高一搏

（重慶大唐國際石柱發(fā)電有限責任公司，重慶 409106）

1 引言

脫硝改造作為火力發(fā)電行業(yè)新興的重點項目，在全國大部分電廠陸續(xù)開展。脫硝噴氨控制策略也是決定脫硝效果好壞的重要因素，由于設(shè)備、設(shè)計的不同，各個電廠在脫硝效果和調(diào)節(jié)特性上差異較大。

由于脫硝過程受多種干擾因素影響，常常無法準確的進行控制。為了保證機組NOX水平不超標，常常要加大噴氨量，這樣會導致氨逃逸量增加，空預器堵塞加劇，降低了機組的經(jīng)濟性[1]。準確的控制噴氨量，減少氨逃逸率，同時還要保證NOX在正常范圍上限以下不超標，是現(xiàn)有噴氨自動的控制目標。

我國大部分火電機組采用自動控制噴氨調(diào)節(jié)閥和選擇性催化還原方式（SCR）的脫硝控制系統(tǒng)。由于電站鍋爐燃燒為典型的多輸入、大慣性、非線性與強耦合特性及SCR催化反應遲滯的影響，常規(guī)PID控制的噴氨控制往往不能達到較好的控制效果。我們根據(jù)NOX生產(chǎn)機理，通過將脫硝系統(tǒng)入口NOX質(zhì)量濃度與機組總煤量、一次風量、二次風量、氧量、主蒸汽流量進行大數(shù)據(jù)標本采集[2]，進行線性回歸分析，建立分段函數(shù)，構(gòu)建機組SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOX質(zhì)量濃度的非線性模型，達到準確脫硝系統(tǒng)入口NOX質(zhì)量濃度的目的[3]，將其引入噴氨自動控制前饋，可以起到超前控制、同時提供調(diào)整燃燒策略、降低氨逃逸率、改善空預器堵塞的作用。

2 通過線性回歸建立NOX預測模型

目前，我國300MW 級及以上火電機組主要通過采用爐后選擇催化還原和低氮燃燒器的方式降低爐內(nèi)氮氧化物生成量，從而達到超凈排放的目的。我國采用的動力煤中，氮質(zhì)量分數(shù)基本在0．60%～0．85%之間，為了維持燃燒穩(wěn)定，動力煤在進入爐膛燃燒前經(jīng)常需要經(jīng)過配煤摻燒，來保證適當?shù)陌l(fā)熱量、揮發(fā)分和固定碳參數(shù)，而通過數(shù)據(jù)分析可以明顯的看出，機組風煤等影響燃燒的運行參數(shù)與爐內(nèi)生成的氮氧化物濃度存在相關(guān)性，因此可以利用機組風煤等影響燃燒的運行參數(shù)建立爐膛氮氧化物濃度的預測模型。 為提高噴氨控制的精確性，目前考慮通過數(shù)學建模預估算法形成前饋的方式進行控制。

2.1 相關(guān)性檢驗

由于鍋爐燃燒狀況復雜，影響燃燒的因素有很多，因此NOX模型具有較強的非線性，以單一變量做研究會對實驗結(jié)果形成較大偏差。為保證試驗的準確性，我們首先將總煤量、一次風量、二次風量、氧量、主蒸汽流量和一次風壓作為自變量，脫硝入口NOX值作為因變量進行研究。這里采用多元函數(shù)線性分析的方法進行曲線擬合，最常用到的多元線性回歸方法為最小二乘法，為簡化手工計算的繁瑣性，我們用SPSS軟件進行大數(shù)據(jù)分析，來提高我們的運算速度，確定我們模型擬合的合理性。比如調(diào)取我廠1號機組1月15日至2月9日進行t檢驗，結(jié)果如表1所示。

表1 t檢驗系數(shù)結(jié)果

可以看出氧量作為影響NOX的元素，對脫硝入口NOX值影響較大。其次為總煤量、一次風壓、給水、總風量。采用非標準化系數(shù)比標準化系數(shù)得到的結(jié)果較為準確?？梢钥闯鲅趿孔鳛橹髯兞颗c脫硝入口NOX存在較強的線性相關(guān)，同時進行相關(guān)性檢驗，相關(guān)性檢驗結(jié)果如表1所示。

驗證NOX與鍋爐各參數(shù)相關(guān)性，調(diào)取3600個歷史數(shù)據(jù)，進行Pearson 相關(guān)系數(shù)計算及顯著性雙側(cè)檢驗，Pearson 相關(guān)系數(shù)絕對值越接近于1標示變量間越存在相關(guān)性，顯著性越接近于零，表明總體和樣本越相似。結(jié)果顯示，總煤量、總風量、氧量、給水流量、一次風壓和NOX存在顯著相關(guān)的。因此再次證明以氧量等相關(guān)參數(shù)作為主要變量進行建模是存在實際可行性的。

2.2 曲線估計

選取因變量和自變量，進行曲線估計。發(fā)現(xiàn)氧量和脫硝入口NOX值間存在明顯線性相關(guān)（見圖1）。

圖1 氧量-脫硝入口NOX描點圖

2.3 線性回歸分析

在進行數(shù)據(jù)分析的過程中，我們發(fā)現(xiàn)選取不同負荷數(shù)據(jù)一起做研究時，干擾項太多，導致得出的線性回歸函數(shù)沒有代表性。為進一步提升模型預測的準確度，我們采用分段負荷分析法進行研究。在常用負荷段選取樣本數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)預測的準確性，我們選取負荷較為平穩(wěn)，同時氧量具有特征代表性的負荷段進行SPSS 數(shù)據(jù)分析[4]。這里我們選取了200MW、250MW、270MW、300MW、350MW 等5 段負荷段進行采樣，我們以300MW負荷A側(cè)脫硝為例：

選取的較為代表性的負荷段，調(diào)取對應數(shù)據(jù)，用SPSS軟件進行演算。在主元分析的基礎(chǔ)上，通過線性回歸分析，構(gòu)建脫硝入口NOX濃度預測模型。為提高模型準確性，我們對負荷分段進行數(shù)據(jù)分析。得到模型數(shù)據(jù)公式：

式中NOX（A）為A 側(cè)脫硝入口NOX預測值，F(xiàn)、O、Q、M分別代表風量、氧量、主汽流量、煤量，以此方法為基礎(chǔ)分別在180MW、200MW、220MW、250MW、270MW、300MW、320MW、350MW上進行數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)學模型。

最終建立折線函數(shù)模型，系數(shù)矩陣如表2所示。

表2 系數(shù)矩陣

根據(jù)得到的系數(shù)矩陣，在DCS 系統(tǒng)上建立相應的折線函數(shù)，同時增加限幅限速模塊，避免個別數(shù)值偏差大影響整體函數(shù)的準確性。

2.4 建立仿真模型

利用得到的公式組態(tài)建立與負荷相關(guān)的分段函數(shù)仿真模型，因模型采用風量、氧量、主汽流量、煤量作為自變量表征，因此能提前反映NOX變化狀態(tài)。利用該模型結(jié)合噴氨控制策略，可以提前預知脫硝系統(tǒng)噴氨量，減小噴氨量的同時，達到精確控制的目的。

由圖2可以看出經(jīng)過數(shù)學仿真計算后的擬合曲線，動作要優(yōu)先于NOX實際測量曲線，根據(jù)計算，超前響應時間大概在40秒左右，一定程度上可以提前控制，減少噴氨量的消耗。

圖2 仿真曲線效果對比圖

3 采用以預測模型為基礎(chǔ)的前饋控制策略

SCR反應器控制最為重要和核心的部分是噴氨自動控制。而催化還原反應的復雜性和滯后性，對噴氨自動控制造成極大困難，同時受氨逃逸測量值不準和CEMS表計測量滯后等多種因素影響，鍋爐脫硝出口NOX常常無法正確反映測量值變化趨勢，使自動控制性能受限。為克服這種影響的干擾，我們采用以預測模型為基礎(chǔ)的前饋控制策略，將預測模型作為前饋修正數(shù)值疊加至常規(guī)控制策略中，一定程度上降低NOX測量值滯后的影響。

4 結(jié)束語

通過NOX濃度預測模型的仿真，可以達到超前控制、降低氨逃逸率、提高噴氨效率的目的。據(jù)統(tǒng)計，2018年改造前日均噴氨量2．828t，2019年改造后日均噴氨量2．593t。同時減少氨氣對下游除塵、空預器等設(shè)備的損壞[5]，防止除塵效率降低、空預器堵塞等現(xiàn)象。目前空預器冬季已能長周期運行，間接降低送、引風機電耗0．15%（折算煤耗增加0．48g/KWh），排煙溫度和入口風溫下降對煤耗影響持平。

利用預測控制技術(shù)，克服噴氨化學反應和控制存在較大的滯后和慣性現(xiàn)象[6]，提高了噴氨自動的穩(wěn)定性和準確性。提升環(huán)保指標，減少了運行及熱控人員的操作難度。