林建勇
福建大唐国际宁德发电有限责任公司 福建省宁德市 355006
摘要：超低排放已成为全国范围新建及改造燃煤机组的硬性指标，到2020年现役燃煤发电机组改造后大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（其中氮氧化物排放要求不高于50mg/m3），这对反应器出口氮氧化物排放控制精度和稳定性提出了更高的要求。选择性催化还原脱硝法（SCR）是目前减少氮氧化物排放的有效方法，是新建及改造燃煤机组首选方案。
关键词：燃煤机组；脱硝喷氨；超低排放
中图分类号：TM621.8文献标识码：A
SCR控制的主要手段是喷氨调节，但国内大多数电厂SCR装置存在喷氨不合理现象。NOx浓度反复波动且偏差大，导致脱硝日常运行氨消耗量大，运行成本长期偏高；局部氨逃逸浓度过大，对空预器造成损害，严重影响机组安全性和经济性。本文从控制策略和测量方式两个方面进行研究，通过方案对比，对SCR脱硝喷氨精准控制技术进行探讨。
1常规PID控制方法
目前国内SCR脱硝装置喷氨调节的控制，主要采用固定氨氮摩尔比控制方法（ConstantMoleRatioControl）和固定SCR出口NOx浓度控制方式。
1.1固定氨氮摩尔比控制方法
SCR脱硝系统根据NH3/NOx摩尔比提供需要的氨气流量，脱硝反应过程按照一摩尔氨与一摩尔NOx进行反应。计算出的氨气流量与实际测量的流量相比较，误差信号经比例加积分处理后通过DCS控制器控制氨气流量调阀开度，实现对脱硝系统的自动控制，此控制方法近似为开环控制[1]。
1.2固定SCR出口NOx浓度控制方式
SCR脱硝系统设定SCR出口NOx浓度值，与实际测量的出口NOx浓度比较后送入DCS控制器，得到喷氨量的修改正值。根据修正值动态调整固定氨氮摩尔比，控制氨气流量调阀开度，实现脱硝系统喷氨的闭环控制。
图1中，主调节器的设定值为出口NOx浓度，被调量为实际测量的出口NOx浓度，经PID运算得到喷氨量，作为副调节器的设定值，其与氨流量测量值的偏差经PID运算后生成指令调节喷氨调节阀。实际工程应用中的带前馈的串级控制系统可采用手动设置SCR出口NOx浓度设定值的控制方式。
2常规PID+预测控制的控制方法
2.1预测控制
预测控制是在工业实践过程中发展起来的基于模型的计算机控制算法，由于预测控制在处理大时滞过程系统、控制指标经常发生变化、输入输出变量均需要物理约束等问题时存在明显的优势，因而无论理论还是实践应用都得到了极大的发展，并衍生出多种具体算法，如模型预测启发控制、广义预测控制等[2]。
虽然预测控制算法种类繁多但它们有共同的方法机理，即所有的预测控制都包含了预测模型、滚动优化、反馈校正3个要素。
2.1.1预测模型
在历史输入输出数据以及未来输入信息基础上预测系统未来的输出，通常称这个模型为预测模型。预测模型可以是参数模型或非参数模型，即可以是状态方程、传递函数等传统模型，同样对于线性稳定对象，被控过程的脉冲响应、阶跃响应、微分方程、差分方程等也可以作为预测模型。
2.1.2滚动优化
预测控制中优化与通常的离散最优控制算法有较大的差别，原因在于预测控制的优化不是全局最优，而是在线滚动的，并且是一种在有限时域内的优化策略。
对于一个釆样时刻，只对从该时刻起至未来有限釆样时间内的指标进行优化，在下个釆样时刻，这一优化时段会继续推进一个采样时刻。由此可见，在预测控制中，优化是反复在线进行的，从而对各个因素产生的干扰能及时纠正弥补，改善系统的控制效果，这种滚动优化策略更加符合实际的过程控制特点[3]。
2.1.3反馈校正
预测控制本质是一个闭环控制算法。为保证测模型能够准确地描述被控对象的动态特性，在计算出一组最优的控制输入后，预测控制不会把这些控制作用一次性全部实施，而只在本时刻体现其控制作用。在下一釆样时刻，预测控制会首先确定实际输出，并利用这时的输出信息对基于模型的预测不断地反馈修正，这一功能类似于一种负反馈控制系统。因此，预测控制中的优化不仅建立在模型基础上，也充分利用了反馈信息，滚动优化也只有建立在反馈校正的基础上才能体现出它的优越性。
2.2常规PID+预测控制
2.2.1建立针对SCR出口NOx浓度的预测模型
脱硝系统入口和出口NOx的测量存在很大的滞后性，使得控制回路无法适应脱硝过程非线性、大滞后和快时变的特点。在SCR烟气脱硝系统喷氨量控制中，建立能够精准预测SCR出口NOx浓度变化趋势的预测模型，就可以在CEMS测量前得出SCR出口NOx浓度值，从而提高喷氨量的准确和有效性[4]。可采用神经网络、DMC（动态矩阵控制）、SVM（支持向量机）等方法建模。
2.2.2建立常规PID+预测控制的喷氨预测控制系统
采用常规PID+预测控制的方式预测喷氨量，并将预估出的SCR出口NOx浓度值引入原有带前馈的常规PID控制系统中，从而构成一个带NOx浓度值滚动预估模型的闭环控制系统[5]。喷氨主回路的预测控制系统是一种非常有效的大滞后控制策略，通过它可以预测NOx浓度在未来一段时间内的变化，从而提前调整氨气流量调阀开度，有效抑制NOx浓度的变化。
3方案优势
（1）整个控制方案以预测模型为基础，结合预测控制在处理大时滞过程系统的优势，滚动优化预估NOx浓度的变化，有效提高了系统的抗干扰能力。（2）方案的实施不需要改变原控制系统的构架，可直接应用于现有SCR脱硝控制系统。通过对原系统改进，仅从软件层面即可大幅提高喷氨量控制的效果，具有实用、高效的特点，易于在DCS中实现[6]。
结语
不论新建还是现有的燃煤机组，最终要满足当地大气污染物排放要求。SCR脱硝喷氨精准控制技术应用可从控制策略和测量原理两个方面进行考量。
（1）方案一仅控制策略优化，采用常规PID+预测控制的喷氨预测控制系统，从软件的层面实现SCR脱硝喷氨系统的精准控制。
（2）方案二采用常规PID+预测控制+多点分区测量的方案，从软硬件两个层面对SCR脱硝喷氨进行精准控制，并为分区精准喷氨的应用提供基础。
以上两个方案可作为新建及改造机组SCR脱硝控制系统应用方案，对目前已应用的方案可有效的改善系统的调节品质和稳定性，并可从投资和应用性价比的角度灵活选取组合方案。
参考文献
[1]陆续，吴庆龙，张向宇，白文刚，张波，高宁，徐宏杰.高温还原区喷氨脱硝机理与模拟研究[J].热力发电，2019，48(12):64-68.
[2]张晓东，王鹏飞，刘乐.基于多变量广义预测控制算法的脱硝优化研究及应用[J].中国电力，2019，52(10):178-184.
[3]张其良，马大卫，陈中元，张本耀，黄齐顺，何军，程靖，朱帅.超低排放改造后SCR脱硝出口NO_x分布和氨逃逸异常分析[J].华电技术，2019，41(09):12-17.
[4]孙金龙.330MW燃煤火电机组脱硝系统的优化研究[J].发电技术，2019，40(06):570-579.
[5]秦天牧，尤默，张瑾哲，杨婷婷.基于自适应智能前馈的SCR脱硝系统优化控制[J].中国电机工程学报，2019，39(S1):186-192.
[6]何陆灿，葛铭，陈国庆，戴维葆.火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整[J].热力发电，2019，48(11):129-134.