燃煤機組脫硝自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

張成林

(中國石化集團勝利石油管理局勝利發(fā)電廠，山東 東營 257000)

我廠1×660 MW燃煤機組煙氣脫硝裝置，于2015年12月完成168 h試運行，煙氣脫硝與主體工程同步運行。脫硝設(shè)計采用“選擇性催化還原技術(shù)”(SCR)，原SCR出口NOX分析儀表因采用量程為0～500 mg/m3，出口NOX數(shù)值難以滿足國家環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的要求；同時，自動控制系統(tǒng)存在其他軟硬件缺陷，且自動投入率較低。為此，擬對該脫硝自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。

由于脫硝系統(tǒng)存在較大的時延特性，自動調(diào)節(jié)品質(zhì)的完善需要設(shè)備和控制策略的協(xié)調(diào)。如果設(shè)計方案不合理、自動儀表和調(diào)節(jié)機構(gòu)選型不當(dāng)、安裝質(zhì)量不高、被控對象存在缺陷等，則無論如何優(yōu)化控制器，都不會得到滿意的結(jié)果。同樣，一個設(shè)計合理、安裝正確的控制系統(tǒng)，只有經(jīng)過正確的參數(shù)整定，結(jié)合不同工況的運行情況進行優(yōu)化，才能達到預(yù)期的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 硬件缺陷的影響分析

本脫硝控制系統(tǒng)即脫硝煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)包括CEMS分析系統(tǒng)、IDAS系統(tǒng)、脈沖及聲波吹灰系統(tǒng)、DCS自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、催化劑反應(yīng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)最終的NOX達標(biāo)排放。

CEMS系統(tǒng)是脫硝系統(tǒng)的硬件核心，包括樣氣采集系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、定時反吹系統(tǒng)等子系統(tǒng)。任何一個子系統(tǒng)發(fā)生故障，都對最終NOX數(shù)值是否達標(biāo)產(chǎn)生重要影響，因此日常工作中工程師都特別重視CEMS的定期檢查和校驗工作。DCS上位機系統(tǒng)對各子系統(tǒng)都有運行狀態(tài)和故障的監(jiān)視，在其控制策略中也增加了故障判斷和應(yīng)對措施。

1.1.1 出口CEMS分析儀表的精度低

設(shè)計之初，按照當(dāng)時的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)出口分析儀表的量程和入口分析儀表的量程相同，都為0～500 mg/m3。隨著“50355”新標(biāo)準(zhǔn)的施行，出口儀表量程太大的弊端逐漸顯現(xiàn)。通過分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)：出口量程儀表過大，直接造成出口NOX超過50 mg/m3；同時，分析儀出口測量NOX的數(shù)值在0～500 mg/m3范圍內(nèi)變化，其幅度相對被放大10倍，造成了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的波動。

1.1.2 入口系統(tǒng)氧含量波動大

NOX(mg/m3@6%O2)=

(1)

式中：NOX(mg/m3@6%O2)為修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧含量為6%時干煙氣中NOX的排放濃度，mg/m3；NOX(mg/m3)為分析儀實際測量的煙氣中NOX濃度，mg/m3；O2為實測干煙氣中氧含量，%。

本系統(tǒng)出口及入口干煙氣中NOX的排放濃度分別按照公式(1)修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧含量為6%時計算[1]。通過理論分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實測干煙氣中氧含量偏高時，NOX(mg/m3@6%O2)的數(shù)值也偏高；當(dāng)煙氣中氧含量波動時，NOX(mg/m3@6%O2)的數(shù)值也會隨之波動，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

結(jié)合CEMS分析系統(tǒng)中冷凝子系統(tǒng)的設(shè)計原理和系統(tǒng)的工作過程，我們找到了入口系統(tǒng)氧含量波動大的原因，即當(dāng)自動反吹系統(tǒng)運行結(jié)束瞬間，冷凝子系統(tǒng)會反吸大量水分，造成反吹結(jié)束后系統(tǒng)O2含量明顯升高且長時間保持，其具體表現(xiàn)為入口系統(tǒng)氧含量在每個吹掃周期內(nèi)都會由正常值6%瞬間增長到滿量程21%，然后再隨機恢復(fù)到比正常值偏高的某一范圍內(nèi)。

1.1.3 吹灰系統(tǒng)的改造

原有脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器平面尺寸為10.15 m×15.60 m，聲波吹灰器布置在15.60 m側(cè)，吹灰器軸向距離為10.15 m。原每層催化劑布置4臺聲波吹灰器，聲波吹灰器間距為3.9 m。鑒于吹灰器距離較長，吹灰效果不佳，本次改造為原初裝層每層增加一臺聲波吹灰器，原吹灰器相應(yīng)移位，新增一層催化劑層以增加聲波吹灰裝置及管路系統(tǒng)，共增加14臺吹灰器。

聲波吹灰改造結(jié)束后，完善了DCS順控邏輯，增加了自動循環(huán)功能，并可以根據(jù)工況設(shè)定循環(huán)次數(shù)和時間。吹灰效果的改善有利于反應(yīng)器壽命的延長和催化還原效果的提高，從而間接地提高了自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1.2 DCS控制器的影響分析

在自動控制領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制策略是PID控制。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的，它以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖1為經(jīng)典PID控制器傳遞函數(shù)方框圖[2]。

圖1 PID控制器傳遞函數(shù)方框圖Fig 1 Block diagram of transfer function of PID controller

利用PID控制器進行DCS自動調(diào)節(jié)時，我們將串級PID控制器優(yōu)化為串級摩爾比控制器，其邏輯控制如圖2所示。該控制策略是通過模擬量反饋運算控制提供理論需氨量，以維持反應(yīng)器出口NOX濃度，使其在設(shè)定范圍；利用爐膛煙氣入口NOX數(shù)值和爐膛煙氣流量的乘積運算得出爐膛內(nèi)NOX含量，通過NH3/NOX摩爾比運算得到氨氣需求量，并以此控制噴氨調(diào)門，實現(xiàn)噴氨系統(tǒng)的自動控制[3]。

由于脫硝系統(tǒng)具有明顯的大時延特性，初次優(yōu)化后的串級摩爾比控制器調(diào)節(jié)效果并不理想，特別是工況變化較大、中調(diào)指令開關(guān)投切瞬間，系統(tǒng)的響應(yīng)負荷特性差，頻繁出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，環(huán)保NOX數(shù)值多次超標(biāo)。

2 系統(tǒng)優(yōu)化及PID整定

2.1 設(shè)備改造

針對出口CEMS儀表量程太大的情況，決定采用具有高、低兩種量程且能夠相互切換的CEMS儀表為系統(tǒng)的出口儀表，以滿足不同工況的要求。其大量程模式(0～80 mg/m3)是為了監(jiān)視非正常工況下噴氨自動調(diào)節(jié)品質(zhì)而設(shè)計；低量程模式(0～40 mg/m3)為本系統(tǒng)常規(guī)運行模式，其精度高、反應(yīng)靈敏，有效改善了脫硝系統(tǒng)的時滯特性。

針對入口CEMS大量水分反吸的問題，決定將冷凝子系統(tǒng)改造為雙蠕動泵系統(tǒng)，優(yōu)化部分旁路設(shè)計，增強了系統(tǒng)的密閉性和可靠性。系統(tǒng)投入后，改造效果明顯，解決了O2含量波動大、系統(tǒng)吹掃后長期不恢復(fù)的難題，降低了維護成本。

2.2 優(yōu)化控制器

2.2.1 優(yōu)化PID控制器

結(jié)合工況變化，在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上從以下幾個方面進行了創(chuàng)新應(yīng)用，即優(yōu)化PID控制器中理論計算NOX的前饋回路[4]，增強了控制器的機組響應(yīng)特性和可靠性；增加煙囪NOX測量值的前饋環(huán)節(jié)，提高了理論需氨量計算的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；經(jīng)過在線參數(shù)整定和優(yōu)化，最終完成自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化。優(yōu)化后的噴氨量串級控制系統(tǒng)見圖3。優(yōu)化過程及優(yōu)化方法如下：

(1) 實現(xiàn)無擾切換

脫硝NOX的控制可以由人工通過操作器操作噴氨調(diào)門等設(shè)備進行調(diào)節(jié)控制，但因工作量很大，經(jīng)常會出現(xiàn)脫硝NOX超標(biāo)的情況。所以一般將控制系統(tǒng)投入自動模式，即運行人員只需要通過控制器設(shè)定要達到的脫硝出口NOX目標(biāo)值，控制系統(tǒng)將自動調(diào)節(jié)閥門，達到控制目的。

控制系統(tǒng)投入自動模式時，首先應(yīng)避免擾動，即實現(xiàn) “無擾切換”。因此控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)跟蹤功能，具體做法是:將操作器的輸出設(shè)定為自動控制器的跟蹤值，當(dāng)系統(tǒng)由手動切入自動狀態(tài)時，系統(tǒng)會首先跟蹤到手動模式下運行人員的設(shè)定值，而不會由于投入自動模式引起系統(tǒng)的擾動。

圖2 串級PID控制圖Fig 2 Control chart of cascade PID

圖3 最終的串級PID控制圖Fig 3 Final cascade PID control chart

(2) 優(yōu)化死區(qū)等參數(shù)

根據(jù)工況及系統(tǒng)運行效果，結(jié)合現(xiàn)場執(zhí)行器的特性，對噴氨調(diào)節(jié)閥死區(qū)、模擬量傳送死區(qū)、自動反吹保持時間、聲波吹灰順控系統(tǒng)控制時序等參數(shù)進行校核和優(yōu)化，使得各子系統(tǒng)和現(xiàn)場執(zhí)行器協(xié)調(diào)工作，整體提升調(diào)節(jié)品質(zhì)。

(3) 優(yōu)化理論計算NOX的前饋回路

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)負荷的快速性和理論計算NOX含量的準(zhǔn)確性，將反應(yīng)鍋爐負荷的重要參數(shù)主蒸汽流量實時值的平均值引入前饋回路；同時，考慮爐膛內(nèi)燃燒變化的影響，在子回路中增加了爐膛O2含量實測值的前饋環(huán)節(jié)，從而更直觀可靠地補償燃燒的變化量。

(4) 優(yōu)化理論需氨量計算回路

由于環(huán)保部門實時監(jiān)控各電廠煙囪出口的NOX濃度，因此煙囪出口NOX測量值的可靠性要求很高。為了提高理論需氨量計算的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了脫硫塔凈煙氣NOX濃度值微分前饋環(huán)節(jié)；同時，為平衡各種工況和煤質(zhì)變化，增加了調(diào)節(jié)開關(guān)，以便選擇最合適的前饋補償。

2.2.2 PID整定

控制器參數(shù)整定是根據(jù)被控對象的特性及工況選擇最佳的參數(shù),如PID參數(shù)、內(nèi)部函數(shù)f(x)、補償量等。在本系統(tǒng)，完成硬件改造及軟件優(yōu)化后，各元件特性已經(jīng)確定，但能否工作在最佳狀態(tài)并適應(yīng)不同工況將主要取決于控制器參數(shù)整定的結(jié)果。根據(jù)系統(tǒng)特性，對最終的串級摩爾比PID控制器采用臨界比例帶法[2]進行PID參數(shù)整定。

(1)將參數(shù)Ti設(shè)為無窮大、Td設(shè)為0、比例帶δ設(shè)為較大的數(shù)值后，將控制系統(tǒng)投入閉環(huán)。

(2)在系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，觀察控制過程，直到出現(xiàn)4～5次等幅振蕩，如圖4所示，記下此時的臨界比例帶δKP和臨界振蕩周期TKP。

圖4中，橫坐標(biāo)為時間t,單位為s;縱坐標(biāo)為PID控制器的輸出值y,單位為%；TKP為PID控制器的臨界振蕩周期，單位為s。

圖4 臨界比例帶法PID參數(shù)圖[5]Fig 4 Parameter comparison table of critical proportional band method[5]

(3)根據(jù)記錄的δKP和TKP由表1查得調(diào)節(jié)器參數(shù)Td。按照以上參數(shù)設(shè)定控制器并適當(dāng)增大比例帶，同時根據(jù)工況進行系統(tǒng)的階躍擾動試驗，并觀察控制過程，然后再次整定各參數(shù)。

表1臨界比例帶法參數(shù)對照表[2]
Table1Contrast Table of Critical Proportional Belt PID Parameter Diagram[2]

整定參數(shù)δ/%Ti/sTd/sP2δKPPI2.2δKP0.85TKPPID1.67δKP0.5TKP0.13TKP

注：δ為比例度，%;Ti為積分時間,s;Td為微分時間，s。

3 優(yōu)化效果檢查

閉環(huán)控制系統(tǒng)，特別是具有時延特性的串級控制系統(tǒng)，調(diào)試過程比較緩慢，必須根據(jù)工況的變化反復(fù)整定參數(shù)，并重視各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性；不能過分強調(diào)控制器的動態(tài)控制作用，而忽視系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間的靜態(tài)配合。

在綜合經(jīng)驗法和比例帶法的基礎(chǔ)上，經(jīng)粗調(diào)和精調(diào)的完美配合，完成了本系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定，并投入運行。圖5、圖6分別為系統(tǒng)優(yōu)化前、后脫硝反應(yīng)器出口NOX的濃度曲線圖。由圖5、圖6可以明顯看出，優(yōu)化后的環(huán)保排放NOX數(shù)值能夠穩(wěn)定達標(biāo)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性好，且能更快地響應(yīng)機組負荷，調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯改善。

圖5 優(yōu)化前脫硝出口NOX濃度曲線Fig 5 NOX concentration curve of denitrification outlet before optimization

圖6 優(yōu)化后脫硝出口NOX濃度曲線Fig 6 NOX concentration curve of denitrification outlet after optimization

4 總結(jié)

將各硬件子系統(tǒng)看作是脫硝系統(tǒng)控制器內(nèi)部的一個元件，在優(yōu)化控制器的同時，優(yōu)化元件特性、改造硬件設(shè)備，共同提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。