摘要：本文敘述了華潤首陽山發(fā)電廠兩臺630MW 機組脫硝噴氨控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制策略和模糊控制共同完成，能夠準(zhǔn)確的測量、控制相關(guān)設(shè)備，達(dá)到脫硝控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行。華潤首陽山所用的液氨，來自洛陽宏昌工貿(mào)，沒有質(zhì)量問題。
關(guān)鍵詞：液氨 脫硝 常規(guī)PID控制 模糊自控制 優(yōu)化
1、引言
根據(jù)我國環(huán)保政策要求，目前煙氣脫硫項目已基本覆蓋所有燃煤火電機組，但煙氣脫硝還未大規(guī)模的開展應(yīng)用。有相關(guān)研究資料表明，如果還繼續(xù)不加強對煙氣中氮氧化物的控制， 氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。
隨著我國對工業(yè)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格，僅靠低氮燃燒已明顯不能滿足更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。SCR煙氣脫硝技術(shù)是目前減少氮氧化物排放的有效方法，河南華潤電力首陽山有限公司利用原設(shè)計基礎(chǔ)上在2013年更改設(shè)計，投產(chǎn)脫硝裝置，由洛陽宏昌工貿(mào)供應(yīng)液氨，引進(jìn)丹麥SCR煙氣脫硝技術(shù)，采用SCR (Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還 原法)方法，SCR脫硝工藝中，氮氧化物在催化劑作用下被氨還原為無害的氮氣和水，不產(chǎn)生任何二次污染，反應(yīng)通常可在溫度250~450 oC下進(jìn)行，其化學(xué)反應(yīng)如下：
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
SCR 法一般是將氨類等還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOX通過催化反應(yīng)生成氮氣和水，不影響環(huán)境，而除氮氧化物效果明顯，能夠達(dá)到90%以上。
2、脫硝自動控制常規(guī)控制策略分析：
2.1設(shè)備概況：
華潤首陽山電廠分別在2013年5月和10月對二臺超超臨界的630MW機組進(jìn)行了脫硝改造，所用的液氨，來自洛陽宏昌工貿(mào)，沒有質(zhì)量問題。其SCR煙氣脫硝裝置主要由液氨卸載/儲存系統(tǒng)、注統(tǒng)、SCR反應(yīng)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、干除灰系統(tǒng)組成。其工藝流程見圖1。
工藝流程
鍋爐分A/B二側(cè)，每側(cè)有一個供氨調(diào)門，該調(diào)門進(jìn)行對噴氨量的控制，從而參與控制出口煙囪NOx含量，并且二個調(diào)門保持平衡，防止催化劑的老死或者堵塞等現(xiàn)象，洛陽宏昌工貿(mào)公司供應(yīng)的高品質(zhì)液氨含量高，不會造成噴氨孔的堵塞。
2.2設(shè)備運行原理：
SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程示意圖如下圖所示。脫硝系統(tǒng)的工藝裝置主要組成部分包括兩個裝有催化劑的反應(yīng)器、兩個液氨存儲罐及一套氨氣注入系統(tǒng)。來自存儲罐的液氨靠自身的壓力進(jìn)入蒸發(fā)器中，被熱水加熱蒸發(fā)成氨氣。從氨氣積壓器出來的氨氣經(jīng)由稀釋風(fēng)機來的空氣在氨氣/空氣混合器混合稀釋，通過注入系統(tǒng)被注入到煙氣中，被稀釋的氨氣和煙氣在SCR前被充分混合均勻后進(jìn)入兩層催化劑，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，氮氧化物就被脫除。其工藝流程見圖2。
SCR 法的基本原理流程
2.3 自動控制的測量原理：
SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)依據(jù)確定的NH3/NOx摩爾比來提供所需要的氣氨流量，進(jìn)口NOx濃度和煙氣流量的乘積產(chǎn)生NOx流量信號，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號(前饋信號)，根據(jù)煙氣脫硝反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，一摩爾氨和一摩爾NOx進(jìn)行反應(yīng)。摩爾比對應(yīng)關(guān)系的決定是在現(xiàn)場調(diào)試期間來決定并記錄在氣氨流量控制系統(tǒng)的程序上。所計算出的氣氨流量需求信號送到DCS控制器并和真實氣氨流量的信號相比較，所產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比例加積分動作處理送氨氣流量控制閥進(jìn)行定位
同時根據(jù)設(shè)計脫硝38.0%，依據(jù)入口NOx濃度和設(shè)計中要求的≤5.0ppm的氨逃逸率計算出修正的摩爾率(反饋信號)并輸入在氣氨流量控制系統(tǒng)的程序上。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算出的氨氣流量需求信號去定位氣氨流量控制閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制。通過在不同負(fù)荷下的對氣氨流量的調(diào)整，找到的噴氨量。
2.4 常規(guī)自動控制邏輯設(shè)計
1)根據(jù)目前國內(nèi)脫硝系統(tǒng)的運行情況，對脫硝氨氣流量控制一般采用基本控制方式l (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脫除煙氣中NOx ，這種控制方式是設(shè)定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)，控制回路簡單易于調(diào)試和整定，這是這種控制方式的優(yōu)點，其缺點是會過度脫氮，增加運行成本。
2)脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為噴氨量，因此采用良好的控制措施對供氨調(diào)門進(jìn)行控制是脫硝自動的重點。
脫硝控制常規(guī)PID控制SAMA控制主體原則為前饋串級控制，控制的主參數(shù)為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數(shù)為氨氣流量，前饋量為根據(jù)進(jìn)口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID出口用于調(diào)整摩爾比修正值，副回路PID出口用于控制調(diào)門開度。在控制中3個氨氣流量需要由計算流量公式得到，算出的氨氣流量三取中后做濾波處理。
脫硝進(jìn)口煙道NOx修正值=(脫硝進(jìn)口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝進(jìn)口煙道含氧量檢測)。脫硝出口煙道NOx修正值=(脫硝出口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝出口煙道含氧量檢測)。設(shè)定負(fù)荷跟實際負(fù)荷的偏差對于氨氣量的修正根據(jù)實際情況得到。
由于脫硝噴氨自動系統(tǒng)具有較大的延遲性，目前用常規(guī)控制策略，容易導(dǎo)致脫硝噴氨控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，目前在國內(nèi)不建議利用該方法進(jìn)行噴氨自動控制。
3、脫硝噴氨系統(tǒng)模糊控制策略分析
3.1設(shè)備概況：
在國內(nèi)，針對比如SCR脫硝控制系統(tǒng)這樣大滯后、大延時的控制，引進(jìn)了針對控制對象的預(yù)測控制技術(shù)、融合改進(jìn)的狀態(tài)變量控制、相位補償控制技術(shù)，代替了經(jīng)典PID控制。能夠提前預(yù)測被調(diào)量未來變化趨勢，根據(jù)被調(diào)量未來變化量進(jìn)行控制、提前調(diào)節(jié)，提高了脫硝系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動能力。華潤首陽山電廠脫硝大膽引入了由東南大學(xué)研究的英菲迪控制系統(tǒng)，通過和DCS常規(guī)系統(tǒng)的耦合，達(dá)到了的控制。
3.2模糊控制的特點
3.2.1實時動態(tài)特性校正和補償
采用智能前饋技術(shù)對脫硝控制系統(tǒng)受到擾動進(jìn)行動態(tài)補償，從反應(yīng)源頭消除NOx濃度劇烈波動;模糊控制系統(tǒng)采用競爭型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來實時校正上述動態(tài)補償算法中各項特性參數(shù)，使得整個系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)狀態(tài)，控制結(jié)果不斷向目標(biāo)逼近。
3.2.2 增加AGC指令頻繁變化特別節(jié)氨算法
AGC指令變化頻繁將導(dǎo)致脫硝出口NOx濃度反復(fù)波動，若控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制策略，因反饋調(diào)節(jié)作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩，使控制品質(zhì)明顯變差。模糊控制系統(tǒng)根據(jù)機組AGC指令變化，實時預(yù)測NOx濃度波動規(guī)律，調(diào)整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，減少不必要的控制調(diào)節(jié)，氨氣消耗明顯減少。
3.2.3在線評估測量儀表數(shù)據(jù)
模糊控制系統(tǒng)根據(jù)機組運行參數(shù)對NOx測量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線評估;系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)測量參數(shù)失真現(xiàn)象后立即調(diào)整該測量參數(shù)在控制系統(tǒng)中的權(quán)重占比，將測量值失真給控制系統(tǒng)造成的影響降至，從而保證脫硝控制系統(tǒng)長期可靠運行。
4、常規(guī)控制和模糊控制共同在機組噴氨系統(tǒng)上的應(yīng)用
4.1 實施方式
常規(guī)控制以目前DCS為載體，而模糊控制系統(tǒng)以PLC為載體，采用SCL、STL語言開發(fā)算法模塊，采用封裝技術(shù)建立比DCS系統(tǒng)功能更強大的組態(tài)函數(shù)庫，通過函數(shù)調(diào)用完成模糊控制系統(tǒng)的建立;模糊控制系統(tǒng)與機組DCS采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊方式交換數(shù)據(jù)，取得機組負(fù)荷、NOx濃度、NOx設(shè)定等數(shù)據(jù)，借用常規(guī)控制邏輯的某些邏輯通道，將優(yōu)化計算后控制指令傳至DCS，與原有DCS脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行切換完成噴氨自動調(diào)節(jié)。
4.2 二種控制方式的數(shù)據(jù)交換
常規(guī)控制采用噴氨調(diào)門開度、煙囪入口NOx濃度、煙囪入口O2濃度、脫硝氨氣流量、脫硝入口NOx測量值、脫硝出口NOx測量值、脫硝入口O2測量值、脫硝出口O2測量值、脫硝出口氨測量值、脫硝效率、分析儀故障等信號，而模糊控制系統(tǒng)采集除了上述信號外，還包括了鍋爐指令、速率限制之前的功率指令、速率限制之后的功率指令、鍋爐總風(fēng)量等，這些數(shù)據(jù)充分反映系統(tǒng)運行狀況。
模糊控制指令生成
4.3 系統(tǒng)投運
在DCS脫硝畫面增加模糊控制系統(tǒng)投退按鈕，投入模糊控制控制方式后，將A側(cè)和B側(cè)噴氨調(diào)節(jié)閥投入自動即可實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對SCR出口NOx濃度自動控制;模糊控制自動投入與A、B側(cè)噴氨自動的投入不分先后。模糊控制系統(tǒng)投入與退出均實現(xiàn)無擾切換。
在火電廠中，NOX的有二組數(shù)據(jù)，一組為脫硫出口數(shù)據(jù)、一組為脫硝出口，為了更有效的控制，我們在控制中，把二組NOX數(shù)據(jù)都引入到模糊控制中，根據(jù)實際情況，進(jìn)行隨時切換，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
模糊控制投入圖、常規(guī)PID控制投入圖
模糊控制系統(tǒng)投運后，若某側(cè)測量信號存在問題或噴氨調(diào)節(jié)閥存異常，則自動切換到常規(guī)自動控制，或者由運行人員接觸自動，進(jìn)行手動控制;二次均是獨立自動方式，相互操作不受影響。
5、應(yīng)用效果
模糊控制系統(tǒng)投運以來，控制品質(zhì)明顯改善，機組負(fù)荷穩(wěn)定、快速變負(fù)荷及啟停制粉系統(tǒng)狀況下，SCR出口的Nox濃度均控制在合理范圍內(nèi)。
6、結(jié)束語
通過近一年的實際應(yīng)用，模式控制技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、控制效果滿意;調(diào)節(jié)靈敏、系統(tǒng)抗干擾性能強，能適應(yīng)負(fù)荷大幅變化及個別參數(shù)異常;常規(guī)PID控制對模糊控制的有利的補充，當(dāng)模糊控制出現(xiàn)各種參數(shù)監(jiān)測異常，模糊控制系統(tǒng)無擾切換至常規(guī)控制穩(wěn)定運行;高含量的液氨用于脫硫脫硝是經(jīng)濟有效的。
目前在國內(nèi)采用常規(guī)PID和模糊控制共同組合的這種方式，能夠有效的提升熱控自動化水平，滿足環(huán)保部門及其對大型排污企業(yè)監(jiān)控要求，取得了社會和企業(yè)雙重效益。
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