脫硝系統(tǒng)控制策略優(yōu)化與實施

牛國君

摘? 要：? 本文主要介紹了某電廠利用曲線擬合技術對脫硝控制系統(tǒng)的閥門做出了流量特性曲線，并對控制策略進行了進一步的優(yōu)化，提高了控制品質。

關鍵詞：? 閥門流量特性曲線;SCR;曲線擬合;控制策略;積分飽和。

1.引言

近年來，隨著國家對環(huán)境保護日益重視及各種政策陸續(xù)出臺，各個電廠脫硝項目正在逐步實施。SCR脫硝法由于其技術成熟脫硝效率較高而成為了火電廠脫硝系統(tǒng)改造的首選。為了將煙氣中的NOX濃度控制在一定的范圍內，各個機組都使用了相應的控制策略。然而所采用的控制策略在實際運行過程中是否合適，能否滿足各方面的要求卻關系到脫硝的效果。尤其是在硬件條件都達標的情況下，如果控制策略使用不合理就會成為整個系統(tǒng)的瓶頸，影響整個系統(tǒng)的運行效率。這時對控制策略做出優(yōu)化就顯得尤為重要。

2.某電廠脫硝系統(tǒng)簡介

某電廠脫硝系統(tǒng)采用單爐體雙SCR結構體布置。分別設置氨噴射系統(tǒng)、稀釋風機、煙道、催化劑吹灰系統(tǒng)等，公用部分主要包括液氨儲存和供應系統(tǒng)、事故排放系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)及氣源、水源等引接系統(tǒng)、空氣吹掃系統(tǒng)。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR），初期安裝2層催化劑，后又擴充至3層。脫硝劑為純氨。

3.某電廠脫硝系統(tǒng)控制策略介紹及存在問題

3.1某電廠脫硝系統(tǒng)控制策略介紹

根據(jù)目前國內脫硝系統(tǒng)的運行情況，脫硝氨氣流量控制一般采用固定摩爾比控制方式。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的氨氮摩爾比及脫硝效率設定值脫除煙氣中NOX。某電廠脫硝系統(tǒng)原設計提供的就是這種控制策略，控制原理框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)為典型的前饋串級控制系統(tǒng)。依據(jù)脫硝入口煙氣NOx濃度和煙氣流量的乘積得到NOx的流量，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是反應所需NH3的流量。根據(jù)煙氣脫硝反應的化學反應式，一摩爾氨和一摩爾NOx進行反應，在調試過程中根據(jù)二者實際物質的量進行微調修正。將經(jīng)過摩爾比修正后的NH3的物質量折算成質量即可作為整個反應過程中所需氨的質量流量，將這一信號作為前饋信號。主回路根據(jù)脫硝入口煙氣NOx濃度的設定值和實際值之間的偏差，通過PID控制器來修正所需的氨氣流量。副回路將主回路和前饋信號共同作用得出的氨氣流量作為設定值，根據(jù)與實測氨氣流量的偏差通過PID控制器的輸出來控制加氨調節(jié)閥的開度，從而達到調節(jié)氨氣流量的目的。

3.2該控制策略目前存在的問題

脫硝噴氨自動系統(tǒng)具有較大的延遲性，對于系統(tǒng)的控制品質有較大的影響，容易造成較大的超調。通過觀察副回路發(fā)現(xiàn)設定值和實際值之間有至少120秒的滯后（見圖2）。也就是說，從流量指令信號發(fā)出到實際流量達到需求至少有120秒延時，這對于整個系統(tǒng)的控制品質惡化造成了雪上加霜的影響。

4.對控制策略做出的優(yōu)化

4.1利用曲線擬合技術替代副回路的調節(jié)作用

副回路的作用只是根據(jù)氨氣流量的需求值來調節(jié)閥門的開度。由于供氨母管的壓力通常維持在一個恒定值，因此閥門的開度和流量就呈現(xiàn)出一定的對應關系。根據(jù)這一對應關系可以直接由氨氣需求量得到閥門開度的值而不用經(jīng)過副回路的調節(jié)，從將系統(tǒng)的滯后時間減少了大約120秒，從而大大提高了控制品質。圖3為優(yōu)化后的控制原理圖。關鍵問題就是如何得到這一對應關系。

從機組運行的歷史數(shù)據(jù)中查閱氨氣流量調節(jié)閥開度與對應氨氣流量的相關關系，從中抽取一定數(shù)量的點利用最小二乘法進行曲線擬合。在實際工程中我們抽取了1000點進行了曲線擬合，由于篇幅所限為了描述方便從中選了10個點進行原理性說明。這10個點如下（其中X表示氨氣流量，Y表示對應的閥門開度）：

隨著計算機技術的發(fā)展，有很多計算軟件可以幫我們完成曲線擬合所需的繁瑣的數(shù)學運算，如matlab、CurveExpert、Origin和Excel等。由于要處理大量的數(shù)據(jù)，考慮到DCS導出數(shù)據(jù)格式的兼容性及后續(xù)推廣時的普遍性，我們選擇了微軟公司的Excel軟件進行曲線擬合。

三種擬合均能較好地擬合原始數(shù)據(jù)，其中一階線性擬合的誤差最小。因此選定一階線性擬合結果做為閥門流量特性曲線的表達式，即F（x） = 0.6102x + 16.206。

4.2利用限幅模塊防止積分飽和

F（x）的輸出范圍為（0，100），與主回路的修正作用疊加后其輸出范圍超出（0，100）。這超出了閥門能夠接收的指令范圍。這種情況下很容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，影響控制系統(tǒng)的品質。為了消除積分飽和，可在系統(tǒng)輸出時增加限幅模塊。系統(tǒng)輸出大于100時實際輸出100，同時產(chǎn)生跟蹤指令，該信號傳遞到PID調節(jié)器后調節(jié)器觸發(fā)閉鎖增，從而防止指令進一步增大。系統(tǒng)輸出小于0時情況類似，不在此贅述。在實際工程中閥門開度達到80%左右氨氣流量便已達到最大值，若指令進一步增大也可能產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。為了消除這一現(xiàn)象可將限幅模塊上限設置為80%，不同的閥門有不同的值，具體值需要查閱歷史數(shù)據(jù)確定。

5.控制策略應用效果

從優(yōu)化前（圖4）后（圖5）的歷史曲線中隨機各抽取一段，通過對比表明優(yōu)化之后的調節(jié)品質得到了大幅的提高。

參考文獻

[1] 脫硝噴氨自動控制在大型火電廠中應用案例分析 馬 瑞。河南華潤電力首陽山有限公司

[2] 火電廠熱工自動控制技術及應用 劉禾，白焰，李新利著。 中國電力出版社，2009年

[3] 自動控制原理 侯加林主編。 中國電力出版社，2008年

[4]? SCR煙氣脫硝氨流量控制策略及優(yōu)化介紹? 朱玉輝，潘喜良。華能重慶珞璜電廠