（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

基于先進控制的燃煤機組超低排放指標優(yōu)化控制技術(shù)

孫成富，胡煒，胡翔，顧奇凱，沈恒芳

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

提出了一種適合實際應(yīng)用的燃煤機組超低排放指標優(yōu)化控制方法，在燃煤機組超低排放指標優(yōu)化工作中引入先進控制技術(shù)，根據(jù)燃煤機組超低排放特征，通過多目標非線性模型預(yù)測控制技術(shù)，實現(xiàn)脫硫率和出口SO2濃度的全程閉環(huán)控制，提高環(huán)保排放指標的控制品質(zhì)；采用變參數(shù)非線性模型預(yù)測控制技術(shù)，實現(xiàn)脫硝率和出口NOX濃度的多目標控制，提高全過程的控制品質(zhì)，減少噴氨量的波動；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性建模等分析技術(shù)，對排放指標有效性監(jiān)視評估，保證CEMS數(shù)據(jù)有效性。

超低排放；先進控制；脫硝優(yōu)化；脫硫優(yōu)化

0 引言

隨著國內(nèi)首套煙氣超低排放裝置投入運行，其主要污染物排放量可與天然氣燃氣輪機組相媲美，達到了國際先進水平，為東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)發(fā)展煤電產(chǎn)業(yè)開辟了新的途徑[1]。超低排放的工藝路線如圖1所示。

超低排放裝置投入運行后，雖然其排放指標已經(jīng)達到設(shè)計要求，但是隨著煤質(zhì)、負荷工況的變化，對排放指標的全過程穩(wěn)定控制是個很大的挑戰(zhàn)。超低排放如何長期可靠的運行，仍是一個急待解決的問題。

1 存在問題

機組超低排放裝置運行后存在的問題主要體現(xiàn)在脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)上。

超低排放的脫硫系統(tǒng)仍然是采用濕式石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)。雖然FGD（煙氣脫硫系統(tǒng)）經(jīng)超低排放改造投入運行后，其排放指標已經(jīng)達到設(shè)計要求，但是其運行控制仍然采用以pH值為目標的單目標PID控制策略，功能較為簡單，而且脫硫的過程并沒有閉環(huán)自動控制出口SO2濃度，不能及時有效地控制出口污染物濃度，在超低排放的高要求下，在負荷工況、煤質(zhì)變化的情況下，保證脫硫裝置出口SO2濃度控制的準確度是一個很大的挑戰(zhàn)。

圖1 超低排放工藝路線

超低排放的脫硝系統(tǒng)采用SCR（選擇性催化還原法）脫除氮氧化物。脫硝裝置降低了機組煙氣的NOX排放濃度，但如果噴氨量控制不佳，對下游設(shè)備的健康、安全也造成了一定的影響[2]。過量的噴氨并不能進一步降低NOX排放濃度，相反會導(dǎo)致過量的氨逃逸出反應(yīng)區(qū)，造成下游設(shè)備的腐蝕、堵塞，使得維護費用和工作量顯著增加。最為明顯的現(xiàn)象就是造成空預(yù)器積灰堵塞，空預(yù)器進出口差壓增大，送引風機電流增大，可能造成風機失速等，嚴重影響機組的安全經(jīng)濟運行[3]。尤其是在超低排放要求下，噴氨的流量大幅提高，這就需要更好的控制策略來減少噴氨量的波動，減少過量噴氨，降低對下游設(shè)備的影響。

2 智能優(yōu)化控制系統(tǒng)

本項目主要研究對象，是燃煤機組超低排放改造后的脫硫裝置和脫硝裝置的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，包含脫硫和脫硝2個模塊。

脫硫裝置智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過智能模型預(yù)測控制技術(shù)，考慮到進口SO2濃度的變化，以及鍋爐運行參數(shù)，通過多變量最優(yōu)控制方法實時優(yōu)化石灰石供漿流量、吸收塔漿液pH值、循環(huán)泵電流等關(guān)聯(lián)參數(shù)，提高FGD裝置的控制品質(zhì)，以實現(xiàn)脫硫率、pH值和出口SO2濃度的多目標閉環(huán)控制。

脫硝裝置智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過智能模型預(yù)測控制技術(shù)，考慮進口NOX濃度的變化，以及鍋爐運行參數(shù)、總風量等，優(yōu)化噴氨量，提高SCR裝置的控制品質(zhì)，避免噴氨過量、過快，減少氨逃逸量。

控制策略將脫硫裝置和脫硝裝置作為2個獨立的控制對象，對其進行控制策略設(shè)計，同時應(yīng)用軟儀表技術(shù)對分析儀表進行有效性分析。

2.1 脫硫模塊

脫硫控制原有的控制策略為：采用運行人員手動設(shè)置pH值的方式來間接控制出口SO2濃度。其控制策略是通過測量原煙氣體積流量和原煙氣SO2的濃度，計算出原煙氣中SO2的質(zhì)量流量，利用質(zhì)量流量來計算石灰石漿液流量的理論值，另外通過運行人員設(shè)定吸收塔漿液pH設(shè)定值，該設(shè)定值與吸收塔漿液pH測量值比較后，通過PID控制器得出石灰石供漿流量修正值，用于修正石灰石漿液流量的理論值[4]。修正后的石灰石漿液流量作為PID控制器的輸入值，控制石灰石漿液供漿調(diào)節(jié)閥的開度，原控制策略見圖2。

圖2 原脫硫控制策略原理

超低排放指標優(yōu)化控制系統(tǒng)iFGD模塊見圖3。通過GPC控制策略解決pH值控制過程大滯后、慢過程的問題，然后通過多變量模型預(yù)測控制技術(shù)，實現(xiàn)了脫硫率、pH值和出口SO2濃度同時閉環(huán)控制問題，提高脫硫自動控制品質(zhì)，避免脫硫反應(yīng)進入盲區(qū)，為FGD裝置的長久經(jīng)濟運行提供可靠的保障。

圖3 iFGD智能優(yōu)化控制邏輯

對脫硫FGD過程進行實時動態(tài)建模，建立多變量動態(tài)關(guān)聯(lián)模型。通過動態(tài)模型進行實時優(yōu)化控制，保證脫硫控制品質(zhì)。閉環(huán)控制出口SO2濃度、pH值和脫硫率，模型架構(gòu)見圖4。

圖4 脫硫裝置優(yōu)化控制器關(guān)聯(lián)模型

2.2 脫硝模塊

原有SCR脫硝控制系統(tǒng)控制策略（見圖5）是以物料平衡計算為前提和依據(jù)，實現(xiàn)對脫硝效率或脫硝裝置出口NOX的控制，其反應(yīng)的噴氨量是由NOX消耗量來確定的。

圖5 原脫硝控制策略原理

實際應(yīng)用中，通過CEMS（在線煙氣監(jiān)測分析系統(tǒng)）將NO和NO2統(tǒng)一換算成NOX進行計算。

需氨量=（A-E）×B×17/46/106×F，

式中：A=C（NOX）為折算后SCR入口NOX質(zhì)量濃度；B=F（x）×Q為根據(jù)煤量及煤種成分換算得到的煙氣流量；E=A×（1-D）為脫硝效率定值下根據(jù)當前脫硝裝置入口NOX計算而得的SCR裝置出口NOX，D=SP為脫硝效率設(shè)定值；F為根據(jù)SCR裝置出口NOX目標值與實際測量值計算得到的修正系數(shù)，取0.8～1.2[5]。

控制器根據(jù)理論需氨量計算值與實際需氨量PV的偏差，控制供氨調(diào)節(jié)閥開度，使之相對應(yīng)，滿足脫硝控制的要求[6]。

超低排放指標優(yōu)化控制系統(tǒng)iSCR模塊，采用對CEMS的測量信號通過關(guān)聯(lián)模型和分析評估來確定數(shù)據(jù)有效性后，在合理的應(yīng)用多變量動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)優(yōu)化控制策略，有效地解決了閉環(huán)控制的可靠性問題，提高脫硝控制品質(zhì)。

通過對脫硝過程進行實時動態(tài)建模，建立多變量動態(tài)關(guān)聯(lián)模型。利用動態(tài)模型進行優(yōu)化控制，提供脫硝率、氨逃逸率、出口NOX濃度多目標優(yōu)化控制，保證脫硫控制品質(zhì)，并減少噴氨量波動，其模型架構(gòu)見圖6。

圖6 脫硝裝置優(yōu)化控制器模型架構(gòu)

2.3 軟儀表技術(shù)

系統(tǒng)還采用iCEMS軟儀表技術(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于關(guān)鍵成分分析PCA等分析技術(shù)，保證環(huán)保CEMS分析儀表實時有效性，包括監(jiān)視儀表標定、反吹等異常情況，以預(yù)估數(shù)據(jù)完成全時段的污染物測量，通過實時有效數(shù)據(jù)進行FGD/SCR全程優(yōu)化控制，保障脫硝、脫硫設(shè)備的正常運行。

3 實施效果

3.1 控制效果

超低排放指標優(yōu)化控制系統(tǒng)脫硫部分投運后，實現(xiàn)了針對出口SO2濃度的閉環(huán)控制，運行人員只需設(shè)置出口SO2濃度的設(shè)定值和pH值的調(diào)節(jié)范圍。有效減少勞動強度，同時提高出口SO2濃度控制品質(zhì)。iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后出口SO2濃度對比效果見圖7。

圖7 iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后出口SO2濃度對比

由圖7可見，投入脫硫優(yōu)化控制器以后，出口SO2濃度始終保持在出口SO2濃度設(shè)定值附近，而且投入脫硫優(yōu)化控制器以后可以減少排放超標的發(fā)生。原控制策略（圖7左側(cè)區(qū)域），因為針對吸收塔大滯后慢動態(tài)過程，人工調(diào)節(jié)pH值很難做到實時預(yù)估，瞬時值有超標的情況發(fā)生，而優(yōu)化后的控制策略大大減少了排放超標的發(fā)生次數(shù)。

同時漿液pH值的控制品質(zhì)有了大幅提升，實際pH值與設(shè)定pH值偏差明顯減小，見圖8。

隨著控制品質(zhì)提高，運行人員可以進一步提高SO2濃度設(shè)定值，減少石灰石漿液的使用，進而減少脫硫系統(tǒng)運行成本，改善石膏品質(zhì)。

超低排放指標優(yōu)化控制系統(tǒng)脫硝部分投運后，出口NOX濃度波動明顯減少，控制品質(zhì)大幅提高，同時噴氨量的波動也明顯減少，同時通過燃燒調(diào)整，對減負荷變工況情況下的出口NOX濃度超標情況也有明顯改善，見圖9。

由圖9可見，脫硝優(yōu)化控制器投入后，出口NOX濃度波動明顯減少，而且在減負荷工況下，出口NOX濃度的瞬時超標量和次數(shù)均有減少。

圖10為脫硝優(yōu)化控制器投入前后，SCR系統(tǒng)的噴氨量波動減少效果對比。

圖8 iFGD優(yōu)化系統(tǒng)投入前后pH值控制品質(zhì)對比

圖9 出口NOX濃度調(diào)整前后對比

出口NOX濃度設(shè)定值跟蹤情況見圖11。左邊為原出口NOX濃度跟蹤情況，右邊為優(yōu)化后設(shè)定值跟蹤情況，可以看到控制品質(zhì)提高明顯，從而可以進一步提高設(shè)定值，降低噴氨量，并有效防止超標現(xiàn)象的發(fā)生。

優(yōu)化后出口NOX濃度的控制品質(zhì)提高明顯，出口NOX濃度的標準方差減少了15%以上，噴氨量波動也減少了40%，大幅度變工況情況下的波動也有所減少，優(yōu)化前后出口NOX濃度的控制品質(zhì)對比見圖12。

3.2 效益分析

應(yīng)用多目標非線性模型預(yù)測控制技術(shù)能有效減少環(huán)保排放超標次數(shù)和超標時間，增加環(huán)保電價的收入[7]，為企業(yè)運營和環(huán)保事業(yè)帶來好處。

實現(xiàn)脫硫出口SO2濃度的全程閉環(huán)控制，不僅提高了環(huán)保排放指標的控制品質(zhì)，而且減輕了脫硫運行人員的操作工作量[8]。

機組出口SO2濃度的標準方差減少15%～35%，出口NOX濃度的標準方差減少10%～35%，脫硝裝置的噴氨量波動減少30%～50%。在此基礎(chǔ)上可通過適當提高設(shè)定值以進一步減少噴氨的使用量，有效減少氨逃逸，改善空預(yù)器堵灰和腐蝕情況，為空預(yù)器等下游設(shè)備的長期安全運行提供保障。

圖10 噴氨量調(diào)整前后對比

圖11 出口NOX濃度設(shè)定值跟蹤情況

圖12 出口NOX濃度控制品質(zhì)對比

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，其控制策略及技術(shù)也在不斷發(fā)展。許多先進的控制技術(shù)正在逐步應(yīng)用于工程實施中。智能優(yōu)化控制系統(tǒng)采用了包括GPC廣義預(yù)測控制、模型預(yù)測控制、協(xié)調(diào)多目標優(yōu)化算法等來執(zhí)行高級過程控制，可以安裝在和實時過程數(shù)據(jù)庫通信的工作站里執(zhí)行計算控制，并將計算的優(yōu)化結(jié)果送給DCS系統(tǒng)，最終達到優(yōu)化機組控制目的。

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（本文編輯：徐晗）

Optimized Control Technology of Ultra-low Emission Index of Coal-fired Unit Based on Advanced Control

SUN Chengfu，HU Wei，HU Xiang，GU Qikai，SHEN Hengfang
（Zhejiang Energy Jiahua Power Generation Co.，Ltd.，Jiaxing Zhejiang 314201，China）

This paper presents a practicable optimized control method of ultra-low emission index of coal-fired unit，in which an advanced control technique is introduced.According to the ultra-low emission characteristics of coal-fired units，the multi-objective nonlinear model predictive control technology is adopted to implement full-term closed loop control of desulphurization percent and SO2concentration，and improve the control quality of environmental-friendly emission；Multi-objective control of desulphurization percent and outlet NOXconcentration is achieved by variable parameter nonlinear model predictive control technology，which improves the control quality in the whole process and reduces the fluctuation of ammonia spray.Based on analysis techniques such as neural network and nonlinear modeling，validity monitoring and evaluation of emission index is established to ensure the validity of CEMS data.

ultra-low emission；advanced control；denitrification optimization；desulfurization optimization

10.19585/j.zjdl.201707009

1007-1881（2017）07-0037-06

TK323

B

2017-03-31

孫成富（1990），男，助理工程師，從事發(fā)電廠自動控制工作。