引言

氮氧化物(NoC)污染是大氣污染的主要來(lái)源之一,而燃煤電廠則是NoC排放大戶(hù),目前超低排放已成為燃煤電廠的"底線"指標(biāo)。關(guān)于如何提高脫硝系統(tǒng)的可用性,以往比較關(guān)注脫硝系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)造、反應(yīng)原理、運(yùn)行操作方式等方面,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展,脫硝自動(dòng)控制策略的優(yōu)化越來(lái)越引起業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的廣泛關(guān)注。如果脫硝自動(dòng)無(wú)法正常投入,將對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響:

(1)NoC波動(dòng)大,甚至經(jīng)常超標(biāo)。為避免超標(biāo),不得不將NoC設(shè)定值置于較低水平,從而增加了液氨或尿素溶液等脫硝還原劑的消耗量,增加電廠運(yùn)營(yíng)成本。

(2)脫硝自動(dòng)的調(diào)節(jié)性能差容易導(dǎo)致脫硝還原劑的過(guò)量加入,從而導(dǎo)致氨逃逸較高,過(guò)量的氨與煙氣中的硫化物反應(yīng)生成硫酸氫銨,會(huì)堵塞空預(yù)器,危及下游設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(3)為避免環(huán)保考核,往往需要專(zhuān)門(mén)安排運(yùn)行人員調(diào)節(jié)脫硝控制,既增加運(yùn)行工作量,又會(huì)制約機(jī)組變負(fù)荷能力,容易引起電網(wǎng)"兩個(gè)細(xì)則"考核及環(huán)?？己?。

當(dāng)前,為響應(yīng)國(guó)家"雙碳"目標(biāo)的要求,越來(lái)越多的火電機(jī)組開(kāi)展了靈活性改造,機(jī)組調(diào)峰深度需要達(dá)到20%額定負(fù)荷甚至更低,以充分發(fā)揮火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻的靈活性和對(duì)電網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐作用。脫硝自動(dòng)控制在寬負(fù)荷工況能夠取得良好的投入效果,既是保證脫硝環(huán)保參數(shù)達(dá)標(biāo)的前提,也是機(jī)組參與深度調(diào)峰和空預(yù)器長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的保障。

某300MW火電機(jī)組,采用選擇性非催化還原法脫硝工藝,脫硝還原劑為尿素溶液。該機(jī)組自投運(yùn)以來(lái),脫硝控制調(diào)節(jié)效果較差,脫硝自動(dòng)無(wú)法正常投入,煙囪出口NoC波動(dòng)大、經(jīng)常超標(biāo)。本文分析了原脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果不佳的原因,并針對(duì)脫硝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)行狀況,提出了基于智能并行前饋的變參數(shù)串級(jí)控制優(yōu)化方案。實(shí)踐表明,優(yōu)化后,煙囪出口NoC非常穩(wěn)定,變負(fù)荷工況下,NoC控制偏差在±10mg/Nm3以?xún)?nèi),穩(wěn)態(tài)工況下,NoC控制偏差在±6mg/Nm3以?xún)?nèi),脫硝控制取得了良好的調(diào)節(jié)效果,顯著提升了機(jī)組運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性。

1原脫硝自動(dòng)控制策略存在的問(wèn)題

1.1采用簡(jiǎn)單的單回路PID控制

原脫硝控制系統(tǒng)采用單回路PID控制,以煙囪出口NoC為被調(diào)量,根據(jù)煙囪出口NoC設(shè)定值與被調(diào)量的偏差,通過(guò)簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié),輸出尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,最終控制煙囪出口NoC穩(wěn)定。

由于脫硝系統(tǒng)不是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的確定性調(diào)節(jié)系統(tǒng),還會(huì)受到機(jī)組變負(fù)荷、磨煤機(jī)啟停、鍋爐燃燒、風(fēng)煤比控制等其他參數(shù)影響,這就使得調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制目標(biāo)不準(zhǔn)確,導(dǎo)致脫硝自動(dòng)投入后效果差,負(fù)荷一旦變化,調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)外干擾均較大,自動(dòng)控制無(wú)法正常投入。

1.2CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定的干擾影響

為了防止取樣管路堵塞,煙囪出口CEMS系統(tǒng)每隔一定時(shí)間會(huì)自動(dòng)反吹、標(biāo)定一次。在系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定期間,將煙囪出口的NoC鎖定為反吹和標(biāo)定前測(cè)量值,持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)5min。由于CEMS反吹和標(biāo)定的頻率高、時(shí)間長(zhǎng),調(diào)節(jié)對(duì)象無(wú)法實(shí)時(shí)反映脫硝系統(tǒng)內(nèi)部NoC的變化量,會(huì)帶來(lái)以下兩方面問(wèn)題:

(1)若仍按鎖定前的NoC值與設(shè)定值進(jìn)行偏差調(diào)節(jié),則脫硝自動(dòng)控制容易出現(xiàn)超調(diào),特別是在機(jī)組變負(fù)荷過(guò)程中,會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)大范圍波動(dòng),甚至出現(xiàn)振蕩發(fā)散的情況:

(2)若在CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定期間不進(jìn)行偏差調(diào)節(jié),則無(wú)法及時(shí)克服機(jī)組運(yùn)行工況變化對(duì)NoC的影響。

原脫硝控制系統(tǒng)在CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定完成后,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)煙囪出口NoC瞬時(shí)超標(biāo)的現(xiàn)象。

1.3原脫硝自動(dòng)控制效果分析

根據(jù)圖1可以看出,原脫硝自動(dòng)控制效果較差,即使機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,煙囪出口NoC依然波動(dòng)較大:

(1)煙囪出口NoC偏差可達(dá)30mg/Nm3。

(2)煙囪出口NoC周期性波動(dòng),無(wú)法穩(wěn)定。

這主要是由于脫硝實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程表現(xiàn)出較大的非線性、遲滯性和不確定性,且是一個(gè)受多種因素制約影響的復(fù)雜系統(tǒng),僅僅依靠魯棒性較差的單回路PID控制器,難以獲得良好的調(diào)節(jié)效果。

即使機(jī)組負(fù)荷、鍋爐燃燒穩(wěn)定,受脫硝NoC濃度測(cè)量延時(shí)性、CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定、閥門(mén)特性的非線性等因素影響,脫硝自動(dòng)控制也很難調(diào)節(jié)穩(wěn)定。變負(fù)荷時(shí),往往需要將脫硝控制切除自動(dòng),由運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)維持煙囪出口NoC穩(wěn)定不超標(biāo),這一方面極大地增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,另一方面也容易導(dǎo)致尿素溶液的過(guò)調(diào),不利于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

因此,必須針對(duì)當(dāng)前脫硝控制存在的問(wèn)題,根據(jù)脫硝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及運(yùn)行工況,開(kāi)展脫硝控制策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作,提高脫硝自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

2脫硝控制策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

采用基于智能并行前饋控制的變參數(shù)串級(jí)PID控制策略,實(shí)現(xiàn)脫硝自動(dòng)控制性能的優(yōu)化提升。

2.1變參數(shù)串級(jí)PID控制策略

(1)串級(jí)控制策略:以煙囪出口NoC為主PID控制器的被調(diào)量,主PID控制器輸出為尿素溶液流量設(shè)定值,作為副P(pán)ID控制器的設(shè)定值,副P(pán)ID控制器的被調(diào)量為實(shí)際尿素溶液流量,副P(pán)ID控制器的輸出為尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥指令。副P(pán)ID控制回路起到尿素溶液流量快速粗調(diào)的作用,主PID控制回路起到煙囪出口NoC濃度細(xì)調(diào)的作用。

(2)變參數(shù)控制策略:由負(fù)荷指令構(gòu)造主PID控制器的比例增益函數(shù)和積分增益函數(shù),同時(shí)根據(jù)煙囪出口NoC測(cè)量值及設(shè)定值偏差合理修正比例增益和積分增益。在CEMS反吹或標(biāo)定時(shí),比例作用減弱為原值的一半,積分作用切為0,不參與偏差調(diào)節(jié),主要由前饋決定脫硝控制輸出:在CEMS反吹或標(biāo)定結(jié)束5min后,比例積分作用恢復(fù)正常調(diào)節(jié)作用,如圖2所示。

(3)尿素溶液流量調(diào)閥的非線性校正:根據(jù)尿素溶液流量調(diào)閥開(kāi)度指令與實(shí)際尿素流量的關(guān)系,構(gòu)造副P(pán)ID調(diào)節(jié)器的比例增益函數(shù),以校正尿素流量調(diào)閥的非線性。

2.2智能并行前饋控制策略

(1)理論尿素溶液流量動(dòng)態(tài)預(yù)估前饋:通過(guò)控制邏輯判斷煤量、風(fēng)量、入口NoX與出口NoX設(shè)定偏差及偏差變化情況,動(dòng)態(tài)預(yù)估理論尿素溶液流量前饋。該前饋也可有效解決因CEMS系統(tǒng)自動(dòng)反吹和標(biāo)定前后NoX濃度突變?cè)斐烧{(diào)節(jié)系統(tǒng)不可控的情況,如圖3所示。

(2)變負(fù)荷前饋:根據(jù)變負(fù)荷幅度及變負(fù)荷速率,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)變負(fù)荷前饋,提前調(diào)整尿素溶液流量設(shè)定值,以降低因變負(fù)荷造成的NoX濃度波動(dòng),如圖4所示。

(3)啟停磨前饋:判斷磨煤機(jī)啟停狀態(tài),提前調(diào)整尿素溶液流量設(shè)定值,以降低磨啟停期間NoX濃度的波動(dòng),如圖5所示。

采用智能并行前饋控制策略,可不等到煙囪出口NoX發(fā)生變化,直接提前改變尿素溶液流量,有效克服脫硝控制系統(tǒng)的大慣性和遲滯性,提高脫硝控制響應(yīng)速度,并保持煙囪出口NoX的穩(wěn)定。

3優(yōu)化后脫硝自動(dòng)控制效果分析

優(yōu)化后脫硝自動(dòng)控制曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出:

(1)機(jī)組負(fù)荷變化范圍為285MW一205MW一280MW:(2)變負(fù)荷工況下,煙囪出口NoX偏差最大為10mg/Nm3:(3)穩(wěn)態(tài)工況下,煙囪出口NoX偏差最大為6mg/Nm3。

本文提出的基于智能并行前饋的變參數(shù)串級(jí)PID脫硝優(yōu)化控制策略具有較強(qiáng)的魯棒性,對(duì)大慣性、大遲延對(duì)象的控制效果有明顯改善,前饋信號(hào)和反饋信號(hào)共同構(gòu)成了尿素溶液流量的實(shí)時(shí)設(shè)定值,保證了實(shí)際尿素溶液流量快速跟蹤其設(shè)定值。機(jī)組在AGC隨動(dòng)控制方式下,脫硝控制一直投入自動(dòng)運(yùn)行,在變負(fù)荷和穩(wěn)態(tài)工況下,煙囪出口N0X波動(dòng)較優(yōu)化前大幅減小(表1),脫硝自動(dòng)控制取得了良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4結(jié)語(yǔ)

脫硝系統(tǒng)是一個(gè)受機(jī)組負(fù)荷、鍋爐燃燒、磨煤機(jī)啟停、CEMS系統(tǒng)反吹和標(biāo)定等因素影響的大遲滯、大慣性控制系統(tǒng),簡(jiǎn)單的單回路控制不能滿(mǎn)足脫硝調(diào)節(jié)要求。針對(duì)原脫硝控制策略存在的問(wèn)題,通過(guò)引入基于智能并行前饋的變參數(shù)串級(jí)控制優(yōu)化策略,完善控制對(duì)象,使脫硝控制調(diào)節(jié)方式能適應(yīng)不同工況的控制需求,煙囪出口N0X全時(shí)段保持穩(wěn)定可控,避免了由參數(shù)變化導(dǎo)致的煙囪出口N0X超標(biāo),脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)及穩(wěn)定性得到了很大的提高。

脫硝控制實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制,具有以下主要優(yōu)點(diǎn):

(1)煙囪出口N0X對(duì)機(jī)組工況變化的適應(yīng)能力強(qiáng),能降低運(yùn)行人員工作強(qiáng)度,避免誤操作,避免環(huán)?？己?最大程度減少氨逃逸量,有效緩解空預(yù)器堵塞問(wèn)題,降低電廠運(yùn)營(yíng)成本:

(2)不會(huì)制約機(jī)組的變負(fù)荷能力,為機(jī)組提高"兩個(gè)細(xì)則"考核能力奠定基礎(chǔ):

(3)有助于機(jī)組實(shí)施靈活性改造,提高機(jī)組深度調(diào)峰能力,為實(shí)現(xiàn)"雙碳"目標(biāo)提供保障。

該脫硝優(yōu)化控制策略的成功應(yīng)用可為其他同類(lèi)型機(jī)組實(shí)施脫硝控制優(yōu)化提供有益的借鑒。