串级前馈方法在SNCR烟气脱硝系统上的应用

我国氮氧化物排放量2009年至2011年一直呈上升趋势,尤其2011年氮氧化物排放量已接近2000万吨,为此我国2011年新颁布的标准《GB13223-201火电厂大气污染物排放标准》规定2012年后新建火电机组将执行100mg/m3的氮氧化物排放限值,而现有机组也要在2014年7月1日前达到该排放标准,以控制氮氧化物的排放量，因此,我部积极地进行了脱硝改造,采用SNCR+臭氧的脱硝方式,并于2015年6月20日将脱硝装置投入运行,脱硝效果良好,将氮氧化物控制在100mg/m3以内，同时经过技术攻关,对氮氧化物排放量的控制实现了自动控制,控制效果良好，
1SNCR脱硝反应原理
SNCR脱硝实际上就是在锅炉炉膛温度为850℃——1100℃的区域内,把还原剂尿素或氨气的稀释溶液喷入炉膛,还原器迅速热解出NH3气体,与烟气中的NOx进行反应生成N2和H2O,该方法在炉膛内部反应(无需SCR反应加装催化剂)，其主要反应如下:
尿素还原的主要反应为
2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O
氨还原的主要反应为
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
当温度过高超过反应温度区域(1100℃以上)时,氨就又被氧化成NOx, 该反应为4NH3+5O2→4NO+6H2O
2SNCR脱硝工艺流程
SNCR的整个工艺流程分为尿素溶解存储部分，高流量部分，稀释计量部分和炉前分配部分，其流程为袋装尿素颗粒,经溶解罐与加热后的除盐水稀释(除盐水温度60℃左右),将尿素颗粒溶解稀释为50%的尿素溶液;溶解配制完毕后,将配置好的50%尿素溶液由尿素输送泵送至尿素溶液储罐,存储罐内部由低压蒸汽伴热管线,将尿素溶液储罐内的尿素溶液维持在60℃左右,存储的尿素溶液经过高流量循环模块将尿素溶液打循环,并保证前段循环母管压力不低于0.85MPa(保证尿素溶液供应量以及稀释入口压头);由高流量模块输送来的50%浓度的尿素溶液在稀释计量模块中由除盐水稀释至<10%的尿素溶液,同时将稀释模块的出口压力维持在0.7MPa(保证喷头处的压头需要)，稀释计量模块将稀释后的尿素溶液分别输送至分配模块DM1，DM2，DM3,在分配模块中,对压缩空气和尿素溶液进行精确计量分配,再输送给各支喷枪，由喷枪将雾化后的尿素溶液喷至炉膛的合适位置,进行脱硝反应，其具体工艺流程和喷枪位置如图1所示，
3控制系统简介
我厂二电站DCS为OVATION3.0.4控制系统,有14个操作站(分为OPR210——OPR220，OPR221——OPR223),控制器共26个,分为DPU1——DPU13以及DPU51——DPU63,其中DPU1与DPU51到DPU13与DPU63均为互为冗余的控制器,而DPU10/DPU60有远程I/O站(通过光纤通讯),数据库站为EWS200，工程师站为AMS170，历史站为OPH160，外部通讯站为OPC180，OPC181，脱硝部分采用3对独立控制器DPU11/DPU61，DPU12/DPU62，DPU13/DPU63,分别对应着8#，9#，10#锅炉SNCR脱硝DCS控制，
4脱硝控制方案
在整个SNCR脱硝工艺流程中,主要有4个主要的自动控制回路,分别为储罐温度控制，高流量模块尿素溶液母管压力控制，稀释计量模块稀释尿素溶液压力控制以及尾部烟道NOx含量控制，其中储罐温度控制，母管压力控制和尿素溶液压力控制均为简单的PID回路控制,这里就不再进行说明了;而尾部烟道NOx含量控制是比较复杂的控制,采用了变设定的PID控制,其PID设定值SP为根据负荷变化而给定的折线输出值(根据实际情况拟合的曲线),其负荷-尿素流量折线如图2所示,并将折线分为“折线1”，“折线2”，“折线3”3个区域(该折线为调试过程中数据采集后拟合得出),将对应折线的尿素溶液量送至PID模块的SP端,对尿素溶液调节阀进行控制,以调节控制实际尿素溶液的流量,即改变尿素溶液喷入量,以达到氮氧化物的控制效果,其控制逻辑如图3所示,可以看出该逻辑既可以在线指定锅炉负荷(即主蒸汽流量调节方式),也可以在线指定尿素溶液流量。
但该方案存在以下问题:①由于该控制回路的控制对象为尾部烟道的NOx含量,而该控制只与锅炉负荷有关,没有直接控制NOx含量,相当于开环控制,无法避免除锅炉负荷影响因素外的其他干扰因素的扰动,因此无法实现NOx含量控制;②由于我厂为焦煤掺烧的CFB锅炉,由于燃料的配比不同无法由单个负荷-尿素流量折线对应出控制NOx含量的规律;③反应区的温度场调整变化,对SNCR的反应效率也有很大的影响;④锅炉的配风和氧量变化,对SNCR的反应也有一定的影响;⑤CFB锅炉炉内投入的石灰石量,对NOx的生成也有一定的影响;⑥依据图2折线中80%的负荷为跳变点,因此锅炉在370t/h——375t/h范围内变化时(正常情况时,锅炉的负荷也在5t/h的范围内摆动),导致锅炉喷按量跳变,无法实现NOx含量的平稳过渡,影响脱硝效果，
5改进控制方案
针对上述问题,结合该热电厂的实际情况,对NOx含量自动控制方案进行了修改,在主蒸汽调整方式下,增加了NOx含量的反馈控制,将该回路设为主回路,尿素溶液量控制设为辅回路,并将主蒸汽负荷折线输出设置为尿素溶液流量的前馈,同时,为了避免NOx含量的反馈控制频繁震荡调节的问题,进行了阈值限定,这样既可对锅炉负荷的干扰进行及时调整,又可以对影响NOx含量的其它干扰进行调整,保证了控制回路对NOx含量的控制效果,其改进NOx含量控制逻辑图如图4所示，而对于80%临界负荷调整门跳变的问题,修改了前馈折线,即将图2折线修改为图5折线,修改后调整阀门在临界过渡区域平稳过渡，
在调试过程中,对控制逻辑的PID参数和修正值进行了整定,整定后NOx含量控制PID的参数为Kp=45,Ki=240,Kd=0.05,PID_OUTPUT=(-15%,15%);尿素流量控制PID参数为Kp=35,Ki=780,Kd=0;求和限制30%，
6脱硝控制效果
调试整定后,发现电动调节阀的死区较大(死区为4%左右),整定参数后,控制效果良好，氮氧化物的排放实现了自动控制,如图6，7所示,分别为8#，9#锅炉氮氧化物控制曲线,实线为NOx含量的过程值PV,虚线为NOx含量的设定值SP,由图可知NOx含量均得到了控制，图6中8:38:14锅炉负荷增加了13t/h的扰动,NOx含量最高达到90.4mg/m3后,又回到设定值附近,控制效果良好,图7为9#锅炉80%负荷稳定状态下NOx含量曲线。
7结语
针对尾部烟道NOx含量的控制,我部采用了SNCR的脱硝控制方式,修改了原变设定值SNCR的控制策略,采用改进串级加前馈的方法,算法简单,参数整定方式清晰,便于应用在DCS控制系统中,该控制方法利用负荷变化折线函数,有效地克服了负荷变化对NOx含量的扰动,同时使温度场、配风、氧量、石灰石投入量、燃料掺烧变化等干扰得到有效的控制,解决了SNCR脱硝方式下NOx含量排放的难于控制的问题;投运至今,NOx含量控制达到了预期控制指标,满足了SNCR脱硝自动控制的要求,为装置稳定，经济运行提供了保证,对同类型CFB锅炉SNCR脱硝自动控制具有一定的参考价值。当然,SNCR脱硝的控制方法也不是唯一的,可以通过细化前馈量、预估模型、自适应控制、模糊控制等相结合的复杂控制方法来达到或进一步提高SNCR脱硝的控制效果。