基于SCR脱硝系统动态特性修正的喷氨优化控制方法

李 逗， 司风琪， 孙栓柱， 王卫群， 张友卫， 王 林

(1. 江苏方天电力技术有限公司， 南京 211102；2. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096)

随着超低排放政策的推行，燃煤电厂对NOx排放质量浓度指标越来越重视。目前对于燃烧过程中已经生成的NOx，电厂普遍采用选择性催化还原(SCR)脱硝设备进行烟气脱硝[1]。然而由于SCR脱硝系统中的化学反应存在强烈的非线性和大滞后特性，当系统处于变工况运行时，难以准确控制喷氨量，即还原剂体积流量，容易发生氨逃逸体积分数超标或出口NOx质量浓度超标等现象，影响机组安全经济运行。

喷氨优化一直是学者们关注的热点，目前主要通过三种方法来实现。一是构建SCR脱硝系统模型，利用模型预测结果指导喷氨[2-4]；二是通过现场试验方式调整喷氨[5-6]；三是通过引入前馈量方式使喷氨控制器提前动作[7-8]。SCR脱硝系统动态性强，其过程数据混杂性高，建立高精度模型难度较大；现场试验的方法成本较高，可重复性差；前馈量的选取缺乏统一标准，且前馈量的波动还会引起控制器的不合理动作。

为解决上述问题，笔者从SCR脱硝系统动态特性出发，利用系统动态环节时间常数，推导出针对延迟环节的修正公式，对系统喷氨量进行优化。利用某厂660 MW机组过程数据辨识出SCR脱硝系统动态环节时间常数，在Matlab/Simulink平台上搭建了系统仿真平台，利用仿真数据和现场实际运行数据对优化方法进行了验证。

1 SCR脱硝反应器动态特性

1.1 喷氨量控制逻辑

图1为典型SCR脱硝反应器喷氨量控制逻辑图，利用SCR脱硝反应器进口烟气流量和进口NOx质量浓度计算出进口NOx的质量流量，再乘上设定的氨氮摩尔比即可得到所需的理论喷氨量，利用出口NOx质量浓度反馈信号修正所需的喷氨量，得到最终的实际喷氨量。为保证SCR脱硝系统的稳定性，目前各电站往往采用固定氨氮摩尔比的方式进行控制。

图1 典型SCR脱硝反应器喷氨量控制逻辑

1.2 SCR脱硝反应器延迟和滞后的原因

造成SCR脱硝反应器延迟和滞后的原因主要有以下三点：

(1) 测量仪表存在滞后性[9]。计算SCR脱硝系统所需还原剂体积流量需要利用SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度与烟气流量，而NOx质量浓度与烟气流量的测量存在一定的滞后性。

(2) SCR脱硝装置反应机理复杂，控制系统具有很强的非线性[10]。SCR脱硝系统内存在复杂的化学反应，受催化剂活性、烟气流速、烟气温度、烟气含氧量等多种因素影响，控制系统无法及时准确地调整喷氨量。

(3) 烟气流程导致测量数据存在延迟。环保部门对NOx质量浓度的考核测点设定在烟囱进口处，距离SCR脱硝系统具有较长的烟气流程，导致SCR脱硝系统喷氨控制器动作后，考核测点的变化存在很大的滞后性，喷氨控制器无法直接根据考核测点变化对喷氨量进行及时调整。

2 SCR脱硝反应器仿真平台搭建

为进一步研究SCR脱硝反应器动态环节，找出反应器动态过程参数修正方法，笔者利用Matlab/Simulink搭建SCR脱硝反应器仿真平台。现场SCR脱硝反应器一般分为A、B两侧，考虑到环保考核测点烟气为A、B两侧反应器出口烟气的混合，因此笔者建立的仿真平台将A、B两侧反应器统一考虑，输入参数为A、B两侧参数的平均值，最终输出参数为环保考核测点参数，即烟囱进口处参数。

搭建的SCR脱硝反应器整体模型见图2。图2中包含四个主要模块：SCR输入模块包含反应器进口NOx质量浓度ρ(NOx)in、进口氧体积分数φ(O2)、机组负荷P以及反应器氨氮摩尔比设定值MRSP；NH3模块为喷氨控制器模块，输出系统所需还原剂体积流量qV；SCR模块为反应模块，输出反应器出口NOx质量浓度ρ(NOx)out；延迟模块代表由延期流程导致的SCR脱硝反应器出口至烟囱进口的参数延迟，系统最终输出ρ(NOx)cem为烟囱进口NOx质量浓度。

图2 SCR系统仿真模型

NH3模块计算系统所需还原剂体积流量：

qV=ρ(NOx)in·P·α·K·MRSP·10-6

(1)

式中：α为氧量修正系数；K为比例常数，m3/(MW·h)。

NH3模块细节见图3。其中，NH3理论模块计算理论还原剂体积流量，延迟模块1表示SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度发生变化后，实际还原剂体积流量qV,r变化的延迟，这一延迟是由于喷氨管道的流程、喷氨阀门调节等原因产生的，qV,c为理论还原剂体积流量。

图3 NH3模块

SCR模块根据实际喷入反应器内的还原剂体积流量及其他反应条件计算出SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度，其模块细节见图4。延迟模块2代表脱硝SCR反应器内烟气流程导致的延迟。延迟模块3代表SCR脱硝反应器内化学反应导致的延迟。

图4 SCR模块

图4中，MR计算模块计算系统的实际氨氮摩尔比MR：

(2)

根据式(2)计算出实际氨氮摩尔比后，经过eta模块，查出该氨氮摩尔比对应的脱硝效率，即可计算出SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度。

3 基于现场运行数据的SCR脱硝反应器动态环节参数辨识

3.1 仿真平台参数辨识

第2节中搭建的SCR脱硝仿真平台存在四处延迟环节：一是烟囱进口NOx质量浓度对SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度的延迟；二是系统还原剂体积流量对SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度的延迟；三是SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度对进口NOx质量浓度的延迟；四是SCR出口NOx质量浓度对还原剂体积流量的延迟。

为得到以上未知参数，利用某厂660 MW机组历史运行数据，结合Matlab辨识工具箱，对SCR脱硝反应器各部分时间常数进行辨识。以550 MW下的数据为例，根据文献[11]中的研究，笔者选择的传递函数G(s)形式为一阶惯性环节加纯延迟环节：

(3)

式中：M为比例系数；Tp为一阶惯性时间常数；Td为纯延迟时间常数；s为拉普拉斯算子。

辨识四部分延迟时间常数所用的数据见图5～图8，采样周期为10 s。

对图5数据进行去噪和归一化后，利用辨识工具箱得到的一阶惯性时间常数为156.35 s；纯延迟时间常数为48.76 s。

图5 ρ(NOx)out对还原剂体积流量的延迟

图6 ρ(NOx)cem对ρ(NOx)out的延迟

图7 还原剂体积流量对ρ(NOx)in的延迟

图8 ρ(NOx)out对ρ(NOx)in的延迟

最终得到不同负荷下SCR脱硝反应器各部分延迟时间常数(见表1)。

表1 不同负荷下辨识时间常数列表

表1(续)

由表1可以看出：在高负荷段(如660 MW及550 MW)下，SCR脱硝系统各环节延迟时间常数变化不大，到450 MW时延迟明显变大，这主要是由于负荷变化导致烟气流速变化。由于机组常规运行在80%负荷左右，因此笔者以550 MW负荷数据为例进行进一步分析。

3.2 仿真平台验证

将表1数据加入仿真平台中，利用试点机组550 MW下的现场试验数据对仿真平台进行验证[12]。笔者选取试验段内的两部分数据：一是SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度不变，改变氨氮摩尔比设定值条件下产生的数据；二是氨氮摩尔比设定值不变，SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度阶跃变化条件下产生的数据。在该条件下，仿真平台输出结果与现场实际数据变化情况见图9及图10。

图9 变氨氮摩尔比下仿真模型验证图

由图9及图10可看出：仿真平台输出结果与实际数据变化基本一致，现场实际数据波动性较大，主要是由于现场的测量噪声、反应器内烟气混合不均匀等。

利用机组常规运行段数据对仿真平台进行进一步验证。设定SCR脱硝系统喷氨量的调节方式为固定氨氮摩尔比调节，机组负荷与SCR脱硝反应器进口NOx质量浓度见图11。现场实际数据与仿真平台输出结果对比见图12、图13。

图11 系统输入变量

图12 还原剂体积流量波动验证图

图13 ρ(NOx)cem质量浓度波动验证图

由图12及图13可以看出：在机组常规运行阶段，仿真平台也能够还原现场控制方式下的喷氨量响应情况和NOx质量浓度反应结果。

4 喷氨优化控制方法

SCR脱硝系统理论还原剂体积流量指令是根据烟气流量、进口NOx质量浓度及设定氨氮摩尔比计算得到的，由于还原剂流程带来的延迟，使得SCR脱硝系统实际喷入的还原剂体积流量滞后于理论还原剂体积流量指令，使得反应器实际氨氮摩尔比存在较大波动。以现场实际进口数据作为仿真平台的输入数据，得到得仿真平台输出氨氮摩尔比与设定氨氮摩尔比(见图14)。

图14 氨氮摩尔比过程线

反应器实际还原剂体积流量对于进口NOx质量浓度变化的延迟也就是实际还原剂体积流量对理论还原剂体积流量的延迟：

(4)

为了使系统实际还原剂体积流量与理论还原剂体积流量一致，可以对理论还原剂体积流量进行动态修正，根据式(4)可以计算出优化后理论还原剂体积流量qV″：

(5)

由式(4)可得理论还原剂体积流量：

(6)

将式(6)代入式(5)可得优化后理论还原剂体积流量：

(7)

以式(7)计算出的还原剂体积流量作为系统所需的理论还原剂体积流量，则根据式(4)可计算出此时系统实际还原剂体积流量：

(8)

优化前后，系统烟囱进口NOx质量浓度、实际还原剂体积流量与实际氨氮摩尔比见图15～图17。由图15和图17可以看出：改进后烟囱进口NOx质量浓度和实际氨氮摩尔比比优化前更加平稳。

图15 改进前后ρ(NOx)cem变化图

图16 改进前后还原剂体积流量变化图

图17 改进前后氨氮摩尔比变化图

为进一步验证该修正方法的有效性，从对象机组厂级监控信息系统(SIS)数据库中提取SCR脱硝系统一段时间的过程数据。根据还原剂体积流量、烟气流量等数据估算出系统实时氨氮摩尔比变化情况，利用该修正方法对还原剂体积流量进行修正后，得到的改进前后系统氨氮摩尔比变化情况见图18。由图18可以看出：改进后系统氨氮摩尔比比改进前变化较平稳。

图18 现场实际数据验证结果图

5 结语

提出了一种基于SCR脱硝系统动态特性修正的喷氨优化控制方法，利用对象动态环节时间常数对喷氨量进行补偿。根据某厂660 MW机组运行数据辨识出SCR脱硝系统动态时间常数，搭建其仿真平台，利用仿真数据及现场实际数据对提出的方法进行验证。结果表明：该方法可以有效减小动态过程中SCR脱硝系统实际氨氮摩尔比的波动，有利于系统对出口NOx质量浓度的控制。