陈洪建

（建投承德热电有限责任公司，河北 承德 067500）

引言

为了解决环境问题，我国政府颁布了一系列环境保护标准，要求重点地区燃煤电厂氮氧化物排放量由100mg/m3 降至50mg/m3 以下。为了达到环境排放标准，燃煤电厂一般都配备了脱硝系统，甚至要求更高效地脱硝系统。电厂在安装脱硝系统后，可能会出现引风机电流增大、空气预热器堵塞、腐蚀、阻力增大、氨逃逸超标、脱硝催化剂寿命缩短等问题。这些问题一方面污染了环境、降低了经济效益，增加了能源消耗，另一方面也威胁着设备的运行安全。因此，对脱硝系统进行优化具有重要意义。

一、先进的SCR 脱硝控制系统

通过对常见的均衡控制和总量控制的现有技术的研究，分析对比优缺点，市面上出现了喷氨预测及均衡脱硝SCR-NH3 优化控制的技术路线：能采用更加快速准确的测量手段，结合预测控制算法，大幅度减少出口NOx的波动。在满足环保要求的情况下，尽可能地去提高出口NOx 平均值，减少系统喷氨量，降低氨逃逸水平，从而降低脱硝成本。

一是对脱硝喷尿素控制系统进行优化，提高喷尿素控制对脱硝烟气来流NOx 变化的抗干扰能力，具备精细化调整喷尿素量的能力；二是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；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。

通过对尿素总量的控制优化和喷氨分区的精细控制，从而减少SCR 出口NOx 在空间上的浓度和时间上的波动分布偏差，最终避免过量喷尿素，降低尿素用量，提高催化剂的使用寿命，从而降低氨逃逸，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，降低锅炉风烟系统耗电率；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。主要包括：基于入口NOx 预测模型的智能前馈算法和超驰算法的喷尿素总量优化控制系统和基于NOx 分区精确同步测量系统及历史数据分析算法的智能喷氨格栅均衡控制系统。

（一）系统总体方案

总体实现方案共分为三大部分：先进的测量系统、先进的控制系统及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，根据本项目对控制系统的要求，需对原有脱硝喷氨控制系统进行增加外挂服务器的优化改造，现场分区NOx 测点样气进入分区测量控制机柜后，进行烟气分析处理再将测量数据通讯送入服务器；总量控制参数由DCS 通讯至优化控制服务器，通过总量控制算法得出优化指令后经由DCS 传入现场尿素调节阀。将若干个分区阀门的指令和反馈信号通过4-20mA 电流形式硬接线接入DCS 卡件。外挂服务器内置均衡控制算法得出各分区阀门优化指令再通讯至DCS，送入现场各个调阀。

（二）总量控制介绍

尿素总量预测控制算法即通过入口NOx 软测量技术，进一步预测入口NOx 浓度的变化情况，并作为喷尿素前馈的关键参数，参与到喷尿素总量的闭环控制中，解决脱硝入口NOx 测量的滞后问题。另外，通过反复试验得到不同负荷下的SCR 反应器的传递函数，可以有针对性的完善控制算法模型。

1.进口NOx 智能前馈部分。该部分根据锅炉的运行状态及参数，采用智能算法对脱硝系统进口NOx 值排放进行预测，根据该预测值与脱硝氮的最佳配比，计算出此时所需氨量，并以此值作为前馈，快速实现对NOx 变化的影响。

2.总尿素量控制器的主要作用是让喷尿素阀规律性更强，克服尿素流量的对内扰动，选择PID 控制器。

3.出口Nox 排放的闭环控制部分。该部分采用预测模型控制算法等先进控制算法，实现了出口氮氧化物浓度的精确控制。

控制原理介绍：

总量控制原理构架为带前馈的串级PID 控制系统，前馈主要包括：预测前馈：主要是通过预测算法提前预知入口NOX 的浓度值，计算理论喷尿素量；修正前馈：在机组大负荷变动时提前修正尿素喷射量。

尿素喷射的预测控制算法是利用入口NOx 软测量技术预测进气道氮氧化物浓度的变化，作为尿素喷射前馈的一个重要参数，参与尿素喷射的闭环控制，解决了进气道氮氧化物测量的延迟问题。另一方面，通过实验得到了不同负荷下SCR 反应器的传递函数，从而有针对性地实现了控制算法模型。尿素喷射主回路的预测控制是一种非常有效的大时滞控制策略，可以预测未来氮氧化物浓度的变化，提前调节尿素调节阀的开度，有效地抑制氮氧化物浓度的变化。根据反馈出口NOx 浓度变化情况，对喷尿素逐步调整，并根据积累测试得到的数据，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。

（三）分区均衡控制系统介绍

原控制系统以单一的尿素阀控制为主，无法针对流场特性进行精细化喷氨，因此脱硝系统优化首要完成的任务是对原脱硝系统进行流场分区优化。改造思路为对原烟道进行合理分区，通过在合适位置布置分区导流板或混合器，提高喷氨格栅前流场均匀性结合。

在脱硝喷氨格栅入口位置对原喷氨支管进行改造，新增12个分区调门。脱硝反应器出口新增一套分区同步测量系统，共12 个NOx 浓度测点，采用轮测技术，每个点测量时间17S，分区NOx 同步测量系统通过MODBUS485与DCS 实现数据通讯。由于SCR 出口测点的布置位置一般与现有上游喷氨网的物理位置相对应，因此在调试分区控制逻辑时，由于各个分区与相邻区域因喷氨流场的扩散存在一定的重叠区域，在分区控制逻辑调试时，根据动态调试试验结果确定各分区喷氨格栅开度对下游相应测点及邻近测点的影响因素，实现SCRMIMO 系统调平控制。优化服务器将均衡控制算法得到的控制策略通过MODBUSRTU 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。

喷氨分区阀门经由优化服务器均衡控制算法得出各分区阀门优化指令经由DCS 判断后，通过硬接线的方式送入现场12 个调阀；NOx 偏差控制参数由优化控制服务器通过优化算法得出，喷氨格栅入口调节阀优化指令经由DCS控制输出。针对催化剂层的局部失效、局部损坏、局部泄漏、局部积灰、催化剂层局部塌陷等异常问题，根据上游喷氨格栅开度的变化情况和出口氮氧化物分区测量仪的历史数据进行判断，判断长期处于高水平且不随分区喷氨流量的增加而改变的氮氧化物浓度区域的失效模式，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。

（四）均衡控制与总量控制关系

1.两者被控目标不同，控制手段不同，调节量不同，故不存在控制关系上的冲突，不会引起系统波动，原理性上不会破坏SCR 系统的控制稳定性；

2.总量控制能够降低SCR 出口NOx 时间上的波动性，更有利于分区调节的调平效果；

3.分区调节能够降低出口NOx 在空间上的不均匀性，使得SCR 出口CEMS 仪表的取样更具有代表性，使得脱硝出口和脱硫出口测点数据更加接近，总量控制采用脱硝CEMS 作为调节量，可以更精确地控制锅炉总出口环保数据；

4.两者相辅相成，共同作用。

二、DCS 组态更改及画面调整

优化系统采用外挂的方式接入DCS，因此需要修改DCS 部分组态留出优化控制接口。其次由于新增分区均衡控制系统，需要于DCS 新增分区控制逻辑及画面。

（一）通讯判断

新增通讯正常判断逻辑，根据握手信号判断服务器通讯状态。具体为由服务器持续发出数字量0、1 跳变的握手信号进入DCS，若某时刻30s 内DCS 接收握手信号值不变，则判断为通讯中断，反之为通讯正常。

（二）分区阀门逻辑

手动状态、PID 自动、服务器自动三个状态互相切换均为无扰切换。手动、PID、服务器自动为非正常情况下控制逻辑优先级。

（三）尿素阀接口逻辑

单枪尿素理论量为，“实际尿素量计算值”减去处于手动的尿素阀的“尿素流量值”之后除以投入尿素自动的喷枪个数。“实际尿素量计算值”由入口实测，负荷及出口NOx 实测等机组脱硝各运行参数共同计算得出。

（四）画面修改

通讯中断及其他切除优化条件任一满足时，则无法投入优化，若切除优化条件满足且正处于优化状态，优化自动切除，且当切除优化条件恢复时，不会自动返回优化投入状态，需操作员和热工人员沟通确认故障排除后手动投入。

由于预测控制的目标函数包含喷氨量的变化，避免了在调整喷氨量过程中喷氨量的重复变化，SCR 出口氮氧化物浓度可以跟踪设定值，避免了阀门频繁调整造成定位器损坏和调门阀芯冲洗。传统的PID 控制方法仅利用SCR 出口氮氧化物浓度进行反馈控制，难以解决SCR 系统在工况波动情况下的非线性和大惯性问题。为了避免过量喷氨，传统的PID 控制通常将氨氮摩尔比设置为0.8，导致氨氮注入不足，SCR 系统脱硝效率低。采用优化控制后，对氨量进行了精确控制，提高了SCR 系统的脱硝效率，避免了过量喷氨，实现了对喷氨量的精确控制。

结语

烟气出口的NOx 分区测量与不同区域调门的权重控制技术，在先进控制算法的基础上进行总喷氨的控制优化与喷氨的分区控制。实现了喷氨量的精确控制，避免了过量喷氨带来的运行经济性压力，提高了脱硝控制水平，为进一步深度脱除打下坚实基础。对烟气导流板进行全面检查和调整，以使脱硝反应器A、B 侧入口流场左右分布均匀分布。无论是低负荷还是高负荷，实测脱硝的A 侧和B 侧反应器的脱硝率都在80%以上，而且实测各负荷情况下氨逃逸浓度均在0.3ppm 以下。在85%负荷下对脱硝系统进行喷氨格栅的优化和调平，使A、B 两侧反应器出口NOx 浓度内外侧偏差都下降50%。在50%低负荷下对脱硝系统进行喷氨格栅的优化和锅炉燃烧器喷口流速调整，降低了A、B 侧反应器出口NOx 浓度左右偏差。