基于 SCR脱硝出口 NOx测量控制系统优化

高会忠

大唐清苑热电有限公司，河北 保定 071000

【摘 要】：脱硝系统的自动控制品质与电厂的长期运行成本密切相关。由于被控对象的响应纯延迟时间较长，在机组快速升降负荷的情况下，氮氧化物从炉膛燃烧产生时起至被检测时整个过程长达十多分钟，是典型的大滞后被控对象，而且SCR脱硝^[1]过程本身就是一个复杂的非线性化学反应过程，脱硝被控过程的动态特性会持续变化。因此，采用先进控制方案才能达到理想的控制品质。

【关键词】：自动控制^[3] 大滞后 非线性 先进控制方案

我公司脱硝控制系统存在问题

1.1 大延迟系统的控制品质问题

常规PID控制是基于当前控制偏差计算获得当前时刻控制输出，对于大延迟系统的控制往往不能达到比较满意的效果。具体表现为稳定时间长，动态偏差大，尤其是净烟气CEMS值波动大，易导致喷氨过量或瞬时超标。

1.2 空预器进出口压差波动大

由于煤种变化、深度配煤掺烧，尤其是当快速降负荷、启停磨等工况下脱硝系统入口处NOx的小时均值远高于设计值，使得按照30mg/Nm3的要求进行调整时，存在过量喷氨，造成下游空预器硫酸氢铵结晶堵塞的ABS现象频繁发生，严重影响机组安全性。

1.3 NOx分布均匀性

由于出口NOx不均匀性的问题，作为参与闭环控制的唯一点出口NOx浓度无法代表整个反应器截面氮氧化物的浓度值，也对脱硝控制的品质产生不利影响。

当喷氨量过量时，空预器堵塞严重^[4]；当喷氨量严重不足时，NOx超标，进而使得净烟气NOx瞬时超标，持续时间不确定。

先进的SCR脱硝控制系统

采用更快速准确的测量手段，结合预测控制算法，大幅减少出口NOx的波动。从而可以在满足环保指标的情况下，提高出口NOx平均值，减少喷氨量，降低氨逃逸水平，降低脱硝成本。

主要从三方面入手：其一是对脱硝喷氨控制系统进行优化，提高喷氨控制对脱硝烟气来流NOx变化的抗干扰能力，具备精细化调整喷氨量的能力；其二采用基于稀释法采样、化学发光法分析的NOx分区精确测量技术，提高测量的准确性，为脱硝装置整体优化创造条件；其三是利用新型的分区测量技术，与先进的控制算法相结合，进行喷氨的分区控制。

2.1 系统总体方案

总体实现方案分为三大部分：先进测量系统、先进控制系统和喷氨格栅支管段自动化改造。测量数据直接上传到优化服务器，而喷氨主调阀包括新增加的分区调节执行结构的执行指令均由DCS控制通过优化控制服务器给出，实施控制算法策略的优化服务器通过OPC或者MODBUS与DCS通讯。如图1所示。

图1

2.2 总量控制系统介绍

喷氨总量预测控制算法是通过入口NOx软测量技术，预测入口NOx浓度变化情况，并作为喷氨前馈的重要参数，参与到喷氨总量的闭环控制中，解决了入口NOx测量滞后的问题。另一方面，通过试验得到不同负荷下的SCR反应器的传递函数，进而有针对性的实施控制算法模型。

图2 NOx软测量实现方案

依据入口NOx产生的工艺流程，分析其与锅炉中输入的燃料量、风量以及各种燃烧工况等之间的因果关系，采取动态的多元线性回归模型进行预测。入口NOx的测量结果对模型的修正拟合是长期的，需要连续24h采样的测量结果进行印证和修正，以递归出一个较准确和及时的软测量结果。脱硝系统入口和出口NOx的测量存在很大的滞后性，使得控制回路无法适应脱硝过程非线性、大滞后和快时变的特点。所以先进控制技术的实施，首先需要建立精准的入口NOx预测模拟，在表计之前预测出入口NOx值。该前馈算法可以大幅提高喷氨的准确性，提高脱硝控制的品质。

通过入口NOx软测量技术，预测入口NOx，并以此作为喷氨前馈的重要参数，参与到喷氨总量的闭环控制中，解决了入口NOx测量滞后的问题。

主要通过SPSS对数据筛选处理，以SVM为预测模型，并结合粒子群优化算法寻找最优参数，混合模型以获得较好预测精度。

另一方面，通过试验得到不同负荷下的SCR反应器的传递函数，进而有针对性的实施先进控制算法喷氨主回路预测控制算法模型。喷氨主回路的预测控制是一种非常有效的大滞后控制策略，通过它可以预测NOx 浓度在未来一段时间内的变化，从而提前调整喷氨调门的开度，有效抑制NOx 浓度的变化。

根据反馈出口NOx浓度变化情况，对喷氨逐步调整，并根据积累测试得到得数据，自动学习，逐步达到与燃烧器、燃料变化及反应器状态等变化相适应。

均衡控制系统介绍^[2]

采用基于历史数据分析的智能喷氨格栅均衡控制算法。

图3 均衡控制原理图

喷氨格栅均衡控制算法不但要考虑到出口NOx的实时测量值，还要结合出口NOx的历史数据。提出基于喷氨扩散模型、催化剂性能场模型的最佳的出口NOx均衡控制模型。

因SCR出口测点布置位置总体与上游现有的喷氨格栅物理位置对应，各个分区与相邻区域因喷氨流场扩散存在一定的交错重叠区域，在分区控制逻辑调试时，则根据动态调试试验的结果确定各分区喷氨格栅开度对下游各个对应测点和相邻测点的影响因子，从而实现分区SCRMIMO 系统调平时的控制解耦。

优化服务器将均衡控制算法得到的控制策略通过以太网通讯方式传输给DCS，由DCS系统发出各分区调节阀门的开度调节指令。

对于催化剂层出现的局部损坏、局部失效、局部积灰、局部泄漏、催化剂层局部坍塌等异常问题，本技术根据上游喷氨格栅开度变化情况结合出口NOx分区测量仪表的历史数据进行判断，对于NOx浓度长期处于高水平且不随分区喷氨流量增加而变化的NOx浓度分区进行失效模式判断，出现失效分区时逻辑进行失效标记并出现失效报警，同时在人工手动复位失效状态前，暂时将该分区对应的喷氨格栅置于临近分区调节阀的综合权重处理阀位。

控制系统优化效果对比

4.1 2号机组脱硝控制系统优化前效果图

图4 改造前#2机组脱硝系统24小时监测曲线

红色—脱硝净烟气NOx折算浓度 蓝色—总供氨量 绿色—脱硝入口NOx实测浓度

白色—A侧空预器压差 黄色—B侧空预器压差

4.2 2号机组脱硝控制系统优化后效果图

图5 改造后#2机组脱硝系统24小时监测曲线

红色—脱硝净烟气NOx折算浓度 蓝色—总供氨量 绿色—脱硝入口NOx实测浓度

白色—A侧空预器压差 黄色—B侧空预器压差

改造后2号机组脱硝出口NOx折算浓度、入口NOx实测浓度、空预器压差波动明显优于改造前，达到了理想的控制品质。

结束语

通过喷氨总量的控制优化和喷氨分区精细控制^[5]，减少SCR出口NOx在时间上的波动和空间上的浓度分布偏差，最终减少过量喷氨，降低用氨量，提高催化剂使用寿命，降低氨逃逸。从而降低空预器ABS堵塞引起的阻力上升，提高机组负荷接待能力，避免引起电量损失；减少空预器检修维护成本；降低引风机阻力和电耗；提高机组运行的安全可靠性。

参考文献

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郝正，胡小夫，王云，汪洋，沈宪明，李伟，王桦.火电机组SCR脱硝系统精准喷氨优化研究[J].华电技术,2019年10期.