摘要：针对某发电厂1000MW锅炉及其他机组脱硝自动控制系统存在的问题，提出了加入智能前馈控制模块的优化方法。在分析了影响反应器入口NOx质量浓度的因素的基础上，把这些因素作为前馈信号加入传统控制方法中，实现了准确控制喷氨量，减少了氨逃逸和氨消耗量。对比分析优化前后的出口NOx质量浓度及氨逃逸的数据，结果表明加入智能前馈控制后，提高了脱硝全过程的鲁棒性，提高了火电厂脱硝控制系统自动化水平。
关键词：电站锅炉；SCR脱硝技术；脱硝自动控制系统；智能前馈控制策略；优化控制
Optimization of automatic denitrification control system based on intelligent feed forward strategy
HOU Xiaoliang1，LIU Zongkui2，XU Xiaojing3，GAO Jianqiang4
1.National electric investment group company，Beijing，100033，China；
2.The SPIC Henan Company Technology & Information Center，zhengzhou，henan450001；
3.The SPIC Zhengzhou Gas Generation Co.，Ltd，r，zhengzhou，henan450001；
4.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China
Abstract：Aiming at the common problems existing in the denitration control system of 1000MW boiler as well as of other units in power plants，an optimization method is studied by adding intelligent feedforward control module.The factors that influence the concentration of NOx at the inlet of the denitrification reactor are analyzed.Based on the traditional control method，taking these factors as feed-forward signals，to achieve accurate control of ammonia injection quantity，reduce the consumption of ammonia and ammonia escape.The data of NOxconcentration and ammonia escape after optimization is compared with those before.The results show that the robustness of denitrification and the automation level of denitration control system in power plant are improved after adding intelligent feedforward control.
Key words：power plant boiler；SCR denitration technology；denitration automatic control system；intelligent feed forward control strategy；control optimization
我国主要是以煤炭为主要能源的国家，燃煤排放出的NOx对大气所造成的污染相当严重。现阶段，环境污染已经成为困扰社会发展的重要因素。选择性催化还原法（SCR）脱硝技术广泛应用于火电厂[1]。SCR脱硝系统由于其较高的脱硝效率，是近年来大型火电机组脱硝系统改造的首选类型，而长期以来对SCR脱硝系统的研究主要针
对于其物理原理、设备结构和运行方式方面，却一直忽略了对脱硝自动控制策略的研究，而事实上脱硝系统的自动控制品质与电厂的长期安全运行及经济效益密切相关[2]。
目前，部分火电机组的SCR脱硝控制系统由于控制策略设计不完善、控制目标不明确、现场测量条件等问题，喷氨量不能及时地随着SCR入口NOx质量浓度的变化做出相应的调整，导致系统的自动投入率和投入效果均较差，使得整个脱硝系统的运行性能明显受到影响[2]。针对以上存在的问题，本文基于选择性催化还原法（SCR）脱硝的控制原理，采用前馈技术对脱硝系统控制策略进行优化。在充分了解影响炉膛内NOx生成因素的基础上，进行前馈控制策略的优化。采用前馈技术对脱硝控制系统的各种扰动因素进行动态补偿，实现SCR入口NOx质量浓度变化及失真时所需喷氨量的动态修正，达到烟囱NOx排放浓度小于50 mg/m3的“超低排放”目标[3]。
1 智能前馈控制策略
该厂的SCR脱硝反应器的入口NOx的质量分数有时会达到450mg/m3，如果喷氨量不能及时增加，会导致出口NOx的质量分数高于50mg/m3，不能达到排放标准，脱硝效果比较差，脱硝控制系统不能实现自动控制，甚至会出现脱硝控制系统退出等问题。因此在脱硝控制系统中加入智能前馈控制对于实现全工况达标排放，提高SCR自动控制系统的鲁棒性非常重要[4]。
锅炉中影响煤粉燃烧及NOx的生成的因素有很多，其影响因素主要有机组负荷（反映炉内燃烧温度水平）、二次风量（或二次风门组合方式）、煤量、风煤比等[5]。这些前馈信号都能反映锅炉炉内燃烧完成后进入SCR反应器之前烟气NOx质量浓度的变化，上述因素可以使喷氨指令加快动作，减少滞后环节，降低调节周期和过调量，提高调节品质。前馈控制可以预先消除大的参数变化，提高系统的抗干扰能力及SCR自动控制系统的鲁棒性。下面结合电厂实际运行数据分析，功率、二次风（氧量）、煤量、风煤比对炉内NOx的生成及SCR反应器入口NOx质量浓度的影响，进而利用各因素作为前馈信号优化脱硝自动控制系统[6]。
2 影响NOx生成的因素
2.1 功率
当功率变化时必然会脱硝反应器入口NOx浓度的变化，其对应关系如图1所示。
从图1中可以看出，功率增加后，反应器入口NOx的质量分数也会增加，但是入口NOx的质
量分数的增加会延迟约1~2min，功率信号可以提
图1 入口NOx的质量分数与功率关系
前反映反应器入口NOx的质量分数，因此在前馈控制中增加功率信号，预测反应器入口NOx的质量分数，进而使控制喷氨量的阀门提前动作，实现喷氨量的及时调整。
2.2 二次风
锅炉一般通过送风量来改变锅炉的氧量，随着氧气的体积分数的增加，锅炉NOx排放量也会增加。随着氧量的增加，燃烧强度加强，炉膛温度提高，热力型NOx的生成量增大，同时氧量增加后为含氮化合物氧化成NOx提供了条件，燃料型NOx生成量也增大，因此总的NOx生成量增加。入口NOx的质量分数与二次风量对应关系如图2所示。
图2 入口NOx的质量分数与二次风量关系
从图2可以看出，随着二次风量增加，大约20s后SCR入口NOx的质量分数也会出现增加的趋势，炉膛的二次风量可以提前反映SCR反应器入口NOx的质量分数，因此在脱硝前馈控制模块中可以增加二次风量作为控制喷氨量的前馈信号。
2.3 煤量
煤量是影响NOx生成的重要因素，SCR反应器入口NOx的质量分数随煤量的变化关系如图3所示。
图3 入口NOx的质量分数与煤量的关系
从图3中可以看出，随着入炉煤量增加，反应器SCR入口NOx的质量分数也会增加，从图中可以进一步看出，煤量在第12s增加后，入口NOx的质量分数在第126s时开始明显增加，入炉煤量大约可以提前2min反映SCR入口NOx的质量分数的变化，因此可以通过煤量信号提前预测SCR反应器入口NOx的质量分数水平。
2.4 风煤比
从氮氧化物生成过程中可以看出，煤量和氧量同时影响NOx的生成，风煤比与NOx生成浓度的关系如图4所示。
从图4可看出，风煤比在第12s时上升，SCR入口NOx的质量分数在第198s时也开始上升；风煤比在第120s开始下降时，入口NOx的质量分数在第282s时也出现下降趋势，因此在风煤比变化后的2~3min内反应器入口NOx的生成浓度也会发生相应变化。这里风煤比指总风量与总煤量的比值。风煤比比值呈上升趋势，在一定程度上破坏了燃烧初期的缺氧燃烧状态，是造成NOx生
成浓度增加的重要原因。通过对数据进行综合分析得到，风煤比增加，主燃烧区过量空气系数逐
步升高；同时，一次风相对减少，二次风相对增
图4 入口NOx的质量分数与风煤比的关系
加，燃烧器喷口一次风速降低，煤粉穿透回流区能力减弱，受炉膛辐射及卷吸高温烟气的影响，且二次风与一次风混合较快，加快了煤粉中挥发分的析出着火和固定碳的燃烧，在燃烧器喷口附近产生局部高温，生成大量燃料型NOx。锅炉风煤比可以提前反映随后脱硝反应器入口NOx质量浓度的变化[7-8]。因此将锅炉风量、煤量信号接入喷氨前馈计算过程中，计算实时风煤比例与预设值的偏差，将其作为喷氨需求量的修正因子加入脱硝自动控制系统，最终使喷氨阀门能尽量提早动作。
从上述分析中可以得出功率，二次风（氧量），煤量，风煤比是影响NOx生成和SCR反应器入口NOx的质量分数的重要因素。同时结合实际运行数据的图线分析，得到各因素提前对SCR反应器入口NOx的质量分数的变化做出预测的时间等。基于上述分析可以得出，需要在前馈控制中加入功率，二次风（氧量），煤量，风煤比等修正环节，提前对SCR反应器入口NOx的质量分数进行预测[9]。上述因素作为前馈信号构建智能前馈控制模块，加入到脱硝自动控制系统，可以使喷氨量能更及时的随着SCR反应器入口NOx的质量分数的变化而变化。
3 智能前馈控制图
图5采用SCR反应器入口NOx含量、出口NOx含量、6台磨煤机煤量、发电机功率、总煤量、二次风量、风量以及计算得到的风煤比等作为脱硝控制系统的前馈信号，经过折算输入到PID前馈端，作用于喷氨量调节装置，及时的修正喷氨量，减少负荷等变动对脱硝自动控制系统及NOx排放浓度的影响[10]。
图5 PID前馈控制图
4 优化结果分析
4.1 喷氨量优化分析
对比加入前馈控制前后喷氨量和进出口NOx质量分数的数据，分析喷氨量优化结果。增加前馈前喷氨量和NOx质量分数的变化如图6所示。
图6 未加前馈控制时喷氨量和反应器进出口NOx的质量分数变化图
从未加前馈的喷氨量和反应器进出口NOx质量分数的图6中可以看出，控制喷氨量的阀门不能及时随着反应器入口NOx的质量分数的变化而相应地的调整开度。当反应器入口NOx的质量分数增加时，控制喷氨量的阀门并未及时相应的开大，这将导致喷氨量不能及时满足反应器中NOx发生化学反应所需的氨气量，反应器中的NOx不能完全反应，进而导致反应器出口NOx的质量分数增加，可能会导致氮氧化物的超标排放[13]。
根据加入喷氨量前馈控制后的运行数据得到的图线7，从图中可以看出，入口NOx的质量分数在第6s，48s减少时，喷氨量阀门及时关小，基
本没有时间延迟，反应器出口NOx的质量分数也呈现下降的趋势，并没有因为喷氨量的阀门关小而增加，而且出口NOx质量浓度的波动范围比优化前变小，说明反应器出口NOx的质量分数得到了有效的控制，更有效的保证了氮氧化物达到排
放标准。因此，加入前馈控制后，控制喷氨量的阀门随着反应器入口NOx的质量分数的变化几乎
图7 加入前馈控制后喷氨量和反应器进出口NOx浓度变化图
同时变化，基本没有延迟，可以有效地控制喷氨量随着入口NOx的质量分数的升高（降低）及时相应的增加（减少），进而保证反应器出口NOx的质量分数始终在排放限定值之内。
4.2 出口NOx的质量分数和氨逃逸的优化分析
通过对比加入前馈控制前后不同负荷下反应器出口NOx质量浓度及氨逃逸的数据，对出口NOx的质量分数和氨逃逸的优化结果进行分析。增加前馈前后喷氨量和NOx质量分数的变化如图8~9所示。
图8 加入前馈控制前后出口NOx的质量分数的对比图
图8是不同负荷下加入前馈控制前后出口NOx质量浓度的对比图。从图中可以看出，950MW，800MW负荷时，未加入智能前馈控制时出口NOx的质量分数分别在33mg/m3、27.4mg/m3以上，但是加入前馈控制后出口NOx的质量分数分别在27mg/m3、22.6mg/m3左右，比未优化前下降了4~6mg/m3左右，670MW负荷时，未加入智能前馈控制时出口NOx的质量分数在24.46mg/m3以上，加入前馈控制后出口NOx的质量分数在21.96mg/m3左右，比未优化前下降了2.5mg/m3左右，出口NOx的质量分数数值可以稳定地保持在一定范围内，且其数值波动变小。加入智能前馈控制后，不仅能够使喷氨量及时随着反应器入口NOx的质量分数的变化而变化，还有效降低了出口NOx的质量分数，使脱硝系统运行更加平稳，有利于实现氮氧化物的“超低排放”。
图9 加入前馈控制前后反应器出口氨逃逸对比图
同时，图9是不同负荷时加入前馈控制前后反应器出口氨逃逸对比图。在优化脱硝控制系统之前，在950MW负荷左右时，反应器出口氨逃逸在0.4 ppm左右；670MW时，氨逃逸在0.23 ppm左右，逃逸的氨气量都比较高。若逃逸的氨量较多时，氨气会在尾部烟道中与烟气中的三氧化硫反应形成硫酸氢氨，在空气预热器中硫酸氢氨很容易变成液态，而液态的硫酸氢氨具有粘黏性，会导致空气预热器积灰等问题，而且也会对脱硫、除尘装置产生一定的不利影响[13]。加入前馈控制模块后，950MW时反应器出口平均氨逃逸在0.15 ppm，比之前下降了0.3 ppm左右，670MW时反应器出口平均氨逃逸在0.12 ppm，比之前下降了0.11ppm左右，氨逃逸得到了大幅降低。智能前馈控制不仅把氨逃逸量控制在规定的标准之内，还有效地防止了空气预热器堵灰等问题。
5 结论
（1）基于影响SCR反应器入口NOx的质量分数的各因素分析，在SCR自动控制策略中加入功率，二次风（氧量），煤量，风煤比等修正环节，提前对SCR反应器入口NOx的质量分数进行预测，以实现及时的修正喷氨量，减少各种扰动对脱硝自动控制系统的影响[14]。
（2）进行智能前馈控制优化后，喷氨量能够更加及时随SCR入口NOx质量浓度的变化而增减，而且优化后出口NOx质量浓度和氨逃逸的数值均有一定降低，而且能够稳定地维持在一定的较低范围内，脱硝自动控制效果较之前更好。
（3）与传统负荷或烟气量前馈控制相比，增加二次风（氧量），煤量，风煤比前馈控制信号提前预测脱硝入口NOx质量浓度，可以更加快速、准确地调节喷氨阀门。当脱硝反应器入口NOx变化时，通过前馈控制提起动作，喷氨指令可以加快动作，减少滞后环节，降低调节周期和过调量，提高调节品质。
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基金项目：
国家科技支撑计划项目（2015BAA03B01）The National Key Technology R&D Program（2015BAA03B01）
论文作者:侯晓亮1,刘宗奎2,许晓敬3,高建强4
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/1
标签：反应器论文; 质量论文; 分数论文; 入口论文; 浓度论文; 烟气论文; 风量论文; 《电力设备》2018年第11期论文;