摘要：本文敘述了華潤首陽山發電廠兩臺630MW 機組脫硝噴氨控制系統，該控制系統采用常規PID控制策略和模糊控制共同完成，能夠準確的測量、控制相關設備，達到脫硝控制系統的安全、穩定、經濟的運行。華潤首陽山所用的液氨，來自洛陽宏昌工貿，沒有質量問題。
關鍵詞：液氨 脫硝 常規PID控制 模糊自控制 優化
1、引言
根據我國環保政策要求，目前煙氣脫硫項目已基本覆蓋所有燃煤火電機組，但煙氣脫硝還未大規模的開展應用。有相關研究資料表明，如果還繼續不加強對煙氣中氮氧化物的控制， 氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。
隨著我國對工業環保標準逐漸嚴格，僅靠低氮燃燒已明顯不能滿足更加嚴格的排放標準。SCR煙氣脫硝技術是目前減少氮氧化物排放的有效方法，河南華潤電力首陽山有限公司利用原設計基礎上在2013年更改設計，投產脫硝裝置，由洛陽宏昌工貿供應液氨，引進丹麥SCR煙氣脫硝技術，采用SCR (Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還 原法)方法，SCR脫硝工藝中，氮氧化物在催化劑作用下被氨還原為無害的氮氣和水，不產生任何二次污染，反應通常可在溫度250~450 oC下進行，其化學反應如下：
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
SCR 法一般是將氨類等還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOX通過催化反應生成氮氣和水，不影響環境，而除氮氧化物效果明顯，能夠達到90%以上。
2、脫硝自動控制常規控制策略分析：
2.1設備概況：
華潤首陽山電廠分別在2013年5月和10月對二臺超超臨界的630MW機組進行了脫硝改造，所用的液氨，來自洛陽宏昌工貿，沒有質量問題。其SCR煙氣脫硝裝置主要由液氨卸載/儲存系統、注統、SCR反應系統、吹灰系統、干除灰系統組成。其工藝流程見圖1。
工藝流程
鍋爐分A/B二側，每側有一個供氨調門，該調門進行對噴氨量的控制，從而參與控制出口煙囪NOx含量，并且二個調門保持平衡，防止催化劑的老死或者堵塞等現象，洛陽宏昌工貿公司供應的高品質液氨含量高，不會造成噴氨孔的堵塞。
2.2設備運行原理：
SCR脫硝系統的工藝流程示意圖如下圖所示。脫硝系統的工藝裝置主要組成部分包括兩個裝有催化劑的反應器、兩個液氨存儲罐及一套氨氣注入系統。來自存儲罐的液氨靠自身的壓力進入蒸發器中，被熱水加熱蒸發成氨氣。從氨氣積壓器出來的氨氣經由稀釋風機來的空氣在氨氣/空氣混合器混合稀釋，通過注入系統被注入到煙氣中，被稀釋的氨氣和煙氣在SCR前被充分混合均勻后進入兩層催化劑，進而產生化學反應，氮氧化物就被脫除。其工藝流程見圖2。
SCR 法的基本原理流程
2.3 自動控制的測量原理：
SCR煙氣脫硝控制系統依據確定的NH3/NOx摩爾比來提供所需要的氣氨流量，進口NOx濃度和煙氣流量的乘積產生NOx流量信號，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號(前饋信號)，根據煙氣脫硝反應的化學反應式，一摩爾氨和一摩爾NOx進行反應。摩爾比對應關系的決定是在現場調試期間來決定并記錄在氣氨流量控制系統的程序上。所計算出的氣氨流量需求信號送到DCS控制器并和真實氣氨流量的信號相比較，所產生的誤差信號經比例加積分動作處理送氨氣流量控制閥進行定位
同時根據設計脫硝38.0%，依據入口NOx濃度和設計中要求的≤5.0ppm的氨逃逸率計算出修正的摩爾率(反饋信號)并輸入在氣氨流量控制系統的程序上。SCR控制系統根據計算出的氨氣流量需求信號去定位氣氨流量控制閥，實現對脫硝的自動控制。通過在不同負荷下的對氣氨流量的調整，找到的噴氨量。
2.4 常規自動控制邏輯設計
1)根據目前國內脫硝系統的運行情況，對脫硝氨氣流量控制一般采用基本控制方式l (固定摩爾比控制方式)。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx ，這種控制方式是設定值可調的單回路控制系統，控制回路簡單易于調試和整定，這是這種控制方式的優點，其缺點是會過度脫氮，增加運行成本。
2)脫硝系統的關鍵參數為噴氨量，因此采用良好的控制措施對供氨調門進行控制是脫硝自動的重點。
脫硝控制常規PID控制SAMA控制主體原則為前饋串級控制，控制的主參數為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數為氨氣流量，前饋量為根據進口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID出口用于調整摩爾比修正值，副回路PID出口用于控制調門開度。在控制中3個氨氣流量需要由計算流量公式得到，算出的氨氣流量三取中后做濾波處理。
脫硝進口煙道NOx修正值=(脫硝進口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝進口煙道含氧量檢測)。脫硝出口煙道NOx修正值=(脫硝出口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝出口煙道含氧量檢測)。設定負荷跟實際負荷的偏差對于氨氣量的修正根據實際情況得到。
由于脫硝噴氨自動系統具有較大的延遲性，目前用常規控制策略，容易導致脫硝噴氨控制系統不穩定，目前在國內不建議利用該方法進行噴氨自動控制。
3、脫硝噴氨系統模糊控制策略分析
3.1設備概況：
在國內，針對比如SCR脫硝控制系統這樣大滯后、大延時的控制，引進了針對控制對象的預測控制技術、融合改進的狀態變量控制、相位補償控制技術，代替了經典PID控制。能夠提前預測被調量未來變化趨勢，根據被調量未來變化量進行控制、提前調節，提高了脫硝系統閉環穩定性和抗擾動能力。華潤首陽山電廠脫硝大膽引入了由東南大學研究的英菲迪控制系統，通過和DCS常規系統的耦合，達到了的控制。
3.2模糊控制的特點
3.2.1實時動態特性校正和補償
采用智能前饋技術對脫硝控制系統受到擾動進行動態補償，從反應源頭消除NOx濃度劇烈波動;模糊控制系統采用競爭型神經網絡學習算法來實時校正上述動態補償算法中各項特性參數，使得整個系統始終處于在線學習狀態，控制結果不斷向目標逼近。
3.2.2 增加AGC指令頻繁變化特別節氨算法
AGC指令變化頻繁將導致脫硝出口NOx濃度反復波動，若控制系統采用常規PID控制策略，因反饋調節作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩，使控制品質明顯變差。模糊控制系統根據機組AGC指令變化，實時預測NOx濃度波動規律，調整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，減少不必要的控制調節，氨氣消耗明顯減少。
3.2.3在線評估測量儀表數據
模糊控制系統根據機組運行參數對NOx測量數據進行在線評估;系統發現測量參數失真現象后立即調整該測量參數在控制系統中的權重占比，將測量值失真給控制系統造成的影響降至，從而保證脫硝控制系統長期可靠運行。
4、常規控制和模糊控制共同在機組噴氨系統上的應用
4.1 實施方式
常規控制以目前DCS為載體，而模糊控制系統以PLC為載體，采用SCL、STL語言開發算法模塊，采用封裝技術建立比DCS系統功能更強大的組態函數庫，通過函數調用完成模糊控制系統的建立;模糊控制系統與機組DCS采用標準MODBUS通訊方式交換數據，取得機組負荷、NOx濃度、NOx設定等數據，借用常規控制邏輯的某些邏輯通道，將優化計算后控制指令傳至DCS，與原有DCS脫硝控制系統進行切換完成噴氨自動調節。
4.2 二種控制方式的數據交換
常規控制采用噴氨調門開度、煙囪入口NOx濃度、煙囪入口O2濃度、脫硝氨氣流量、脫硝入口NOx測量值、脫硝出口NOx測量值、脫硝入口O2測量值、脫硝出口O2測量值、脫硝出口氨測量值、脫硝效率、分析儀故障等信號，而模糊控制系統采集除了上述信號外，還包括了鍋爐指令、速率限制之前的功率指令、速率限制之后的功率指令、鍋爐總風量等，這些數據充分反映系統運行狀況。
模糊控制指令生成
4.3 系統投運
在DCS脫硝畫面增加模糊控制系統投退按鈕，投入模糊控制控制方式后，將A側和B側噴氨調節閥投入自動即可實現模糊控制系統對SCR出口NOx濃度自動控制;模糊控制自動投入與A、B側噴氨自動的投入不分先后。模糊控制系統投入與退出均實現無擾切換。
在火電廠中，NOX的有二組數據，一組為脫硫出口數據、一組為脫硝出口，為了更有效的控制，我們在控制中，把二組NOX數據都引入到模糊控制中，根據實際情況，進行隨時切換，達到預期目標。
模糊控制投入圖、常規PID控制投入圖
模糊控制系統投運后，若某側測量信號存在問題或噴氨調節閥存異常，則自動切換到常規自動控制，或者由運行人員接觸自動，進行手動控制;二次均是獨立自動方式，相互操作不受影響。
5、應用效果
模糊控制系統投運以來，控制品質明顯改善，機組負荷穩定、快速變負荷及啟停制粉系統狀況下，SCR出口的Nox濃度均控制在合理范圍內。
6、結束語
通過近一年的實際應用，模式控制技術先進、性能可靠、控制效果滿意;調節靈敏、系統抗干擾性能強，能適應負荷大幅變化及個別參數異常;常規PID控制對模糊控制的有利的補充，當模糊控制出現各種參數監測異常，模糊控制系統無擾切換至常規控制穩定運行;高含量的液氨用于脫硫脫硝是經濟有效的。
目前在國內采用常規PID和模糊控制共同組合的這種方式，能夠有效的提升熱控自動化水平，滿足環保部門及其對大型排污企業監控要求，取得了社會和企業雙重效益。
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