1 000 MW机组脱硝自动控制问题分析与逻辑改造

李 赈 马剑宇 纪 翾

（国能江苏谏壁发电有限公司，江苏镇江 212006）

0 引言

当前，氮氧化物是火电机组污染排放物治理的重点，随着国家环保排放管控标准日益严格，现市环保要求将脱硝氮氧化物排放标准提高至25 Nm3/h以下，可以预见，不久的将来，对氮氧化物的排放将实现超低或近零排放。目前，国内大型火电机组的SCR脱硝控制系统由于控制策略设计不完善、控制目标不明确、测点滞后性长、烟气流场多变等问题，系统的自动投入率和投入效果均较差，使得整个脱硝系统的运行性能受到明显影响。本文针对某厂1 000 MW机组脱硝自动控制运行中存在的问题，分析了问题的主要原因，并通过逻辑改造、功能优化展现了实际调节效果。

1 现有脱硝自动控制方案

某厂1 000 MW机组脱硝喷氨自动控制逻辑采用较为典型的“前馈+反馈”模式，如图1所示，前馈为脱硝入口NOx对应f（x）函数，反馈为烟囱入口NOx实际值与设定值偏差经过PID得出，两者同时作用于脱硝喷氨调门开度（有的电厂将反馈改为脱硝出口NOx来提高控制系统响应速度，但环保考核要求是针对烟囱入口NOx，当脱硝出口NOx与烟囱入口NOx数值存在偏差时，就无法精准控制烟囱入口NOx）。

图1 某厂1 000 MW火电机组脱硝控制逻辑图

实际运行下来，该脱硝系统NOx控制难度较大。脱硝运行曲线如图2所示，该控制曲线存在明显波动，无法达到精准控制，为满足烟囱入口NOx时刻低于50 Nm3/h，通常烟囱入口NOx控制浓度设定在25 Nm3/h以下。如要控制NOx满足最新环保排放要求，甚至一点都不能超过30 Nm3/h，难度非常大，极大可能造成过量喷氨，甚至发生环保参数超标异常。

图2 某厂1 000 MW火电机组NOx排放曲线

此外，脱硝系统如果过量喷氨，将产生较大的残氨量，导致严重的预热器硫酸氢铵堵塞，严重影响机组的安全经济性。很多电厂都发生过严重的预热器堵塞，一般情况下，NOx控制得越低，预热器堵塞越严重。

2 现有脱硝方案问题分析

当前脱硝控制系统存在的主要问题如下。

2.1 脱硝CEMS参数测量滞后

NOx浓度的测量要经过烟气采样、伴热导管加热、分析柜测量一系列流程，烟气在伴热导管的流动以及分析柜内浓度的测量均需要一定时间，从而导致CEMS测量会存在一定时间的滞后，如图3所示，该测量时延会对其后脱硝系统喷氨量的控制产生影响，使得喷氨量控制过程中前馈无法及时响应，增大控制难度，脱硝出口NOx浓度的波动也会更大[1]。

图3 脱硝系统CEMS测量滞后约1 min

2.2 烟囱入口NOx滞后性长

因为烟气流程及设备布置原因，烟囱入口NOx测点距离脱硝反应器出口非常远，造成测点滞后性很长，达2 min。脱硝出口NOx测点布置在脱硝反应器出口，滞后性相对较短，约70 s，这将进一步加剧调节系统滞后、脱硝喷氨量跟踪不及时等一系列问题。

2.3 脱硝系统进口NOx变化幅度较大（100～300 Nm3/h之间波动）

近年来，火电机组调峰需要机组变负荷幅度及速度均明显加大，同时磨煤机启停频繁等原因，易造成脱硝进口NOx变化幅度较大。为有效控制脱硝出口NOx，就必须要求脱硝喷氨控制系统随之大幅度精准变化，否则将很难正常控制。

2.4 喷氨调门线性问题

由于上述逻辑前馈指令直接作用于调门开度，大多数调门开度较大时，线性都会较差，当调门开度大于50%时，喷氨流量提升就很不明显了，调门的调节线性变差，易造成实际喷氨量不足，脱硝出口参数上升较大。

2.5 烟气场多变导致脱硝出口NOx与烟囱入口NOx数值存在偏差

采用脱硝出口NOx作为反馈的控制逻辑虽能提高响应速度，但环保考核是针对烟囱入口NOx测点。锅炉负荷变化、烟气场的分布不均易造成脱硝出口NOx与烟囱入口NOx数值存在偏差，只将脱硝出口NOx作为反馈量控制时，就无法精确控制烟囱入口NOx，导致运行人员不得不长期跟踪其数值的变化并及时调整。

上述问题导致该自动控制逻辑很难精准控制NOx。举例说明：调门开度本身较大时，如果脱硝进口NOx上升，前馈作用会直接开大脱硝喷氨调门，但线性较差，喷氨流量无法正常提升，需要待反馈上升后方可再次开大（但是反馈作用因为滞后性问题，反应较慢），从而导致烟囱入口NOx过高，造成参数超标。

反之亦然，同时由于烟囱入口NOx过高，过度喷氨后可能又导致烟囱入口NOx浓度过低，造成脱硝系统残氨量较大，硫酸氢铵大幅度上升，导致预热器堵塞可能性加大。

3 脱硝自动控制逻辑改进

针对上述技术难点，对该厂1 000 MW机组脱硝自动控制回路进行了逻辑改造，该控制系统包括以下三大模块：脱硝超前模块、脱硝喷氨量预估模块、脱硝偏差模块，具体方案如下。

3.1 脱硝超前模块

脱硝CEMS参数测点滞后不可避免，针对该问题，增加脱硝超前模块，通过引入一些超前量来修正脱硝入口NOx，使其滞后性减小并更接近真实曲线。

3.1.1 脱硝侧氧量测点替换

脱硝NOx参数是经过脱硝侧氧量6%折算而来：

根据某1 000 MW机组长期变负荷工况试验，排除氧量测点漏风可能，脱硝氧量参数的变化滞后锅炉侧氧量约1 min。针对该现象，对脱硝氧量测点进行替换，将其改为锅炉侧氧量，减少脱硝入口NOx滞后性。

3.1.2 增加锅炉氧量微分补偿修正

变负荷工况中，燃料加速回路作用导致煤量、风量波动较大[2]，造成风煤比失调。燃料型NOx生成主要与燃烧区域风煤比有关，脱硝入口NOx由于测点响应滞后易造成脱硝自动调节滞后。在机组变负荷工况下，锅炉侧氧量变化能提前反映燃烧区风煤比的变化情况，因此，在脱硝入口NOx中引入锅炉氧量微分修正回路，其输出作为超前量作用在脱硝入口NOx回路中。同时考虑到测点的正常扰动，对该算法设置一定的死区，当参数稳定时，该超前量输出为0，不会对原脱硝自动逻辑产生干扰，同时该函数输出上下限可根据现场整定。

3.1.3 增加脱硝入口NOx微分补偿修正

原理同上，在变工况及启停磨期间，脱硝入口NOx变化较大时，其微分经f（x）函数输出作为超前量作用在脱硝入口NOx回路中，这样可以在锅炉工况扰动时提前改变脱硝入口NOx，进一步降低其滞后性。

3.1.4 增加启停磨信号补偿修正

根据运行人员反映的情况和历史数据调取分析，磨煤机启停对脱硝自动控制回路调节的干扰也是比较大的[3]。由于操作手法、启停磨时制粉系统运行方式不同等，很难确定修正值。目前，可根据磨煤机一次风量与煤量偏差前馈经f（x）函数输出对脱硝入口NOx做修正。

3.1.5 脱硝超前模块逻辑简介

进行上述优化后脱硝超前模块逻辑如图4所示，同时该逻辑输出量作为下文图5逻辑中SCR入口NOx数值。采用上述修正后的脱硝入口NOx参数时滞更小，更能反映脱硝参数的真实变化，使得锅炉变工况运行及启停磨期间脱硝自动响应更快，脱硝出口控制也更加平缓。

图4 脱硝超前模块逻辑

图5 优化后脱硝控制逻辑图

3.2 脱硝喷氨量预估模块

针对传统的脱硝喷氨系统滞后性大、调门线性差等问题，采用全新的脱硝控制逻辑对其进行替换。利用脱硝反应前后氮原子摩尔比不变的原则，可以根据锅炉参数预估出脱硝理论喷氨量，公式如下：

通过上述公式计算出锅炉理论喷氨量，同时将锅炉脱硝喷氨量作为主被调量，脱硝出口NOx浓度作为副被调量，组成一个闭环的串级PID控制系统，副脱硝出口PID反馈环节经f（x）输出0.7～1.3系数用于对锅炉理论喷氨量进行修正，确保脱硝喷氨量计算准确，如图5所示。由于取消原逻辑中前馈环节，脱硝喷氨调门线性问题得以避免。

3.3 脱硝偏差模块

由于上述图5逻辑最终控制的参数是脱硝出口NOx，但环保考核参数针对的是烟囱入口NOx，根据问题2.5分析当两者存在偏差时，就不能保证烟囱入口NOx控制浓度，从而运行人员必须人为干预调整，增加了烟囱入口NOx控制难度。

因此引入偏差模块控制逻辑，该逻辑作用：自动计算前一段时间内“烟囱入口NOx与脱硝出口NOx的差值”（该时间可根据现场整定）。公式如下：

该逻辑加入后运行人员只需设定烟囱入口NOx设定值，控制逻辑会自动计算出脱硝出口NOx设定值，且电脑长期实时跟踪其偏差值，并作为反馈量来调整脱硝出口NOx的设定值，这样在不影响原逻辑自动调节速度的同时也保证了烟囱入口NOx的跟踪调节，大大减轻了人员调整的工作量。该逻辑如图6所示，其输出量作为图5逻辑中SCR出口NOx设定值。

图6 偏差模块控制逻辑图

4 优化效果

在变负荷工况下，由于锅炉侧燃烧工况提前变化，锅炉氧量微分前馈与脱硝进口NOx微分前馈提前动作，脱硝进口NOx上升较快，测点滞后性减小，脱硝喷氨调门能够及时动作，脱硝喷氨量也上升较快，如图7所示。同时由于新脱硝控制逻辑的作用下，烟囱入口NOx滞后性得以减小，使得脱硝烟囱入口NOx参数波动更加平稳，如图8所示。

图7 脱硝入口NOx及各超前量动作曲线

图8 脱硝逻辑改造后NOx变化曲线

5 结论

该厂1 000 MW机组脱硝自动控制逻辑优化后，提高了机组脱硝自动控制的可靠性，改善了调节质量。将锅炉喷氨量预估模块作为主调回路后，可有效减少调节系统的滞后性并避免脱硝调门线性问题；偏差模块功能使得烟囱入口NOx能自行跟踪调整，极大程度减轻了运行人员的工作量；脱硝超前模块的引入可有效减少脱硝进口参数测量的滞后性，在变负荷工况与磨煤机启停时能超前动作，提高了调节的快速性。上述方案的实施为机组实现超低排放提供了技术支持，同时脱硝参数控制更加平缓，也避免了过量喷氨的情况，降低了喷氨成本，减少了脱硝出口的残氨量，可有效减少预热器硫酸氢铵堵塞，对预热器的安全稳定运行起到良好的作用。