1000MW超临界机组SCR脱硝优化控制系统的研究与应用

北极星环保网讯:针对1000MW机组超临界机组超排改造后存在的SCR脱硝调节品质差，NOx瞬时超标问题较多，运行人员需频繁干预调节，喷氨量大，空预器堵塞现象频发等问题，本文采用先进的控制算法软件，取代原有的PID控制，提出了先进的SCR脱硝控制系统。经过实际应用，明显提高了NOx调节品质，有效控制了NOx瞬时超标数量，提高了NOx小时均值，大幅减少了喷氨用量，降低了空预器堵塞发生的几率，减轻了运行人员调节压力，保证了机组经济、安全性运行。

目前，国内发电厂较为常用的SCR脱硝NOx控制方法有反应器出口NOx定值控制法和固定摩尔比控制法两种。脱硝控制系统具有非线性、大迟延、多干扰源影响等特点，是典型的大滞后被控对象，而且SCR脱硝过程本身就是一个复杂的非线性化学反应过程，并随着催化剂的不断消耗，脱硝被控过程的动态特性会发生较大的变化。

事实上，机组实际运行时，脱硝系统出口烟气中NOx(氮氧化物)含量经常出现波动大、超出环保指标等情况。因此，采用简单的PID控制方案很难取得理想的控制品质，同时氨气消耗比较大，使得整个脱硝系统的运行性能受到明显影响 。

1 脱硝SCR控制系统概况

某1000MW机组锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的第一代国产1000MW超临界直流锅炉，SCR脱硝NOx控制系统采用控制策略为前馈与PID结合的方法，即根据SCR反应器入口NOx浓度和烟气流量计算出入口NOx含量，然后计算出所需的氨气量，再引入SCR反应器进口和出口NOx含量作为所需氨气量的修正。这种方法和固定摩尔比的控制方案比较类似。

2 常规脱硝控制系统调节品质不高原因分析

1) 控制目标与考核目标不对应

环保部门对电厂进行考核核算的指标是烟囱入口处的NOx浓度测量值(由CEMS表计测得)。固定摩尔比控制方式仅控制摩尔比，是简单的开环控制，控制目标与考核目标只有一定程度的关联;而固定SCR出口NOx浓度的控制方式，由于SCR出口NOx浓度与烟囱入口NOx浓度由于烟气流场和表计测量问题等，不论在静态关系还是动态特性上均存在着较大的差别。

2)控制策略设计过于简单，与脱硝被控对象不相适应

根据现场试验结果，脱硝被控对象(NH3流量→烟囱入口NOx浓度)的响应纯延迟时间接近3min，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象。控制系统想要获得良好的控制品质，必须以基于大滞后被控对象的设计思路进行优化。而目，前馈的控制策略均采用简单的PID+前馈的方案，必然无法获得良好的控制品质。

3)控制系统仅考虑对象的静态机理，且缺乏自适应机制

常规的脱硝控制策略，只考虑了机组负荷、烟气量变化对脱硝控制的前馈作用，但这种对应关系仅仅是基于静态物理特性的。也就是说，对于机组运行在800MW或者900MW负荷点，控制系统有对应;但对于机组如何从800MW上升到1000MW的动态过程(变负荷速率，燃料、风量变化情况等)，控制系统无响应。这就使得脱硝控制品质在机组负荷频繁变化时尤为不佳。同时，上述的静态机理特性无法根据机组工况、燃煤品质的变化作出调整，无法应对目前机组频繁进行煤种掺烧的环境。

4)控制系统的运行过分依赖于所有测点的完好

SCR进、出口的NOx、O 2 测量仪表由于长期运行在灰、尘较高的环境下，容易出现部分或整体失真的情况，且仪表的定期吹扫、标定也会使测量值瞬间突变。脱硝控制策略对上述问题均无比较好的应对方法，一旦某个测点失灵，整个控制系统即处于瘫痪，系统的长期可用性明显受到影响。

3 新型脱硝控制系统控制策略分析

1)机组脱硝系统模型的获取

对1000MW超临界机组SCR脱硝系统，分别在高、中、低3个负荷点上进行开环动态特性试验，并采集其相关试验过程数据。试验过程中，脱硝系统模型要将反馈调节回路模型和扰动模型分别获取。试验完成后，对数据整理分析，并采用神经网络建模方法得到机组SCR脱硝系统的模型。

2)前馈的设置

在传统的NOx控制系统中，往往采用机组负荷指令的对应比例或微分函数的信号作为喷氨调门的前馈信号，这种前馈信号目标单一且大小固定，在长期运行过程中，必然存在性能下降的情况。对此，结合脱硝系统模型特性试验，分析各扰动因素对喷氨调节地影响，形成了一套智能前馈+反馈控制策略，具体内容如下：

① 根据NOx形成机理及实际运行情况来看，机组负荷指令、给煤量、总风量(氧量)均会对SCR入口NOx产生不同的影响，从而会进一步影响SCR出口NOx浓度及烟囱入口NOx浓度。因此，在设计前馈回路时也应该分别考虑以上各因素的特点，并结合所建立的脱硝系统模型，给予各前馈量不同的权重系数和作用时序。

延伸阅读：

SCR脱硝出口的高精度氨氮同时测量方案及对喷氨优化控制的意义

改造案例之宜兴华润热电锅炉三次风改乏气送粉与脱硝优化