1 引 言

神華神東電力有限責(zé)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(dá)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(chǔ)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(dòng)控制。

郭家灣電廠鍋爐區(qū)域 SNCR 系統(tǒng)投運(yùn)之初的自動(dòng)控制邏輯，是預(yù)先在 DCS 中設(shè)定機(jī)組負(fù)荷與尿素溶液流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系自動(dòng)輸出控制指令至執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整尿素溶液流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) NOX的自動(dòng)控制。這種控制方式只在負(fù)荷變化時(shí)對(duì)尿素溶液流量進(jìn)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(fù)荷有關(guān)，還與風(fēng)量、煤量、氧量等參數(shù)密切相關(guān)，因此這種設(shè)計(jì)不能有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于這種自動(dòng)控制的缺陷，在 SNCR 系統(tǒng)投運(yùn)初期一直采用手動(dòng)控制。為了投入 SNCR 系統(tǒng)自動(dòng)，減少運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，郭家灣電廠邀請(qǐng)調(diào)試專家對(duì)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，修改為單回路 PI 控制，將煙囪入口 NOX實(shí)測(cè)值與 NOX目標(biāo)值的偏差，作為 PI 調(diào)節(jié)器的主輸入;將“實(shí)時(shí)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開度。投入自動(dòng)后，在負(fù)荷穩(wěn)定且 NOX目標(biāo)值設(shè)置較小的情況下自動(dòng)控制能夠投入，但存在尿素消耗量過大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁、升降負(fù)荷運(yùn)行工況不穩(wěn)或 NOX目標(biāo)值設(shè)置稍高的情況下，自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，重新設(shè)計(jì)了SNCR自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯，應(yīng)用新邏輯后，SNCR 自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種工況且效果良好，下面對(duì)優(yōu)化后的邏輯進(jìn)行探討，見圖1。

(1)采用了串級(jí) PI 調(diào)節(jié)控制，主調(diào)節(jié)器用于控制煙囪入口 NOX實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值的偏差，副調(diào)節(jié)器用于控制尿素溶液目標(biāo)流量與實(shí)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(jī)構(gòu)死區(qū)、噴槍堵塞、母管壓力變化等因素對(duì)尿素流量的影響，采用串級(jí)控制后，副調(diào)節(jié)器直接對(duì)目標(biāo)流量與實(shí)際流量的偏差進(jìn)行控制，避免了單回路調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。

(2)采用“主調(diào)節(jié)器的輸出”、“負(fù)荷與尿素溶液流量的對(duì)應(yīng)值”、“風(fēng)煤比與尿素溶液流量的對(duì)應(yīng)值”的疊加值，作為尿素溶液基礎(chǔ)流量目標(biāo)值，即副調(diào)節(jié)器的目標(biāo)值。可以在NOx實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值出現(xiàn)偏差時(shí)，對(duì)尿素溶液流量進(jìn)行調(diào)整;還能夠在負(fù)荷變化后，對(duì)尿素溶液的流量進(jìn)行調(diào)整，更主要的是通過風(fēng)煤比的變化提前預(yù)知氧量變化，能夠提前3min對(duì)煙囪入口 NOX的變化進(jìn)行預(yù)調(diào)整。這段邏輯主要的創(chuàng)新之處就是采用了風(fēng)煤比參與控制，這是因?yàn)殄仩t燃燒產(chǎn)生 NOX的一個(gè)主要來源是空氣中的氮和氧。當(dāng)風(fēng)煤比偏離正常范圍時(shí)煙氣含氧量就會(huì)偏離最優(yōu)值，即空氣過?；蚯妨?，空氣過剩時(shí)NOX就會(huì)升高，反之NOX就會(huì)降低。最初設(shè)計(jì)這段邏輯時(shí)采用煙氣含氧量參與目標(biāo)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(duì)尿素溶液流量進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過觀察與試驗(yàn)，最終采用了風(fēng)煤比參與尿素溶液目標(biāo)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(jì)了超前預(yù)估控制邏輯，通過系統(tǒng)模型辨識(shí)試驗(yàn)，得出系統(tǒng)的遲延時(shí)間、慣性時(shí)間、死區(qū)、增益等參數(shù)，利用超前預(yù)估邏輯，第一時(shí)間預(yù)測(cè)出主調(diào)節(jié)器輸出變化后煙囪入口NOX的測(cè)量值，將這一預(yù)測(cè)值作為主調(diào)節(jié)器NOX測(cè)量值反饋輸入信號(hào)，從而實(shí)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(cè)量值開始變化需要4～5min，這樣一個(gè)大滯后環(huán)節(jié)，對(duì)于無超前預(yù)估功能的PID控制是一個(gè)很大的難題，往往會(huì)造成系統(tǒng)振蕩且測(cè)量值達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)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(huì)自動(dòng)預(yù)估測(cè)量值的變化幅度，從而進(jìn)行超前調(diào)節(jié)。因此，不僅提高了調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性減少了系統(tǒng)的振蕩，同時(shí)也縮短了調(diào)節(jié)過程時(shí)間。

(4)為了防止 NOX 小時(shí)平均值超標(biāo)，設(shè)計(jì)了 45minNOX 小時(shí)平均值識(shí)別邏輯(即動(dòng)態(tài)目標(biāo)值給定)，可以自動(dòng)識(shí)別每小時(shí)前45min 煙囪入口NOx 的平均值。當(dāng)其超過190mg/m3 時(shí)自動(dòng)按比例調(diào)低NOX目標(biāo)值(本地區(qū) NOX 的環(huán)保指標(biāo)是小時(shí)平均值不超 200mg/m3 )，防止煙囪入口NOX小時(shí)均值超標(biāo)。這一設(shè)計(jì)將原來的運(yùn)行人員輸入固定目標(biāo)值調(diào)節(jié)提升為了自動(dòng)可變目標(biāo)值調(diào)節(jié)，避免了運(yùn)行人員調(diào)整不及時(shí)和系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致的環(huán)保超標(biāo)。

(5)設(shè)計(jì)了“NOX目標(biāo)值與 NOX實(shí)際值偏差的死區(qū)(即 NOx 目標(biāo)值與 NOX實(shí)際值偏差在一定范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)不調(diào)節(jié))”和“風(fēng)煤比死區(qū)(即風(fēng)煤比在一定范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)不調(diào)節(jié))”，避免了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作對(duì)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(jì)了氨逃逸檢測(cè)儀表。最初的邏輯中當(dāng)氨逃逸超標(biāo)時(shí)僅發(fā)出報(bào)警，需要運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)調(diào)整尿素溶液流量。優(yōu)化后，當(dāng)氨逃逸偏高且煙囪入口 NOx 值不超 170mg/m3 時(shí)，自動(dòng)按折線比例下調(diào)NOX目標(biāo)值，有效地避免了氨逃逸超限對(duì)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(jì)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)高、低限抑制調(diào)節(jié)輸出功能，即執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jì)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最低開度限制，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過度關(guān)閉時(shí)由于系統(tǒng)無流量導(dǎo)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(dòng)而上凍的問題。

(9)設(shè)計(jì)了尿素溶液母管壓力低限時(shí)調(diào)節(jié)器的閉增邏輯。當(dāng)尿素溶液母管壓力過低時(shí)禁止調(diào)節(jié)器開大尿素溶液流量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

(10)設(shè)計(jì)了測(cè)點(diǎn)防波動(dòng)邏輯，即在參與自動(dòng)的測(cè)點(diǎn)與自動(dòng)控制主邏輯之間加入慣性模塊。當(dāng)測(cè)點(diǎn)波動(dòng)時(shí)通過慣性模塊的抑制作用，使進(jìn)入自動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)量值更加平滑，從而避免測(cè)量值小范圍波動(dòng)時(shí)引發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)頻繁動(dòng)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(dòng)因素多的特點(diǎn)，其自動(dòng)控制需要考慮的因素多種多樣，是一個(gè)值得深入研究的課題。本文創(chuàng)新性地提出了多項(xiàng)有益于SNCR自動(dòng)控制系統(tǒng)更加完善的方法，尤其是風(fēng)煤比參與 SNCR 自動(dòng)控制、超前預(yù)估邏輯的應(yīng)用、45min超限識(shí)別等方法，使SNCR系統(tǒng)的自動(dòng)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(duì) SNCR自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化后，使自動(dòng)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(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)均值既能很好地控制在環(huán)保指標(biāo)以下，又能貼線運(yùn)行減少尿素溶液的用量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。