基于现代控制的脱硝喷氨自动优化

基于现代控制的脱硝喷氨自动优化

张小强

（大唐林州热电有限责任公司河南林州456561）

摘要：本文以大唐林州热电有限责任公司2*350MW超临界机组喷氨自动的优化为例，对如何解决脱硝喷氨自动调节品质差、氮氧化物波动大等问题的方法进行分析探讨。

关键词：脱硝SCR；喷氨自动；自动调节品质；现代控制

0引言

随着我国经济的发展，在能源消费中带来的环境污染也越来越严重。燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。在我国，二氧化硫、氮氧化物等有害物质主要是由燃煤过程产生的。其中为减少氮氧化物的排放，我国已在电力燃煤机组全面实施烟气脱硝，其中大多采用SCR（SelectiveCatalyticReduction，选择性催化还原法）方法，SCR法一般是将氨类等还原剂喷入烟气中，利用催化剂将烟气中的NOx转化为N2和H2O。主要的化学反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O（1）

6NO2+8NH3→7N2+12H2O（2）

烟气中NOX主要NO2和NO组成，其中NO能占到95%以上，因此化学反应方程式（1）被认为是脱销反应的主方程式。

大唐林州热电有限责任公司2*350MW超临界机组脱硝工程采用SCR方法，SCR催化剂采用3层布置，脱硝效率达到90%以上，2台机组脱硝系统投运后发现喷氨自动调节特性较差具有较大的超调量和稳态偏差，极易造成排放超标或氨逃逸超标。排放超标违法国家环保要求，易造成较大的环保考核和造成不良的社会影响；而氨逃逸量超标，容易造成空预器硫酸盐结垢的形成，严重影响机组的安全性与经济性。因此，必须对脱硝喷氨自动进行优化，使其控制品质满足现场需求。本文以大唐林州热电有限责任公司2*350MW超临界机组为例对喷氨自动的优化方法进行探讨。

1脱硝喷氨自动控制现状

大唐林州热电有限责任公司2*350MW超临界机组喷氨自动控制在和利时MACSV分散控制系统上实现。脱硝喷按自动控制采用常规PID+前馈的控制策略（控制原理如图1所示）。在自动投入的情况下，运行人员手动设定出口氮氧化物目标值（SP），与实际的氮氧化物浓度比较后送入控制器，得出对理论喷氨量的一个修正系数。理论喷氨量是由当前燃料量、负荷、入口氮氧化物浓度等参数经过计算得出，经过外回路输出值的修正后作为内回路PID控制器的设定值（SP），根据与实际喷氨量的偏差，控制供氨调阀开度，实现对脱硝喷氨的自动控制。

图1：脱硝喷氨控制原理图

一般采用常规PID+前馈的控制策略多应用在具有延迟的惯性系统上且具有较好的控制效果，但脱硝系统氨气与氮氧化物的化学反应属于典型的纯延迟大惯性系统且外扰因素太多，因此，在实际应用中采用这种控制策略容易造成超调过调、系统震荡。极易造成环保数据超标或氨逃逸过量现象。

2脱硝喷氨自动优化的方法探讨

基于现代控制理论的模型预测控制技术采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，实现了基于模型的闭环优化控制，对纯滞后大惯性系统控制具有较好的控制效果。同时，常规PID+前馈的控制方式具有模型依赖小、控制可靠性高的特点，因此，采用模型预测控制与常规PID+前馈控制有机结合（控制原理图如图2所示），既发挥模型预测控制对大惯性控制性的优势，又能发挥常规PID+前馈控制的可靠性高、模型依赖小的优势，整体提升喷氨自动的控制品质。

图2：模型预测控制原理图

脱硝控制系统建模是该控制方案的难点，也是关键点，只有建立的模型足够准确才能发挥模型预测控制的优势，否则控制效果将很难达到理想效果。为解决该问题我们利用系统输入、输出参数的历史数据，利用matlab系统辨识工具箱采用系统辨识的方法，完成控制系统的建模工作，并通过开环、闭环扰动试验来验证模型的准确性。并通过matlab的仿真试验得出采用模型预测控制与常规PID+前馈控制有机结合的控制策略可以实现对喷氨自动的优化调整的目的（图3为两种控制策略的matlab仿真结果）。

图4：SiemensS7控制器与DCS连接图

大唐林州热电有限责任公司#1、#2机组脱硝喷氨控制优化，均采用了增加优化控制器的方式进行，将参与控制的控制量如出口氮氧化物设定值、喷氨量、调门开度反馈、脱硝进出口氮氧化物浓度、给煤机煤量、机组负荷、总风量等实时运行参数通过硬接线传递给控制器，控制器经过控制运算后将喷氨调阀开度传给DCS系统，通过DCS系统对喷氨调阀进行控制，以此实现脱硝喷氨的自动控制。其中，未避免优化控制器出现异常故障现象，在DCS侧设定有优化调整自动投入、退出无扰切换逻辑，并在脱硝运行画面上增加有运行人员可操作的投入、退出按钮，以便于运行人员可根据实际情况进行投退。

图6：喷氨自动优化调整后脱硝出口氮氧化物浓度

图5、图6分别是喷氨自动优化调整前后氮氧化物出口浓度24小时趋势图，从图中可以明显看出优化后出口氮氧化物浓度超调量、稳态偏差明显减小，控制品质有明显提示，使出口氮氧化物浓度长时间达标排放，且避免了喷氨过量、大量氨逃逸情况的出现，明显提升机组运行的经济性和安全性。

4结束语

采用基于现代控制理论的模型预测控制算法可以有效提高脱硝喷氨控制的自动化水平，降低了运行人员的劳动强度，解决了喷氨自动常规PID控制超调量大、系统震荡的难题。也解决了脱销系统过量喷氨的问题，每天可节约液氨1吨左右。同时，明显减轻了空预器堵塞情况，从改造完投运后我公司#1号机组在网连续运行180天期间空预器差压未出现明显增大现象。此外，模型预测控制算法在脱硝喷氨控制系统的成功实施，也为其在发电厂其它纯滞后大惯性系统的应用提供了借鉴意义。下一步，我们将要重点研究模型的预测控制在其它控制系统实施的可行性，并建立健全模型动态优化修正功能，以提高模型的自动学习能力，进一步提高模型的适应性。

参考文献：

[1]段松涛大唐林州热电有限责任公司#1、#2机组脱硝系统喷氨控制优化项目报告[Z]郑州：河南恩湃高科，2014

[1]刘金琨先进PID控制MATLAB仿真（第3版）[M]北京：电子工业出版社，2014.