1 引 言

神華神東電力有限責任公司郭家灣 300MW循環(huán)流化床發(fā)電廠脫硝系統(tǒng)，采用選擇性非催化還原(SNCR)脫除 NOX技術(shù)，該技術(shù)是把稀釋后的尿素溶液噴入鍋爐側(cè)爐膛上部、分離器、煙道相應(yīng)區(qū)域，與煙氣中的 NOX發(fā)生還原反應(yīng)生成 N2和 H2O，從而達到脫硝目的。具體工藝流程為：在尿素溶液制備罐內(nèi)制備出 50%濃度的尿素溶液，由尿素溶液輸送泵排入尿素溶液儲存罐，經(jīng)尿素溶液稀釋系統(tǒng)將尿素溶液稀釋到 10%，由噴槍噴入鍋爐相應(yīng)區(qū)域脫除 NOX。本文主要論述鍋爐區(qū)域 SNCR 的自動控制。

郭家灣電廠鍋爐區(qū)域 SNCR 系統(tǒng)投運之初的自動控制邏輯，是預(yù)先在 DCS 中設(shè)定機組負荷與尿素溶液流量的對應(yīng)關(guān)系，當機組負荷變化時根據(jù)對應(yīng)關(guān)系自動輸出控制指令至執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整尿素溶液流量，從而實現(xiàn)對 NOX的自動控制。這種控制方式只在負荷變化時對尿素溶液流量進行相應(yīng)地調(diào)節(jié)(即改變尿素溶液噴入量)，而鍋爐燃燒產(chǎn)生的 NOX 不僅與負荷有關(guān)，還與風量、煤量、氧量等參數(shù)密切相關(guān)，因此這種設(shè)計不能有效地實現(xiàn)自動控制。由于這種自動控制的缺陷，在 SNCR 系統(tǒng)投運初期一直采用手動控制。為了投入 SNCR 系統(tǒng)自動，減少運行人員勞動強度，郭家灣電廠邀請調(diào)試專家對邏輯進行了優(yōu)化，修改為單回路 PI 控制，將煙囪入口 NOX實測值與 NOX目標值的偏差，作為 PI 調(diào)節(jié)器的主輸入;將“實時煤量比例值”、“氧量比例值”、“煙囪入口 1min 內(nèi) NOX 變化值的微分”，作為 PI 調(diào)節(jié)的前饋，調(diào)節(jié)器的輸出直接控制尿素管道電動執(zhí)行機構(gòu)的開度。投入自動后，在負荷穩(wěn)定且 NOX目標值設(shè)置較小的情況下自動控制能夠投入，但存在尿素消耗量過大、執(zhí)行機構(gòu)動作頻繁、升降負荷運行工況不穩(wěn)或 NOX目標值設(shè)置稍高的情況下，自動控制品質(zhì)較差的問題。

根據(jù)這一情況，郭家灣電廠熱工專業(yè)自行對系統(tǒng)進行了分析與研究，重新設(shè)計了SNCR自動控制系統(tǒng)邏輯，應(yīng)用新邏輯后，SNCR 自動控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種工況且效果良好，下面對優(yōu)化后的邏輯進行探討，見圖1。

(1)采用了串級 PI 調(diào)節(jié)控制，主調(diào)節(jié)器用于控制煙囪入口 NOX實測值與目標值的偏差，副調(diào)節(jié)器用于控制尿素溶液目標流量與實際尿素溶液流量的偏差。原來的單回路控制模式無法避免執(zhí)行機構(gòu)死區(qū)、噴槍堵塞、母管壓力變化等因素對尿素流量的影響，采用串級控制后，副調(diào)節(jié)器直接對目標流量與實際流量的偏差進行控制，避免了單回路調(diào)節(jié)的缺點。

(2)采用“主調(diào)節(jié)器的輸出”、“負荷與尿素溶液流量的對應(yīng)值”、“風煤比與尿素溶液流量的對應(yīng)值”的疊加值，作為尿素溶液基礎(chǔ)流量目標值，即副調(diào)節(jié)器的目標值。可以在NOx實測值與目標值出現(xiàn)偏差時，對尿素溶液流量進行調(diào)整;還能夠在負荷變化后，對尿素溶液的流量進行調(diào)整，更主要的是通過風煤比的變化提前預(yù)知氧量變化，能夠提前3min對煙囪入口 NOX的變化進行預(yù)調(diào)整。這段邏輯主要的創(chuàng)新之處就是采用了風煤比參與控制，這是因為鍋爐燃燒產(chǎn)生 NOX的一個主要來源是空氣中的氮和氧。當風煤比偏離正常范圍時煙氣含氧量就會偏離最優(yōu)值，即空氣過剩或欠量，空氣過剩時NOX就會升高，反之NOX就會降低。最初設(shè)計這段邏輯時采用煙氣含氧量參與目標值的調(diào)節(jié)，但由于煙氣含氧量的變化較為滯后，不能盡快對尿素溶液流量進行調(diào)整。經(jīng)過觀察與試驗，最終采用了風煤比參與尿素溶液目標值的調(diào)節(jié)，通過這一優(yōu)化取得了非常滿意的效果。

(3)設(shè)計了超前預(yù)估控制邏輯，通過系統(tǒng)模型辨識試驗，得出系統(tǒng)的遲延時間、慣性時間、死區(qū)、增益等參數(shù)，利用超前預(yù)估邏輯，第一時間預(yù)測出主調(diào)節(jié)器輸出變化后煙囪入口NOX的測量值，將這一預(yù)測值作為主調(diào)節(jié)器NOX測量值反饋輸入信號，從而實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。如果不采用預(yù)估邏輯，從尿素溶液流量變化到煙囪入口NOx的測量值開始變化需要4～5min，這樣一個大滯后環(huán)節(jié)，對于無超前預(yù)估功能的PID控制是一個很大的難題，往往會造成系統(tǒng)振蕩且測量值達到目標值的時間非常緩慢。采用超前預(yù)估控制邏輯后，只要主調(diào)節(jié)器的輸出變化，邏輯就會自動預(yù)估測量值的變化幅度，從而進行超前調(diào)節(jié)。因此，不僅提高了調(diào)節(jié)的準確性減少了系統(tǒng)的振蕩，同時也縮短了調(diào)節(jié)過程時間。

(4)為了防止 NOX 小時平均值超標，設(shè)計了 45minNOX 小時平均值識別邏輯(即動態(tài)目標值給定)，可以自動識別每小時前45min 煙囪入口NOx 的平均值。當其超過190mg/m3 時自動按比例調(diào)低NOX目標值(本地區(qū) NOX 的環(huán)保指標是小時平均值不超 200mg/m3 )，防止煙囪入口NOX小時均值超標。這一設(shè)計將原來的運行人員輸入固定目標值調(diào)節(jié)提升為了自動可變目標值調(diào)節(jié)，避免了運行人員調(diào)整不及時和系統(tǒng)不穩(wěn)定時導致的環(huán)保超標。

(5)設(shè)計了“NOX目標值與 NOX實際值偏差的死區(qū)(即 NOx 目標值與 NOX實際值偏差在一定范圍內(nèi)時，自動控制系統(tǒng)不調(diào)節(jié))”和“風煤比死區(qū)(即風煤比在一定范圍內(nèi)時，自動控制系統(tǒng)不調(diào)節(jié))”，避免了執(zhí)行機構(gòu)的頻繁動作對設(shè)備壽命和系統(tǒng)的影響。

(6)為了防止尿素溶液噴入過量腐蝕尾部煙道的設(shè)備，在 SNCR 系統(tǒng)設(shè)計了氨逃逸檢測儀表。最初的邏輯中當氨逃逸超標時僅發(fā)出報警，需要運行人員手動干預(yù)調(diào)整尿素溶液流量。優(yōu)化后，當氨逃逸偏高且煙囪入口 NOx 值不超 170mg/m3 時，自動按折線比例下調(diào)NOX目標值，有效地避免了氨逃逸超限對煙道、空預(yù)器、省煤器、過熱器、再熱器等設(shè)備的腐蝕。

(7)設(shè)計了執(zhí)行機構(gòu)高、低限抑制調(diào)節(jié)輸出功能，即執(zhí)行機構(gòu)開到一定程度或關(guān)到一定程度后，就不允許調(diào)節(jié)器的輸出繼續(xù)增大或減小。這樣可以防止執(zhí)行機構(gòu)關(guān)至高限或低限后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過積分飽和。

(8)設(shè)計了執(zhí)行機構(gòu)的最低開度限制，防止執(zhí)行機構(gòu)過度關(guān)閉時由于系統(tǒng)無流量導致尿素沉積在管壁上，也可以防止冬季管路內(nèi)的尿素溶液由于不流動而上凍的問題。

(9)設(shè)計了尿素溶液母管壓力低限時調(diào)節(jié)器的閉增邏輯。當尿素溶液母管壓力過低時禁止調(diào)節(jié)器開大尿素溶液流量執(zhí)行機構(gòu)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

(10)設(shè)計了測點防波動邏輯，即在參與自動的測點與自動控制主邏輯之間加入慣性模塊。當測點波動時通過慣性模塊的抑制作用，使進入自動控制系統(tǒng)的測量值更加平滑，從而避免測量值小范圍波動時引發(fā)自動控制系統(tǒng)頻繁動作的問題，見圖2。

2 結(jié)束語

SNCR系統(tǒng)具有流程長、大延遲、大慣性、擾動因素多的特點，其自動控制需要考慮的因素多種多樣，是一個值得深入研究的課題。本文創(chuàng)新性地提出了多項有益于SNCR自動控制系統(tǒng)更加完善的方法，尤其是風煤比參與 SNCR 自動控制、超前預(yù)估邏輯的應(yīng)用、45min超限識別等方法，使SNCR系統(tǒng)的自動控制品質(zhì)得到了明顯的提升。郭家灣電廠采用以上邏輯對 SNCR自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后，使自動控制系統(tǒng)的適用范圍更寬，幾乎在各種工況下均能穩(wěn)定投入，使執(zhí)行機構(gòu)動作頻率減小，減少了系統(tǒng)磨損，延長了設(shè)備的使用壽命，NOX小時均值既能很好地控制在環(huán)保指標以下，又能貼線運行減少尿素溶液的用量，實現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的目標。