祝宝营

（北京理工大学前沿技术研究院，山东 济南 250300）

0 引言

光伏、风电等新能源的投运并网对火电机组深度调峰的要求越来越高。快速升降负荷、频繁启停磨煤机等工况都会造成脱硝系统反应器出口和烟囱入口NOx质量浓度的剧烈波动，使得脱硝自动调节难以投入。考虑机组及周围环境的安全性，新建机组开始使用尿素溶液利用尿素热解炉制备氨气进行SCR脱硝。利用尿素热解炉制备氨气需要控制进入尿素热解炉的尿素溶液量，并且制备完的氨气同时进入A侧SCR反应器和B侧SCR反应器，且以脱硝系统反应器出口NOx浓度的平均值作为被调量，这相对于可以分别独立控制的使用液氨作为还原剂的SCR 脱硝系统更难控制。杨宏民［1］等分析了尿素溶液流量、温度、喷枪位置、烟气中NOx含量和尿素溶液浓度对脱硝效率的影响；周洪煜［2］等提出了基于混结构径向基函数神经网络（Mixed Structure Radial Basis Function Neural Network，MSRBFNN）的控制策略实现最优喷氨量控制；武宝会［3］等分析了烟气流量、氨流量、NOx浓度等测量过程中存在的问题及解决措施，同时也提出了控制氨逃逸率的技术方法；张秉权［4］提出了以脱硝效率自动控制回路投入为前提的SCR反应器出口NOx浓度控制策略。

基于尿素热解炉的煤电机组SCR 脱硝系统建立脱硝系统控制模型，在尿素溶液控制策略中利用主蒸汽流量测量的准确性间接计算喷氨量，加入机组负荷变化率、反应器入口氮氧化物浓度变化率、启停磨煤机预判、烟囱入口NOx质量浓度等控制变量参与尿素溶液的调节。

1 机组SCR脱硝系统介绍

现考虑厂区的安全性，要求用尿素热解炉替代液氨储罐，利用尿素溶液自制NH3，尿素热解化学反应式为

以某电厂660 MW 超超临界机组为例，介绍基于尿素热解炉的SCR 脱硝调节控制策略。机组配备一套尿素热解系统，其中包括1 支大喷枪（0～1 m3/h）和6 支小喷枪（0～0.3 m3/h），机组正常运行时只投入小喷枪。

采用液氨进行脱硝时，脱硝系统两侧反应器的脱硝控制回路分别独立控制，液氨量独立调节；然而基于尿素热解炉的脱硝系统，反应器两侧共用一个脱硝调节回路，两侧的控制被紧密耦合在一起，控制难度更大。针对现有火电机组利用尿素热解炉进行脱硝存在的若干问题，提出了新的控制策略，通过实践证明，应用新的控制策略后，机组在稳态工况、升负荷、降负荷、启停磨煤机以及CEMS 吹扫等工况下脱硝自动可连续稳定投入运行，达到了电厂对运行人员严苛的脱硝控制要求（部分电厂要求烟囱入口NOx质量浓度小时均值30～45 mg/m3，烟囱入口NOx质量浓度瞬时值不得连续超过50 mg/m3，5min），极大地减少了超标次数。

2 脱硝系统建模

在搭建新的脱硝控制策略前，首先需要建立脱硝系统控制模型，分析系统模型参数和特性。在调试过程中，通过对脱硝控制系统的输入施加适当的阶跃激励，观察并记录喷枪的尿素溶液流量变化、脱硝系统反应器出口NOx质量浓度变化情况。利用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）对脱硝系统模型进行参数辨识［5-6］。对单个尿素调节阀门开度从零开始进行阶跃增加，每次开度增加10%，待尿素流量稳定后再增加10%，直至调节阀门全开至100%。在DCS 中记录好调节阀门开度、尿素溶液量和SCR反应器出口NOx质量浓度。

利用PSO 算法辨识尿素溶液量和SCR 反应器出口NOx质量浓度的传递函数。对尿素溶液量和SCR反应器出口NOx质量浓度进行零初始值处理，即选取工况变化前5 个点的均值作为初始值，工况变化后的数值与初始值作差，处理后的结果如图1所示。

图1 原始数据及处理后的数据曲线

利用PSO 算法辨识尿素溶液量与SCR 反应器出口NOx质量浓度传递函数，采用全局寻优方式，粒子位置和速度更新如式（1）所示。

4.1 温室消毒：按温室空间，每立方米用硫磺4克加80%DDV0.1克和锯末8克混合均匀后点燃封闭一昼夜，再打开风口大放风。

式中：c1、c2为学习因子，经过调试，c1=0.4，c2=0.8；rand（1）为在［0，1］范围内变化的随机数；Vb（ii）为个体历史最优解；Vbg为群体历史最优解；V（i）为粒子当前位置，ΔV（i）为当前速度；w(k)为惯性权重，随着优化的进行，逐渐降低自身权重，变化如式（2）所示。

式中：wmax为最大惯性权重，wmin为最小惯性权重，S为最大迭代次数，k为当前迭代次数。

最后得到尿素溶液量与SCR 反应器出口NOx质量浓度之间的传递函数G1(s)如式（3）所示，辨识结果如图2 所示，式（3）给出了带滞后环节的一阶惯性系统传递函数，为后续参数标定提供了理论参考。

图2 尿素溶液量与SCR出口NOx浓度辨识结果

同理，对单个调节阀门进行模型辨识，得到单个尿素调门的阀门开度与尿素溶液量之间的传递函数G2(s)如式（4），辨识结果如图3所示。

图3 单个尿素调门开度与尿素溶液量辨识结果

3 SCR脱硝控制系统

3.1 串级PID加前馈控制策略

结合建立的脱硝系统控制模型，综合分析后制定基于尿素热解炉的串级PID 加前馈的脱硝调节控制策略为：主PID 回路调节脱硝系统反应器出口NOx质量浓度，并对所需要脱除的NOx量进行修正，主PID 回路设定值为运行人员期望的脱硝系统反应器出口NOx质量浓度值，过程值为脱硝系统两侧反应器出口NOx质量浓度平均值。副PID 回路调节每支小喷枪的尿素溶液量，副PID 回路的输出加上脱硝系统反应器入口NOx质量浓度变化率、锅炉负荷变化率、磨煤机启停预判等四个前馈作用到每支小喷枪，控制策略框图如图4所示［7］。

理论尿素溶液量的计算如式（5）所示。

式中：F为所需的理论尿素溶液量，m3/h；Q为机组的主蒸汽流量，t/h；Cin为脱硝系统反应器入口的NOx质量浓度，mg/m3；Csp为脱硝系统反应器出口的NOx质量浓度设定值，mg/m3；α 为系数，根据NH3摩尔质量、尿素分子摩尔质量、尿素溶液纯度、尿素溶液密度、尿素热解化学反应式、主蒸汽流量、机组额定烟气流量和额定主蒸汽流量计算得到。本实施例中，NH3与NO2的反应摩尔比取0.85，计算后的α为1.173 37×10-6。

在图4中，脱硝系统反应器两侧出口NOx质量浓度的平均值作为PID1 控制回路过程值，运行人员设置的脱硝系统反应器出口NOx质量浓度值作为PID1控制回路的设定值。为了保证NOx测量的准确性，脱硝系统反应器A/B 两侧入口和出口NOx测点需要定期进行吹扫。当A 侧进行吹扫时，过程值自动选择B侧出口NOx质量浓度值；同样，当B侧进行吹扫时，过程值自动选择A侧出口NOx质量浓度值。

图4 脱硝控制策略SAMA图

脱硝系统反应器入口NOx过程值减去出口NOx设定值得到需要脱除的NOx量，PID1 控制回路的输出对需要脱除的NOx量进行修正，得到实际需要脱除的NOx量，再根据式（5）乘以主蒸汽流量得到理论尿素溶液量。根据实际投运的尿素喷枪数量，将总的理论尿素溶液量平均分配到每个小喷枪，即为单个喷枪调门的理论尿素溶液量。本实施例中，PID1控制回路的比例系数Kp=0.92，积分时间Ti=85 s。PID2 控制回路的比例系数Kp=0.11，积分时间Ti=60 s。

为了克服脱硝系统大滞后的特点，在本控制策略中增加四个前馈，具体如下。

1）前馈一为脱硝系统入口氮氧化物浓度变化率，即当脱硝系统入口氮氧化物浓度增加时，增大喷枪调门开度；当脱硝系统入口氮氧化物浓度降低时，减小喷枪调门开度。最后经过函数f（x1）将入口氮氧化物浓度变化率转换为喷枪调门开度，函数f（x1）设置如表1所示。

表1 函数f1（x）参数

2）前馈二为机组锅炉负荷的变化率，即在机组锅炉负荷增加时，脱硝系统反应器入口NOx质量浓度会增加，提前增加尿素喷枪开度；在机组锅炉负荷降低时，脱硝系统反应器入口NOx质量浓度会减少，提前减少尿素喷枪开度。引入机组锅炉负荷变化率做前馈避免了采用电负荷时因抽汽量发生变化而电负荷不变的情况。最后经过函数f（x2）将锅炉负荷变化率转换为尿素喷枪调门开度，函数f（x2）设置如表2所示。

表2 函数f（x2）参数

3）前馈三为脱硝系统反应器出口NOx质量浓度与设定值偏差的函数，当脱硝系统反应器出口NOx质量浓度与设定值偏差较大时，通过此前馈，可快速改变喷枪调门开度，调整尿素溶液量，最后经过函数f（x3）将此偏差转换为尿素喷枪调门开度。

4）前馈四为磨煤机启停预判逻辑，磨煤机的每次启停一般都会造成脱硝系统反应器出口NOx质量浓度过高或过低，给运行人员带来困扰。因此在启磨煤机时，检测到磨煤机已合闸并且给煤量大于所设阈值时，逐渐增加尿素溶液量，维持一定时间后再逐渐降为零；在停磨煤机时，检测到磨煤机已合闸（合闸信号30 min 后有效）并且给煤量小于所设阈值时，逐渐减少尿素溶液量，维持一定时间后再逐渐降为零。这亦完全符合运行人员日常操作习惯。

为了避免脱硝系统反应器出口和烟囱入口处NOx质量浓度值长时间过高或过低，在PID2 控制回路增加闭锁增和闭锁减功能。闭锁增功能在即使计算结果要求继续增大喷枪调门开度时也不能再继续增加；闭锁减功能在即使计算结果要求继续减小喷枪调门开度时也不能再继续减小。

闭锁增功能是根据机组运行人员经验，设置最高尿素溶液流量上限，当PID2 的计算结果超出上限时，输出维持上限值不变；闭锁减功能是根据机组运行人员经验，设置最低尿素溶液流量下限，当PID2 的计算结果低于下限时，输出维持下限值不变。

因尿素调节门的非线性特性容易造成喷枪投入自动后尿素溶液量忽大忽小，因此尿素溶液指令先经过尿素调门特性曲线，然后作用到每支尿素喷枪。本实施例中，利用建立单个尿素喷枪调门开度与尿素溶液量模型的试验数据，计算调门流量特性曲线，得到函数f（x4）如表3所示。

表3 函数f4（x）参数

3.2 应用效果

应用新的脱硝控制策略后，机组脱硝控制效果如图5 所示，脱硝系统反应器出口氮氧化物浓度和烟囱入口氮氧化物浓度均稳定达标排放。

图5 机组在升负荷且启磨煤机过程的脱硝调节控制效果

1）机组在稳态工况（515 MW）下，脱硝系统反应器出口NOx质量浓度可控制在设定值±7 mg/m3范围内。

2）机组在减负荷和脱硝系统反应器出口A 侧/B侧CEMS 吹扫时反应器出口NOx质量浓度可控制在设定值±7 mg/m3范围内。

3）机组在升负荷且启C 磨煤机时，脱硝系统反应器出口NOx质量浓度超过50 mg/m3的时间为57 s。

4）机组脱硝系统反应器出口NOx质量浓度值阶跃扰动测试由45 mg/m3降至30 mg/m3的试验，经过230 s后反应器出口NOx质量浓度收敛至设定值。

4 结语

现场设备的安全有效运行是实现自动控制的前提，考虑尿素溶液易结晶影响调节门的线性度，建议定期对尿素调节门进行冲洗，确保无堵塞情况；脱硝系统CEMS 仪表测量的准确性影响着NOx质量浓度自动调节效果，建议加强对CEMS 仪表的校准和维护。根据机组脱硝系统控制模型，结合机组中与NOx质量浓度变化相关的因素，设计了基于尿素热解炉的脱硝控制策略，采用串级PID 加前馈控制，既可以快速消除尿素溶液压力变化等内扰的影响，又可以利用四个前馈量及时抑制NOx质量浓度的变化，使脱硝系统反应器出口NOx质量浓度的变化始终满足要求。