（1.国电福州发电有限公司 福建省福州市 350309；2.烟台龙源电力技术股份有限公司 山东省烟台市 264006）
摘要：选择性催化还原法（SCR）是目前火电厂普遍采用的尾部脱硝手段。通过加装脱硝塔，加大喷氨量可以降低火电厂氮氧化物的排放量。但是过大的喷氨量又容易引起空预器堵塞等设备问题。因此必须采用合适的控制方法即要保证排放不超标又要保证喷氨不过量。本文即是在研究SCR脱硝系统模型的基础上，提出了基于预测控制的SCR优化控制方法，克服传统PID控制与考核目标脱节和抗延迟能力差、控制精度不高等问题。实际电厂的应用效果表明，该方法确实能降低净烟气NOX波动，节约喷氨量，减小氨逃逸，有效缓解空预器堵塞。
关键词：SCR；建模；预测控制
Model Establishment and Predictive Control of SCR System in Thermal Power Plant
SHANG Lei1，HAO Yuchun2
（1.Guodian Fuzhou Power Generation Co.，Ltd，Fujian 350309，China）
（2.Yantai Longyuan Power Technology Co.，Ltd，Shangdong 264006，China）
Abstract：Selective Catalytic Reduction（SCR）is a widely used denitrification method in thermal power plants.By installing denitrification tower，increasing the amount of NH3 can reduce the NOX in thermal power plants.However，excessive NH3 can easily cause air preheater blockage and other equipment problems.Therefore，appropriate control methods must be adopted to ensure that NOX do not exceed the standard and that NH3 is not excessive.On the basis of studying the model of SCR system，this paper puts forward the SCR optimization control method based on model predictive control，which overcomes the problems of traditional PID control- target disjointing，poor anti-delay ability and low control precision.The practical application in power plant shows that this method can reduce the fluctuation of NOX in the net gas，save the amount of NH3，reduce ammonia escape and effectively alleviate the blockage of air preheater.
Key Words：SCR；modeling；Model predictive control
引言
目前，我国火电厂超低排放标准为颗粒物5mg/m3，二氧化硫35mg/m3，氮氧化物50mg/m3，堪称“史上最严”[1]。而且新一轮的超超低排放正在启动。作为降低NOX的主要手段，SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法）是目前最成熟的炉后脱硝技术。SCR是利用还原剂（NH3或者尿素）在催化剂作用下，选择性地与 NOx 反应生成 N2 和H2O的过程[2]。因此喷氨量的多少直接决定还原NOX的多少。为此火电厂一般都设置有喷氨自动PID调节系统。如下图1所示：
该方案设计有两个单回路控制系统，A、B两侧脱硝出口NOX分别进行控制[3]。并且内回路有流量PID校正，以克服阀门线性度不好的问题。但是该方案存在几大问题：①烟气流场不均匀，导致出口NOX测量不准确。目前绝大多数电厂A/B侧出口NOX的测量均采用单点测量，由于脱硝出口空间巨大、流场不均，单点位置不能很好代表实际出口，因此造成脱硝出口测量不准；②设备吹扫校准干扰大，测点失真严重。为了防止NOX测量设备堵灰，均设置有吹扫模式，一天内会频繁吹扫，每次吹扫，NOX测量就完全失真。③考核目标和控制目标脱节。目前环保考核的是净烟气NOX，而该方案控制的却是脱硝塔出口NOX，由于脱硝出口NOX测量经常不准，因此通过脱硝出口NOX去调整净烟气NOX变得尤为困难。③反应和测量过程迟延大。如果直接以净烟气为控制目标，则从喷入氨气开始，烟气经过脱硝、脱硫、除尘，到达烟囱入口整个过程延迟巨大。常规PID控制器已经很难取得良好的控制效果。
本文提出了一种基于预测控制的SCR系统喷氨优化方法，直接将净烟气纳入控制目标，同时用预测控制代替PID，克服了传统控制存在的种种不足。实际应用结果表明，本文的方法响应速度快，超调小，能够提高净烟气的稳定性，且易于运行调整，具有良好的推广应用价值。
SCR脱硝系统工艺流程
SCR主要工艺流程如下：原烟气从锅炉烟道排出，分左右两侧首先进入脱销塔进行脱硝，然后两侧烟气汇合后再进入脱硫塔和除尘室进行脱硫和除尘，最后从烟囱排入大气，脱硫除尘后的烟气称为“净烟气”[4]。
图3 SCR脱硝工艺流程
喷氨阀控制喷入的氨气流量，氨气经过稀释风稀释后喷入烟道与原烟气混合，而后一起流经脱硝塔的催化剂，进行选择性催化还原反应。需要注意的是脱硝塔分左右两侧，脱完硝的烟气汇合后经过脱硫、除尘，最终排入大气。
SCR脱硝系统的模型建立及其控制为了克服传统PID控制存在的问题，本文设计了如下控制策略：
图4 基于预测控制的喷氨控制策略
该方案还具有如下特点：
■控制目标直接为脱硫出口NOX，解决了控制目标与考核目标脱节的问题；
■由于脱硫出口NOX在两侧SCR出口混合后又经过了较长的流程，混合更为均匀，避免了流场不均、单点测量导致的测量不准确问题；
■通过辨识模型，用模型输出值代替吹扫时刻失真值，解决了设备吹扫时测量失真问题；
■用预测控制MPC（Model Predictive Control）代替PID控制，解决了喷氨阀门到净烟气NOX纯延迟大的问题。
分析该控制策略，喷氨阀为控制变量，净烟气NOX为被控变量，有两个喷氨阀，一个净烟气，因此该系统实际上是2输入1输出的非方控制系统。由于要用预测控制，因此必须首先分别建立A、B侧喷氨阀流量到净烟气NOX的模型。实际运行数据表明，喷氨阀开度越大，喷氨流量越大，净烟气NOX含量越低。喷氨阀到净烟气的模型可以近似用如下一阶惯性加纯延迟环节表示。
结论
本文通过分析火电厂SCR脱硝系统的工艺流程，运用系统辨识的方法得到了脱硝系统的非方数学模型，然后通过DMC（动态矩阵控制）设计了该非方控制系统的预测控制器。并在实际电厂进行了应用测试。应用结果表明，该方案切实可行，能实现净烟气的直接控制，方便运行调整。且控制效果良好，在环保不超标的前提下能大幅度降低净烟气NOX的波动，预计可节约喷氨量10-20%，长期投运后，将减少氨逃逸，极大缓解空预器堵塞。具有较好的应用推广价值。
参考文献：
[1]GB13223-2011，火电厂大气污染物排放标准［S］．
[2]冯立波，罗钟高，葛春亮.火电厂 SCR烟气脱硝工艺系统设计[J]．能源与环境，2009，（1）：48-42.
[3]赵宗让.电厂锅炉 SCR 烟气脱硝系统设计优化[ J].中国电力，2005，38（11）：69- 72.
[4]西安热工研究院有限责任公司．火电厂SCR 烟气脱硝技术［M］．北京：中国电力出版社，2013．
[5]郝玉春．基于预测控制的部分分散控制器设计及其应用[D]．北京：华北电力大学，2013．
论文作者:尚磊1,郝玉春2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/8/1
标签：烟气论文; 火电厂论文; 测量论文; 系统论文; 单点论文; 目标论文; 模型论文; 《电力设备》2019年第6期论文;