引言

氮氧化物(NoC)污染是大氣污染的主要來源之一,而燃煤電廠則是NoC排放大戶,目前超低排放已成為燃煤電廠的"底線"指標。關于如何提高脫硝系統(tǒng)的可用性,以往比較關注脫硝系統(tǒng)的設備構造、反應原理、運行操作方式等方面,隨著計算機技術和自動控制理論的發(fā)展,脫硝自動控制策略的優(yōu)化越來越引起業(yè)內專家的廣泛關注。如果脫硝自動無法正常投入,將對機組安全經濟運行產生嚴重影響:

(1)NoC波動大,甚至經常超標。為避免超標,不得不將NoC設定值置于較低水平,從而增加了液氨或尿素溶液等脫硝還原劑的消耗量,增加電廠運營成本。

(2)脫硝自動的調節(jié)性能差容易導致脫硝還原劑的過量加入,從而導致氨逃逸較高,過量的氨與煙氣中的硫化物反應生成硫酸氫銨,會堵塞空預器,危及下游設備安全經濟運行。

(3)為避免環(huán)?？己?往往需要專門安排運行人員調節(jié)脫硝控制,既增加運行工作量,又會制約機組變負荷能力,容易引起電網"兩個細則"考核及環(huán)保考核。

當前,為響應國家"雙碳"目標的要求,越來越多的火電機組開展了靈活性改造,機組調峰深度需要達到20%額定負荷甚至更低,以充分發(fā)揮火電機組調峰調頻的靈活性和對電網的基礎支撐作用。脫硝自動控制在寬負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)達標的前提,也是機組參與深度調峰和空預器長周期安全運行的保障。

某300MW火電機組,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。該機組自投運以來,脫硝控制調節(jié)效果較差,脫硝自動無法正常投入,煙囪出口NoC波動大、經常超標。本文分析了原脫硝自動控制系統(tǒng)調節(jié)效果不佳的原因,并針對脫硝系統(tǒng)的動態(tài)特性和運行狀況,提出了基于智能并行前饋的變參數(shù)串級控制優(yōu)化方案。實踐表明,優(yōu)化后,煙囪出口NoC非常穩(wěn)定,變負荷工況下,NoC控制偏差在±10mg/Nm3以內,穩(wěn)態(tài)工況下,NoC控制偏差在±6mg/Nm3以內,脫硝控制取得了良好的調節(jié)效果,顯著提升了機組運行的安全經濟性。

1原脫硝自動控制策略存在的問題

1.1采用簡單的單回路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為被調量,根據煙囪出口NoC設定值與被調量的偏差,通過簡單的PID調節(jié),輸出尿素溶液流量調節(jié)閥的開度,最終控制煙囪出口NoC穩(wěn)定。

由于脫硝系統(tǒng)不是一個相對獨立的確定性調節(jié)系統(tǒng),還會受到機組變負荷、磨煤機啟停、鍋爐燃燒、風煤比控制等其他參數(shù)影響,這就使得調節(jié)系統(tǒng)的控制目標不準確,導致脫硝自動投入后效果差,負荷一旦變化,調節(jié)系統(tǒng)內外干擾均較大,自動控制無法正常投入。

1.2CEMS系統(tǒng)反吹和標定的干擾影響

為了防止取樣管路堵塞,煙囪出口CEMS系統(tǒng)每隔一定時間會自動反吹、標定一次。在系統(tǒng)自動反吹和標定期間,將煙囪出口的NoC鎖定為反吹和標定前測量值,持續(xù)時間可長達5min。由于CEMS反吹和標定的頻率高、時間長,調節(jié)對象無法實時反映脫硝系統(tǒng)內部NoC的變化量,會帶來以下兩方面問題:

(1)若仍按鎖定前的NoC值與設定值進行偏差調節(jié),則脫硝自動控制容易出現(xiàn)超調,特別是在機組變負荷過程中,會導致調節(jié)系統(tǒng)大范圍波動,甚至出現(xiàn)振蕩發(fā)散的情況:

(2)若在CEMS系統(tǒng)反吹和標定期間不進行偏差調節(jié),則無法及時克服機組運行工況變化對NoC的影響。

原脫硝控制系統(tǒng)在CEMS系統(tǒng)反吹和標定完成后,經常會出現(xiàn)煙囪出口NoC瞬時超標的現(xiàn)象。

1.3原脫硝自動控制效果分析

根據圖1可以看出,原脫硝自動控制效果較差,即使機組處于穩(wěn)態(tài)運行,煙囪出口NoC依然波動較大:

(1)煙囪出口NoC偏差可達30mg/Nm3。

(2)煙囪出口NoC周期性波動,無法穩(wěn)定。

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

即使機組負荷、鍋爐燃燒穩(wěn)定,受脫硝NoC濃度測量延時性、CEMS系統(tǒng)反吹和標定、閥門特性的非線性等因素影響,脫硝自動控制也很難調節(jié)穩(wěn)定。變負荷時,往往需要將脫硝控制切除自動,由運行人員手動干預維持煙囪出口NoC穩(wěn)定不超標,這一方面極大地增加了運行人員的工作強度,另一方面也容易導致尿素溶液的過調,不利于機組的安全經濟運行。

因此,必須針對當前脫硝控制存在的問題,根據脫硝系統(tǒng)的動態(tài)特性及運行工況,開展脫硝控制策略的設計與優(yōu)化工作,提高脫硝自動控制的準確性與穩(wěn)定性。

2脫硝控制策略的設計與優(yōu)化

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

2.1變參數(shù)串級PID控制策略

(1)串級控制策略:以煙囪出口NoC為主PID控制器的被調量,主PID控制器輸出為尿素溶液流量設定值,作為副PID控制器的設定值,副PID控制器的被調量為實際尿素溶液流量,副PID控制器的輸出為尿素溶液流量調節(jié)閥指令。副PID控制回路起到尿素溶液流量快速粗調的作用,主PID控制回路起到煙囪出口NoC濃度細調的作用。

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

(3)尿素溶液流量調閥的非線性校正:根據尿素溶液流量調閥開度指令與實際尿素流量的關系,構造副PID調節(jié)器的比例增益函數(shù),以校正尿素流量調閥的非線性。

2.2智能并行前饋控制策略

(1)理論尿素溶液流量動態(tài)預估前饋:通過控制邏輯判斷煤量、風量、入口NoX與出口NoX設定偏差及偏差變化情況,動態(tài)預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)自動反吹和標定前后NoX濃度突變造成調節(jié)系統(tǒng)不可控的情況,如圖3所示。

(2)變負荷前饋:根據變負荷幅度及變負荷速率,設計動態(tài)變負荷前饋,提前調整尿素溶液流量設定值,以降低因變負荷造成的NoX濃度波動,如圖4所示。

(3)啟停磨前饋:判斷磨煤機啟停狀態(tài),提前調整尿素溶液流量設定值,以降低磨啟停期間NoX濃度的波動,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,提高脫硝控制響應速度,并保持煙囪出口NoX的穩(wěn)定。

3優(yōu)化后脫硝自動控制效果分析

優(yōu)化后脫硝自動控制曲線如圖6所示。

根據圖6可以看出:

(1)機組負荷變化范圍為285MW一205MW一280MW:(2)變負荷工況下,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PID脫硝優(yōu)化控制策略具有較強的魯棒性,對大慣性、大遲延對象的控制效果有明顯改善,前饋信號和反饋信號共同構成了尿素溶液流量的實時設定值,保證了實際尿素溶液流量快速跟蹤其設定值。機組在AGC隨動控制方式下,脫硝控制一直投入自動運行,在變負荷和穩(wěn)態(tài)工況下,煙囪出口N0X波動較優(yōu)化前大幅減小(表1),脫硝自動控制取得了良好的調節(jié)品質。

4結語

脫硝系統(tǒng)是一個受機組負荷、鍋爐燃燒、磨煤機啟停、CEMS系統(tǒng)反吹和標定等因素影響的大遲滯、大慣性控制系統(tǒng),簡單的單回路控制不能滿足脫硝調節(jié)要求。針對原脫硝控制策略存在的問題,通過引入基于智能并行前饋的變參數(shù)串級控制優(yōu)化策略,完善控制對象,使脫硝控制調節(jié)方式能適應不同工況的控制需求,煙囪出口N0X全時段保持穩(wěn)定可控,避免了由參數(shù)變化導致的煙囪出口N0X超標,脫硝控制系統(tǒng)的調節(jié)品質及穩(wěn)定性得到了很大的提高。

脫硝控制實現(xiàn)全程自動控制,具有以下主要優(yōu)點:

(1)煙囪出口N0X對機組工況變化的適應能力強,能降低運行人員工作強度,避免誤操作,避免環(huán)?？己?最大程度減少氨逃逸量,有效緩解空預器堵塞問題,降低電廠運營成本:

(2)不會制約機組的變負荷能力,為機組提高"兩個細則"考核能力奠定基礎:

(3)有助于機組實施靈活性改造,提高機組深度調峰能力,為實現(xiàn)"雙碳"目標提供保障。

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