热控丨郭家湾电厂SNCR脱硝自动控制系统优化

1 引 言

神华神东电力有限责任公司郭家湾 300MW循环流化床发电厂脱硝系统，采用选择性非催化还原(SNCR)脱除 NOX技术，该技术是把稀释后的尿素溶液喷入锅炉侧炉膛上部、分离器、烟道相应区域，与烟气中的 NOX发生还原反应生成 N2和 H2O，从而达到脱硝目的。具体工艺流程为：在尿素溶液制备罐内制备出 50%浓度的尿素溶液，由尿素溶液输送泵排入尿素溶液储存罐，经尿素溶液稀释系统将尿素溶液稀释到 10%，由喷枪喷入锅炉相应区域脱除 NOX。本文主要论述锅炉区域 SNCR 的自动控制。

郭家湾电厂锅炉区域 SNCR 系统投运之初的自动控制逻辑，是预先在 DCS 中设定机组负荷与尿素溶液流量的对应关系，当机组负荷变化时根据对应关系自动输出控制指令至执行机构调整尿素溶液流量，从而实现对 NOX的自动控制。这种控制方式只在负荷变化时对尿素溶液流量进行相应地调节(即改变尿素溶液喷入量)，而锅炉燃烧产生的 NOX 不仅与负荷有关，还与风量、煤量、氧量等参数密切相关，因此这种设计不能有效地实现自动控制。由于这种自动控制的缺陷，在 SNCR 系统投运初期一直采用手动控制。为了投入 SNCR 系统自动，减少运行人员劳动强度，郭家湾电厂邀请调试专家对逻辑进行了优化，修改为单回路 PI 控制，将烟囱入口 NOX实测值与 NOX目标值的偏差，作为 PI 调节器的主输入;将“实时煤量比例值”、“氧量比例值”、“烟囱入口 1min 内 NOX 变化值的微分”，作为 PI 调节的前馈，调节器的输出直接控制尿素管道电动执行机构的开度。投入自动后，在负荷稳定且 NOX目标值设置较小的情况下自动控制能够投入，但存在尿素消耗量过大、执行机构动作频繁、升降负荷运行工况不稳或 NOX目标值设置稍高的情况下，自动控制品质较差的问题。

根据这一情况，郭家湾电厂热工专业自行对系统进行了分析与研究，重新设计了SNCR自动控制系统逻辑，应用新逻辑后，SNCR 自动控制系统能够适应各种工况且效果良好，下面对优化后的逻辑进行探讨，见图1。

(1)采用了串级 PI 调节控制，主调节器用于控制烟囱入口 NOX实测值与目标值的偏差，副调节器用于控制尿素溶液目标流量与实际尿素溶液流量的偏差。原来的单回路控制模式无法避免执行机构死区、喷枪堵塞、母管压力变化等因素对尿素流量的影响，采用串级控制后，副调节器直接对目标流量与实际流量的偏差进行控制，避免了单回路调节的缺点。

(2)采用“主调节器的输出”、“负荷与尿素溶液流量的对应值”、“风煤比与尿素溶液流量的对应值”的叠加值，作为尿素溶液基础流量目标值，即副调节器的目标值。可以在NOx实测值与目标值出现偏差时，对尿素溶液流量进行调整;还能够在负荷变化后，对尿素溶液的流量进行调整，更主要的是通过风煤比的变化提前预知氧量变化，能够提前3min对烟囱入口 NOX的变化进行预调整。这段逻辑主要的创新之处就是采用了风煤比参与控制，这是因为锅炉燃烧产生 NOX的一个主要来源是空气中的氮和氧。当风煤比偏离正常范围时烟气含氧量就会偏离最优值，即空气过剩或欠量，空气过剩时NOX就会升高，反之NOX就会降低。最初设计这段逻辑时采用烟气含氧量参与目标值的调节，但由于烟气含氧量的变化较为滞后，不能尽快对尿素溶液流量进行调整。经过观察与试验，最终采用了风煤比参与尿素溶液目标值的调节，通过这一优化取得了非常满意的效果。

(3)设计了超前预估控制逻辑，通过系统模型辨识试验，得出系统的迟延时间、惯性时间、死区、增益等参数，利用超前预估逻辑，第一时间预测出主调节器输出变化后烟囱入口NOX的测量值，将这一预测值作为主调节器NOX测量值反馈输入信号，从而实现超前调节。如果不采用预估逻辑，从尿素溶液流量变化到烟囱入口NOx的测量值开始变化需要4～5min，这样一个大滞后环节，对于无超前预估功能的PID控制是一个很大的难题，往往会造成系统振荡且测量值达到目标值的时间非常缓慢。采用超前预估控制逻辑后，只要主调节器的输出变化，逻辑就会自动预估测量值的变化幅度，从而进行超前调节。因此，不仅提高了调节的准确性减少了系统的振荡，同时也缩短了调节过程时间。

(4)为了防止 NOX 小时平均值超标，设计了 45minNOX 小时平均值识别逻辑(即动态目标值给定)，可以自动识别每小时前45min 烟囱入口NOx 的平均值。当其超过190mg/m3 时自动按比例调低NOX目标值(本地区 NOX 的环保指标是小时平均值不超 200mg/m3 )，防止烟囱入口NOX小时均值超标。这一设计将原来的运行人员输入固定目标值调节提升为了自动可变目标值调节，避免了运行人员调整不及时和系统不稳定时导致的环保超标。

(5)设计了“NOX目标值与 NOX实际值偏差的死区(即 NOx 目标值与 NOX实际值偏差在一定范围内时，自动控制系统不调节)”和“风煤比死区(即风煤比在一定范围内时，自动控制系统不调节)”，避免了执行机构的频繁动作对设备寿命和系统的影响。

(6)为了防止尿素溶液喷入过量腐蚀尾部烟道的设备，在 SNCR 系统设计了氨逃逸检测仪表。最初的逻辑中当氨逃逸超标时仅发出报警，需要运行人员手动干预调整尿素溶液流量。优化后，当氨逃逸偏高且烟囱入口 NOx 值不超 170mg/m3 时，自动按折线比例下调NOX目标值，有效地避免了氨逃逸超限对烟道、空预器、省煤器、过热器、再热器等设备的腐蚀。

(7)设计了执行机构高、低限抑制调节输出功能，即执行机构开到一定程度或关到一定程度后，就不允许调节器的输出继续增大或减小。这样可以防止执行机构关至高限或低限后，调节系统的过积分饱和。

(8)设计了执行机构的最低开度限制，防止执行机构过度关闭时由于系统无流量导致尿素沉积在管壁上，也可以防止冬季管路内的尿素溶液由于不流动而上冻的问题。

(9)设计了尿素溶液母管压力低限时调节器的闭增逻辑。当尿素溶液母管压力过低时禁止调节器开大尿素溶液流量执行机构，提高了系统的安全稳定性。

(10)设计了测点防波动逻辑，即在参与自动的测点与自动控制主逻辑之间加入惯性模块。当测点波动时通过惯性模块的抑制作用，使进入自动控制系统的测量值更加平滑，从而避免测量值小范围波动时引发自动控制系统频繁动作的问题，见图2。

2 结束语

SNCR系统具有流程长、大延迟、大惯性、扰动因素多的特点，其自动控制需要考虑的因素多种多样，是一个值得深入研究的课题。本文创新性地提出了多项有益于SNCR自动控制系统更加完善的方法，尤其是风煤比参与 SNCR 自动控制、超前预估逻辑的应用、45min超限识别等方法，使SNCR系统的自动控制品质得到了明显的提升。郭家湾电厂采用以上逻辑对 SNCR自动控制系统优化后，使自动控制系统的适用范围更宽，几乎在各种工况下均能稳定投入，使执行机构动作频率减小，减少了系统磨损，延长了设备的使用寿命，NOX小时均值既能很好地控制在环保指标以下，又能贴线运行减少尿素溶液的用量，实现了节能、环保、安全、稳定、经济运行的目标。