SNCR脱硝系统的广义预测控制

何伟，鲁明，李国强，刘志远，张波

(中石油独山子石化公司 热电厂，新疆 克拉玛依 833699)



SNCR脱硝系统的广义预测控制

何伟，鲁明，李国强，刘志远，张波

(中石油独山子石化公司 热电厂，新疆 克拉玛依 833699)

摘要：由于脱硝回路具有大滞后、强非线性等特点，热电锅炉基于PID控制器的脱硝回路自动控制系统存在控制品质差、自控投运率低等问题。 分析了SNCR工艺流程特点及现有控制策略的不足，提出了一种基于广义预测控制算法的SNCR脱硝系统控制策略。针对回路特点改进控制策略，利用最小二乘法获得氨水阀门开度与氮氧化物质量浓度的一阶惯性纯滞后模型，使用广义预测控制算法控制氮氧化物质量浓度，在原有DCS的基础上设计并实现了SNCR脱硝回路先进控制系统。现场投运结果表明： 基于广义预测控制的脱硝系统氮氧化物排放量波动幅度降低，回路自控投运率提高。

关键词：SNCR脱硝系统广义预测控制氮氧化物控制策略

氮氧化物(NOx)是化石燃料燃烧过程中排放的重要大气污染物之一，其危害主要体现在四个方面： 进入人体的呼吸系统，引起气管炎、肺炎、肺气肿等疾病；是形成酸雨的重要因素，酸雨会破坏森林植被、污染水体；当与碳氢化合物在阳光照射下发生化学反应产生光化学烟雾，严重威胁人类生命；与平流层中的臭氧发生连锁反应消耗臭氧，造成臭氧层空洞[1]。

据统计，国内大气中的NOx主要来自燃煤火力电厂、机动车和工业炉窑等[2]，其中燃煤电厂是最主要来源，每年排放的NOx占排放总量的35%～40%[3]，几乎占了半壁江山。因此，研究如何降低燃煤发电企业NOx的排放具有重要的现实意义。

1SNCR工艺原理及控制逻辑

选择性非催化还原法脱硝技术(SNCR)是一种向旋风分离器入口烟道或炉膛出口烟道中喷NH3或尿素等含有氨基的还原剂的技术，在927～1 093 ℃内，还原剂在高温下迅速分解为NH3，NH3选择性地把烟气中的NOx还原为N2和H2O，基本上不与烟气中的O2作用[4]。 相比选择性催化还原法技术(SCR)，SNCR虽然脱硝效率中等，但造价低廉，不会导致系统压力损失、对空气预热器没有腐蚀作用、且占地面积小[5]，比较适合用于中小型电厂现有锅炉的改造。

独山子动力站1号炉的脱硝回路使用的SNCR工艺，是向烟气中喷入浓氨水和除盐水的混合溶液，将NOx还原成N2和H2O[6]，如图1所示。从图1中可以看出该回路共有2个控制阀门，分别控制氨水和除盐水的流量，并在烟道尾部检测ρNOx并进行反馈。

图1　独山子1号脱硝系统工艺示意

独山子电厂1号炉，初始NOx相关性是过热空气量、过剩空气和锅炉负荷的函数。如果ρNOx预测得太低，氨水水流量会设置得太小，NOx的去除效果也会差。相反，如果ρNOx预测太高，氨流量会比

需求量大，氨逃逸的可能性将大幅增加。因此，有必要标定一个能准确反映进入SNCR区域的ρNOx，并且能够适当地反映出锅炉运行中的变化。为了维持整个锅炉运行条件范围内NOx的去除效果，应遵循图2所示的控制逻辑。

图2　氨水流量控制逻辑示意

2当前SNCR脱硝控制

脱硝系统当前的控制策略，如图3所示。NOx的主控制回路没有使用常规的PID控制，而是用1套模糊控制的经验算法来完成，比例调节器通过氨水流量控制中的比值对氨水进行定量控制。主控制回路输出的氨水流量设定值是副回路氨水阀门PID的设定值，总喷水量(目前设定为1.200 m3/h)减去氨水流量反馈值作为稀释水流量的设定值。

图3　DCS中脱硝系统原ρNOx控制策略示意

SNCR脱硝工艺是一个长流程、大滞后的控制对象，氨水和NOx在烟道中的反应流程较长，常规的PID控制回路很难达到较好的控制效果[7]，图3中的比例控制器就更无法达到很好的控制效果了。

此外，由于其比值是根据经验进行设定，缺乏对实际情况的跟踪，不能完全反映实际运行过程中的变化。针对目前电厂煤种不断发生变化的情况，原

有控制策略很难根据锅炉具体运行状况、煤质的改变等快速优化参数。现场仪表的定期吹扫、标定以及工作环境会给测量带来干扰或使数据失真，而上述方法又过分依赖测点，因而造成控制水平下降。

图4为2014年8月26日，全天投入脱硝控制的一段曲线(图a)为ρNOx测量值，图b)为氨水流量)。

图4　DCS中ρNOx测量值与氨水流量曲线对比

从图4可以看到ρNOx在60～120mg/m3波动，控制输出曲线(氨水流量)与控制对象曲线(ρNOx测量值)基本成比例关系，无法起到控制作用。因此，操作人员很久不用NOx自动回路，而是一直采用手动操作。

3SNCR脱硝广义预测控制系统的实现

3.1SNCR脱硝预测控制

通过最小二乘辨识方法对该回路进行模型辨识，得到脱硝回路中ρNOx和氨水流量阀门之间的对象模型为

式中：Y(s)——回路输入参数(ρNOx测量值)；

U(s)——回路输出参数(氨水阀门开度)；t——时间，s；e——自然常数。

脱硝系统的先进控制策略如图5所示。采用广义预测控制(GPC)作为NOx回路的控制器，控制量直接作用于氨水流量调节阀。因为氨水控制阀控制线性非常好，不存在空圈死区等现象，不使用原来的串级控制。稀释水流量控制方式保持原先逻辑不变： 用总喷水量减去氨水流量测量值作为稀释水流量的设定值，并通过PID控制器对稀释水流量阀门进行控制。

脱硝系统先进控制回路于2015年3月18日～28日投用期间，回路自动投用率高于95%。

图5　改进的脱硝系统预测控制示意

图6a)为手动控制时的24 h ρNOx测量值曲线，ρNOx一般控制在50～100mg/m3，但是波动较大。图6b)为先进控制投运后的24 h ρNOx测量值曲线，设定值为72 mg/m3，控制精度在±10%以内，大部分时间在±5%左右。图6c)为24 h手动控制氨水流量曲线，操作人员只在ρNOx较高或较低时才调节氨水控制阀门，而且单次的调整幅度都比较大。图6d)为先进控制投运后24 h氨水流量曲线，通过微调控制输出以保持ρNOx的稳定，控制量较为平稳。

a) 手动控制24 h ρNOx测量值曲线

b) 预测控制投运后24 h ρNOx测量值曲线

c) 手动控制24 h氨水流量曲线

d) 预测控制投运后24 h氨水流量曲线

3.2先进控制的实现

先进控制系统平台包括先进控制组件、数据通信组件和实时趋势组件。先进控制组件是控制的核心，负责进行先进控制运算，给出控制输出；数据通信组件负责与DCS之间进行数据通信；实时趋势组件帮助更好地进行参数调试，得到最合适的控制参数。

4结束语

通过对电厂脱硝回路工艺进行分析，针对当前控制方案及其存在的问题进行改进，改良控制策略，引进广义预测控制对SNCR脱硝回路进行先进控制改造，搭建SNCR脱硝先进控制平台，并实际投运于现场，取得了良好的控制效果。

参考文献：

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[2]YANG D, CHEN Q W. The Discharge Status and Technical Analysis of NOXof Thermal Power Plant Boiler[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014(535)： 131-134．

[3]王颖雪.基于灰色关联的火电行业NOX排放组合预测[D].保定： 华北电力大学，2013．

[4]杨梅，张忠孝，于娟，等.循环流化床烟气SNCR脱硝机理与实验[J].燃烧科学与技术，2014，20(02)： 101-105.

[5]钟祎勍，姚国鹏，王剑钊，等.CFB锅炉SNCR烟气脱硝系统控制策略研究[J].热力发电，2014，43(07)： 101-103，109.

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[7]张利勇.选择性非催化还原脱硝技术的应用及其运行控制策略[D].北京： 华北电力大学，2008.

[8]王连强.基于EtherNet/Ip工业以太网的SNCR烟气脱硝控制系统设计与生产应用研究[D].沈阳： 东北大学，2012.

[9]罗朝晖.选择性非催化还原烟气脱硝技术(SNCR)在循环流化床锅炉上的工程应用[D].上海： 上海交通大学，2008.

[10]胡薇.200MW机组锅炉烟气脱氮技术研究[D].保定： 华北电力大学，2008.

[11]LI Kang, THOMPSON S, PENG Jianxun. Modeling and Prediction of NOXEmission in a Coal-Fired Power Generation Plant [J]. Control Engineering Practice, 2004(12)： 707-723.

Generalized Predictive Control on SNCR Denitration System

He Wei, Lu Ming, Li Guoqiang, Liu Zhiyuan, Zhang Bo

(Thermal Power Plant, Xinjiang Dushanzi Petrochemical Company, Karamay, 833699, China)

Abstract:Due to the characteristics of large lag and strong nonlinearity of denitration loop, PID-based automatic control system of power plants owns poor control quality and low loop automatic operation rate for denitration loop. The characteristics of SNCR process and shortage of existing control strategy are analyzed with proposal of a new SNCR denitration system control strategy based on one generalized predictive control algorithm. Design and implement of advanced control system for SNCR denitration loop are realized on the basis of original DCS with improving control strategy focusing on loop characteristics, and first order inertia pure lag model with least squares method to obtain valve opening degree and nitrogen oxide mass concentration, and application of generalized predictive control algorithm to control nitrogen oxides mass concentration. The on-site operation results show fluctuation of nitrogen oxide emissions amount of denitration system is reduced and automatic control loop operation rate is increased for denitration system based on generalized predictive control.

Key words:selective non-catalytic reduction; denitration system; generalized predictive control; nitric oxide; control strategy

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)01-0038-04

作者简介：何伟(1983—)，男，2005年毕业于北京科技大学计算机科学与技术专业，获学士学位，现就职于中石油独山子石化公司热电厂，从事仪表专业研究工作，任工程师。

稿件收到日期： 2015-09-14，修改稿收到日期： 2015-11-12。