煙氣氧量變化影響較大的設(shè)備的啟停信號(hào)引入控制系統(tǒng)。在進(jìn)行上述的優(yōu)化后，脫硝控制系統(tǒng)仍然不能達(dá)到預(yù)期的完全控制，在實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員需要頻繁撤出脫硝自動(dòng)，進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。

有技術(shù)人員通過在出口NOx濃度控制策略的基礎(chǔ)上使用粒子群算法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[2]，能有效抑制內(nèi)擾，但不能克服鍋爐燃燒不穩(wěn)定帶來(lái)的擾動(dòng)，且算法過于復(fù)雜。通過軟測(cè)量技術(shù)進(jìn)行NOx的預(yù)測(cè)能很好解決該系統(tǒng)測(cè)量滯后大的問題，再通過引進(jìn)多變量參數(shù)，用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化，從而使得脫硝NOx自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定、適應(yīng)各種變負(fù)荷工況。

3.1 脫硝NOx的軟測(cè)量方法

軟測(cè)量技術(shù)是一門新興的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，軟測(cè)量的核心問題是對(duì)象模型的建立。有技術(shù)人員根據(jù)軟測(cè)量技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)定出入爐煤質(zhì)[3]，文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了基于支持向量機(jī)的NOx測(cè)量模型研究;文獻(xiàn)[5]還利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了NOx的預(yù)測(cè)模型，都取得了一些效果。在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上，軟測(cè)量通過監(jiān)測(cè)一些容易且沒有時(shí)滯的輔助變量，然后再通過某種數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行估計(jì)、計(jì)算來(lái)得出需要的主變量。煙氣入口NOx與鍋爐中輸入的燃料量、風(fēng)量以及各種燃燒工況有很強(qiáng)的因果關(guān)系，影響NOx生成的鍋爐燃燒過程也是相對(duì)較為清楚的工藝過程，因此通過分析鍋爐燃燒中熱量平衡和物料平衡來(lái)建立NOx的測(cè)量模型是一種更為簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)的軟測(cè)量方法。

NOx軟測(cè)量技術(shù)使用鍋爐燃料模型計(jì)算的方式，尋找出NOx變化的預(yù)估值，從鍋爐的各種輸入量中得出煙氣入口NOx量的模型，從而能提前并準(zhǔn)確得計(jì)算出入口NOx，克服NOx測(cè)量?jī)x表取樣測(cè)量反應(yīng)遲緩問題。同時(shí)又用NOx測(cè)量的結(jié)果對(duì)軟測(cè)量進(jìn)行長(zhǎng)期修正擬合，使得軟測(cè)量結(jié)果用硬測(cè)量結(jié)果進(jìn)行印證和修正，遞歸出一個(gè)較準(zhǔn)確和及時(shí)的軟測(cè)量結(jié)果。經(jīng)理論分析和實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)顯示，鍋爐出口NOx含量首先與鍋爐內(nèi)燃燒過程中的過?？諝庀禂?shù)有密切關(guān)系，過?？諝庀禂?shù)增加時(shí)NOx含量增加，過?？諝庀禂?shù)減少時(shí)NOx相應(yīng)減少；其次，與鍋爐內(nèi)燃盡風(fēng)占總風(fēng)量的比例也有密切關(guān)系，在一定比例范圍下燃盡風(fēng)占總風(fēng)量的比例增加時(shí)鍋爐出口NOx減少，燃盡風(fēng)占總風(fēng)量的比例減少時(shí)鍋爐出口NOx增加。由于這兩個(gè)因素的存在，可以擬合出如式(1)的一個(gè)函數(shù)：

F(x)=G(Q2)+G(Ksofa)

(1)

式中：G(O2)是鍋爐燃燒結(jié)束后氧量與NOx相關(guān)的函數(shù)，函數(shù)是通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)擬合得來(lái)的一個(gè)非線性函數(shù),G(Ksofa)是鍋爐燃盡風(fēng)與NOx相關(guān)的函數(shù)。由于測(cè)點(diǎn)布置和鍋爐結(jié)構(gòu)的關(guān)系，需要根據(jù)鍋爐負(fù)荷風(fēng)量變化加入50～90 s的數(shù)據(jù)延時(shí)，從而使之適應(yīng)脫硝入口的工藝時(shí)序要求。圖3是軟測(cè)量的具體算法組態(tài)。

圖3 脫硝NOx軟測(cè)量算法組態(tài)

3.2 脫硝自動(dòng)控制優(yōu)化

軟測(cè)量得到數(shù)據(jù)是通過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間接得到的，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差會(huì)導(dǎo)致軟測(cè)量結(jié)果的誤差。要縮小甚至消除NOx軟測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的NOx數(shù)據(jù)的偏差，必須使用脫硝原煙氣NOx的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值對(duì)之進(jìn)行遞歸修正，需要用實(shí)際NOx測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)軟測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。圖4是NOx校正算法組態(tài)。

圖4 脫硝NOx校正算法組態(tài)

脫硝系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)氨氣流量時(shí)，會(huì)同時(shí)影響到脫硝效率和凈煙氣NOx含量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)都只要在一個(gè)合理的范圍內(nèi)就行，在這個(gè)范圍內(nèi)并不要求必須控制在某個(gè)具體值。對(duì)于一個(gè)具體運(yùn)行中的脫硝系統(tǒng)，存在一個(gè)合理的脫硝效率區(qū)間和一個(gè)合理的凈煙氣NOx含量參數(shù)區(qū)間。對(duì)于脫硝效率，應(yīng)該是不低于70%以滿足環(huán)保指標(biāo)要求，高限則是不可在凈煙氣中有過量的逃逸氨氣為原則。而對(duì)于煙氣出口NOx含量，高限應(yīng)該是不超過環(huán)保排放要求的100 mg/ Nm3，而低限則是不應(yīng)該在凈煙氣中測(cè)量到逃逸氨氣。因此，優(yōu)化后的脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)可以通過設(shè)置一個(gè)函數(shù)區(qū)間來(lái)作為控到目標(biāo)值。

優(yōu)化后的脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)將設(shè)置氨逃逸量、脫硝率>70%和凈煙氣出口NOx含量<100 mg/Nm3等三個(gè)限制條件，以有效減少凈煙氣氨逃逸，控制策略框圖如圖5。如圖5所示，煙氣流量測(cè)量值需進(jìn)行溫度壓力等修正，脫硝率則經(jīng)過凈煙氣折算值和逃逸量修正及限制后，再送入氨需求計(jì)算回路，計(jì)算出理論需求氨氣量，再用氨氣實(shí)際流量進(jìn)行濃度修正，這樣可以克服流量測(cè)量的漂移。整個(gè)回路以理論計(jì)算為依據(jù)，并通過實(shí)測(cè)值進(jìn)行折算修正，使得此算法能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)閥門設(shè)備特性的變化。

圖5 多變量控制算法框圖

3.3 優(yōu)化前后的效果比較

控制策略修改后，經(jīng)過投入6號(hào)機(jī)組脫硝自動(dòng)的實(shí)際使用及優(yōu)化前后的趨勢(shì)對(duì)比，證明了基于軟測(cè)量及多變量技術(shù)的脫硝自動(dòng)優(yōu)化是有效的。圖6、圖7分別是該機(jī)組甲側(cè)脫硝自動(dòng)優(yōu)化前、后24 h的各主要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖。圖6為甲側(cè)出口NOx數(shù)據(jù)在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)振蕩，在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的排放時(shí)常超過100 mg/ Nm3;圖7是優(yōu)化后的甲側(cè)趨勢(shì)圖。顯然，出口NOx數(shù)據(jù)在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)無(wú)振蕩，負(fù)荷變動(dòng)時(shí)排放能控制在60～80 mg/ Nm3之間。

圖6 優(yōu)化前主要參數(shù)的24 h變化趨勢(shì)

圖7 優(yōu)化后主要參數(shù)的24 h變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

優(yōu)化后的控制趨勢(shì)，可以看出，采用軟測(cè)量和多變量技術(shù)的脫硝控制優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。優(yōu)化控制結(jié)果穩(wěn)定，無(wú)振蕩，適應(yīng)各種工況變化無(wú)需運(yùn)行人員的手動(dòng)干預(yù)。經(jīng)過脫硝自動(dòng)優(yōu)化后，提高了凈煙氣出口NOx的合格率并減少了波動(dòng)，將NOx排放控制在合理值上。另外，在優(yōu)化控制下，消除了出現(xiàn)不合理的超低出口NOx現(xiàn)象，避免大量的氨逃逸問題，減少對(duì)煙氣后級(jí)設(shè)備的影響和對(duì)空氣的氨污染。

[1]張志強(qiáng),宋國(guó)升，陳崇明，等.某電廠600 MW機(jī)組SCR脫硝過程氨逃逸原因分析[J].電力建設(shè), 2012, 33(6): 67-70.

[2]王瑾,董澤. 基于粒子群優(yōu)化的選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)仿真[J].電力科學(xué)與工程, 2014, 30(3): 25-28.

[3]蘇保光,田亮，王琪，等.一種在線煤質(zhì)軟測(cè)量方法[J].電力科學(xué)與工程, 2011, 27(7): 32-36.

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NOxSoft-sensing Techniques and Denitration Auto-controlOptimization of Coal-fired Power Plant

Chen Rongchao

(Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Co.,Ltd.,Ningbo 315208,China)

To cope with the instability of NOxmeasurement and control,the basic principle of SCR denitration method and process is introduced in this paper. Then the advantages and disadvantages of basic denitration auto control are analyzed. Finally, NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control of SCR denitration have expounded. The application shows that NOxsoft-sensing techniques and multivariable-optimal control are effective and feasible.

NOx; soft-sensing; auto-control; optimization

2014-06-23。

陳榮超(1972-)，男，高級(jí)工程師，從事電廠熱工專業(yè)DCS、DEH、PLC系統(tǒng)和設(shè)備的技術(shù)管理、維護(hù)工作,E-mail:crczj@163.com。

TK323

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.004