摘要：本文分析了信发集团某电厂360 MW机组的脱硝控制系统的常规控制方案，并对该方案存在的问题进行了详细阐述。针对这些问题，采用模型预测控制技术，提出了优化改造方案，该优化改造方案，能够实现精确控制，有效减少净烟气NOX波动，保证脱硝控制系统安全稳定运行。
关键词：脱硝；优化控制；模型预测控制；问题分析；效果分析
引言
面对国内日益严峻的环保形势，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局于2014年9月12日联合发布了“煤电节能减排升级改造行动计划（2014-2020年）”。该计划要求， “十三五”期间，火电厂大气污染物控制将全面实施超低排放，燃煤电厂排放的大气污染物质量浓度接近“燃气轮机组排放限制” ，即烟尘、二氧化硫、氮氧化物３项指标的排放限值分别为5，35，50 mg/m3。这对SCR脱硝自动控制系统提出了新的要求。
1 脱硝控制常规控制方案
当前脱硝自动控制系统常用的方案主要有：固定摩尔比控制方式，固定出口浓度控制方式以及复合控制方式（带前馈回路的串级控制）。
1.1固定摩尔比控制方式
控制系统按照固定摩尔比来提供所需要的进氨流量去脱除烟气中的NOX，进口NOx浓度和烟气流量的乘积得到NOx质量流量，再根据固定NH3/NOx摩尔比计算出基本的进氨流量信号，作为单回路控制系统的设定值，属于设定值可调的单回路控制系统，PID参数容易整定。
这种控制系统只考虑了脱硝效率，未考虑出口NOx浓度的变化，在入口NOx浓度比较低的时候容易使系统过度脱氮。
1.2 固定出口浓度控制方式
控制系统根据给定的出口NOx浓度与实际出口NOx浓度进行比较，通过调节进氨调节阀调节进氨流量，最终将出口NOx浓度控制在一定浓度范围。属于一种单回路控制系统。
图1 带前馈回路的串级控制
1.3 复合控制方式（带前馈回路的串级控制）
这种控制方式中，摩尔比不是固定不变，而是根据入口NOx浓度、出口NOx浓度设定值以及SCR出口NOx浓度变化而变化的动态值，最终生成进氨流量设定值，与实际进氨流量进行比较后由控制系统形成进氨流量调节阀的控制指令，通过调节进氨流量，最终将SCR出口NOx浓度控制设定值范围内（图1）。
1.4 小结
这三种控制方案均依赖NOX测点的准确性，如果SCR入口和出口测点不准确，传统控制方案很难适应。并且传统控制方案的控制最终目标为SCR出口NOX，而环保考核数据为净烟气NOX，这就造成了环保考核数据与实际控制不对应，即使控制系统能够投入自动运行，也无法对净烟气NOX实现精确控制。
2 SCR脱硝控制系统存在问题
2.1 SCR出口NOX测点不准确，反应迟缓
本厂由于SCR出口仪表安装位置、流场分布以及设计空间等原因，导致SCR出口无法测到真实的有效数据SCR出口NOX数据，主要体现在：SCR出口NOX浓度与烟囱排放值偏差大，SCR出口NOX浓度反应迟缓，甚至迟缓于净烟气NOX。净烟气NOX测点在脱硫出口，烟筒入口位置，烟气混合比较均匀，测点也比较准确。
图2 SCR出口与净烟气NOX曲线对比图
2.2 调节阀选型过大
由于本厂锅炉经过数次改造，现在SCR喷氨阀门相对于脱硝本身需求过大。主要体现在流量无法连续调节。
上图的历史数据可以看出，阀门从43.43关到42.78，变化0.65。流量从58.15到48.99，变化9.16 kg/h。也就是说阀门稍微一动作，流量就会突变，阀门不具有连续调节的性能。这给自动调节带来很大的难度。
2.3 小结
由于本厂的以上问题，造成脱硝控制系统一直无法投入自动，运行人员手动控制NOX波动较大。
图3 阀门开度流量实际曲线图
图4 手动控制NOX效果图
手动控制SCR脱硝，净烟气NOx波动大，波动范围：10 mg/Nm3-50 mg/Nm3。（DCS系统24小时数据）
3 SCR脱硝控制系统优化改造及效果分析
3.1 基于预测控制技术的优化改造
针对以上问题，我公司与山东辰跃节能科技有限公司合作对SCR脱硝控制系统进行了优化改造。新的SCR脱硝控制系统采用预测控制技术，预测控制算法封装在公司的高性能PLC实时控制器中，PLC控制器以通讯或硬接线的方式从电厂DCS系统中采集数据，并将控制指令返回至DCS，通过DCS最终实现对喷氨调节阀的优化控制。
新的SCR脱硝优化控制系统以脱硫出口净烟气NOx浓度测量值作为调节目标，将SCR反应器出口的NOX测量值作为模型预测系统干扰变量进行不参与直接控制。优化系统的控制目标就是环保的考核目标，可以大幅度减少环保考核风险。在控制模型中，增加了针对阀门的特殊处理，使阀门在调节性比较差的现实条件下，具有相对较好的调节净烟气NOX的能力。
新的SCR脱硝优化控制系统有针对阀门的特殊处理，使调节阀在NOX波动比较小时不要动作。
3.2改造后效果分析
SCR脱硝控制系统优化改造完成之后，NOX波动范围可大幅度降低，如图5所示：
SCR脱硝控制系统优化改造后：净烟气NOX波动范围大大减小（）波动范围（约）：30 mg/Nm3-50 mg/Nm3。（DCS24小时数据）。
本厂SCR脱硝优化控制系统改造前后对比详细对比数据如下：
脱硝优化控制改造前净烟气NOX波动范围大（约10-50 mg/Nm3），平均值偏低（约30 mg/Nm3）。当控制瞬时值过低时，氨逃逸大。
脱硝优化控制改造后净烟气NOX波动范围小，净烟气的NOX瞬时值和小时平均值（环保考核）的稳定程度大大提高。稳态工况NOX一般在：±5mg/Nm3以内，变换煤种和负荷时NOX一般在：±10mg/Nm3以内。环保考核的NOX小时平均值一般在：±2mg/Nm3以内。
图5 改造后自动控制NOX曲线图
脱硝优化控制改造后节省液氨用量：本厂目前NOx控制月平均值在30 mg/Nm3左右，经过优化改造之后，目前在阀门可调性较差的前提下，已经将NOX的平均值控制在40 mg/Nm3，节约液氨用量约5%。
减少氨逃逸。优化改造后，NOX控制相对稳定，避免了净烟气NOX过高和过低，当NOX过低时，属于喷氨过量，氨逃逸也会成倍增长。而SCR脱硝优化控制系统改造后，这种情况基本避免了。
4 结语
SCR脱硝优化控制系统改造完成以后，系统运行稳定，控制精度明显提高，大幅度降低了运行人员在调节脱硝的劳动强度，使运行人员有更多精力去关注锅炉燃烧。系统直接以环保考核值作为控制目标，减少环保考核，提升企业环保的社会形象。
参考文献
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作者简介
苏传方（1978--），男，信发集团有限公司工程师，主要从事发电厂设计、安装、生产管理等工作。
论文作者:苏传方
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：烟气论文; 控制系统论文; 浓度论文; 流量论文; 阀门论文; 设定值论文; 回路论文; 《电力设备》2019年第6期论文;