燃煤機(jī)組脫硝智能控制技術(shù)探究

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摘要：針對燃煤機(jī)組現(xiàn)有脫硝控制中存在的測量失真、控制滯后等問題展開研究，并形成系統(tǒng)的解決方案。首先利用智能尋優(yōu)技術(shù)綜合考量脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與安全性，設(shè)計(jì)具有自尋優(yōu)功能的控制目標(biāo)值；然后采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對鍋爐燃燒相關(guān)控制因素分析處理，提取影響氮氧化物生成的主導(dǎo)因素，并利用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)造氮氧化物生成預(yù)測模型，根據(jù)煙氣流動(dòng)通道各脫硝測點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)特性，實(shí)現(xiàn)對脫硝出口氮氧化物實(shí)際濃度的軟測量；最后結(jié)合自適應(yīng)、模糊等先進(jìn)算法設(shè)計(jì)形成脫硝先進(jìn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對燃煤機(jī)組脫硝控制水平的綜合提升。

關(guān)鍵詞：脫硝；氮氧化物；長短期記憶網(wǎng)絡(luò)；軟測量

隨著環(huán)境保護(hù)的要求提高，燃煤電廠采用各種手段以抑制氮氧化物的排放，而選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction，SCR）煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用最為成熟和廣泛。通過將制備的氨氣通入布置在煙道的SCR反應(yīng)器中，在一定溫度和催化劑條件下與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)達(dá)到脫硝的效果。國內(nèi)大型燃煤機(jī)組SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)由于控制邏輯設(shè)計(jì)不完善、現(xiàn)場測量易失真、流場分布不均等問題，造成控制品質(zhì)不佳、自動(dòng)控制難以投入，往往伴隨著氨氣的過噴現(xiàn)象，不僅造成資源的浪費(fèi)，過高的氨逃逸率帶來硫酸氫銨的生成，會(huì)對催化床層和空氣預(yù)熱器造成危害，還給機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來很大影響［1］。本文對燃煤機(jī)組現(xiàn)有脫硝控制中存在的控制滯后、測量失真等一系列問題展開針對性研究，并形成系統(tǒng)的解決方案。

1脫硝控制存在的難點(diǎn)

1．1脫硝反應(yīng)過程呈現(xiàn)大滯后特性脫硝過程涉及多種化學(xué)反應(yīng)，其中氨氣與煙氣中的氮氧化物需要在SCR反應(yīng)器中的催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)，因此整個(gè)脫硝過程可分為氨氣在催化劑表面的吸附過程、解吸附過程、氣相氮氧化物的還原過程、被吸收的氨氧化過程。由于反應(yīng)過程的復(fù)雜，造成氮氧化物實(shí)際變化經(jīng)歷漫長的過程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)的分析，整個(gè)反應(yīng)過程長達(dá)3min。

1．2氮氧化物濃度受鍋爐燃燒影響大、波動(dòng)大

燃煤機(jī)組排放的煙氣中存在大量的氮氧化物。由于鍋爐燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過程，造成氮氧化物的生成具有多重原因：燃燒過程助燃的空氣在高溫下生成熱力型氮氧化物；空氣中的氮元素與燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)生成快速型氮氧化物；燃料中含有的氮化合物經(jīng)過熱分解又氧化生成燃料型氮氧化物［2］。另一方面，隨著燃煤機(jī)組應(yīng)對調(diào)峰、調(diào)頻的需要，負(fù)荷頻繁大幅變動(dòng)，同時(shí)燃燒煤種多變，進(jìn)一步增加了氮氧化物濃度變化的不確定性。

1．3氮氧化物測量儀表測量滯后、測量易失真

目前SCR反應(yīng)器前后布置的氮氧化物儀表長期工作在高溫、高塵環(huán)境中，一段時(shí)間后常常出現(xiàn)失真、甚至倒掛現(xiàn)象。由于煙氣分析儀表多采用抽取反應(yīng)式，一般測量管路長達(dá)50～70m，造成測量的滯后，經(jīng)過測試滯后時(shí)間達(dá)3～5min。

1．4氮氧化物排放要求與噴氨經(jīng)濟(jì)性的矛盾

通過對脫硝反應(yīng)中氨氮摩爾比與脫硝效率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，在一定范圍內(nèi)，隨著氨氣量的增加，脫硝效率有明顯提升，但是當(dāng)氨氣量達(dá)到一個(gè)漸進(jìn)值后，進(jìn)一步提高脫硝效率所需的氨氣量將呈指數(shù)上升，進(jìn)而氨逃逸量也將成指數(shù)上升，因此需要權(quán)衡脫硝效率和噴氨經(jīng)濟(jì)性二者間的關(guān)系。

2脫硝設(shè)定值自尋優(yōu)技術(shù)

上述分析了脫硝效率和噴氨經(jīng)濟(jì)性的矛盾，更重要的是氨逃逸量的增加不僅會(huì)造成催化劑中毒和污染環(huán)境，而且會(huì)與煙氣中的SO3反應(yīng)生成黏性很高的硫酸氫銨沉積在下游煙道中，造成空氣預(yù)熱器堵塞等問題，使得風(fēng)機(jī)設(shè)備出力增大，而且危及設(shè)備運(yùn)行安全［3］。目前現(xiàn)有的脫硝系統(tǒng)控制思路大都只考慮NOx濃度控制精度問題，在實(shí)現(xiàn)NOx濃度的精確控制后，通過人為操作提高控制設(shè)定值，從而間接減少噴氨量和氨逃逸量。在實(shí)際運(yùn)行中，遇到極端工況，當(dāng)NOx濃度有較大變化時(shí)，僅依靠自動(dòng)控制策略往往仍有滯后。這時(shí)通常需要運(yùn)行人員對設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)（尤其是預(yù)防NOx超標(biāo)時(shí)）。這在一定程度上，削弱了系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平。為了優(yōu)化解決該問題，本文采用智能尋優(yōu)技術(shù)提出了一種脫硝系統(tǒng)氮氧化物控制方法，實(shí)現(xiàn)了排放達(dá)標(biāo)前提下的最優(yōu)噴氨，避免了過量噴氨引起的設(shè)備隱患，提高了經(jīng)濟(jì)性和安全性。脫硝設(shè)定值自尋優(yōu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，通過智能尋優(yōu)方法實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化。其中，控制模塊是氮氧化物控制的主體部分。應(yīng)急模塊用于當(dāng)監(jiān)測到出口NOx濃度由于異常工況引起大幅變化時(shí)，快速改變設(shè)定值進(jìn)行干預(yù)調(diào)整，補(bǔ)償控制模塊控制量輸出，并在趨于穩(wěn)定后，逐漸恢復(fù)至原設(shè)定值狀態(tài)。節(jié)能模塊根據(jù)出口NOx濃度控制品質(zhì)，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)定值。當(dāng)控制品質(zhì)好時(shí)，增大設(shè)定值，以減少控制過程整體噴氨量；當(dāng)控制品質(zhì)差時(shí)，減小設(shè)定值，保證NOx濃度控制時(shí)波動(dòng)不超過允許上限。通過節(jié)能模塊和應(yīng)急模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測控制品質(zhì)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整脫硝系統(tǒng)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對脫硝控制系統(tǒng)控制目標(biāo)智能尋優(yōu)。對上文中提到的兩種實(shí)際中常發(fā)生的情況，起到了優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能降耗的作用，同時(shí)也補(bǔ)充了現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)的控制手段。

3基于LSTM氮氧化物預(yù)測技術(shù)

氮氧化物的生成與鍋爐燃燒有關(guān)，而鍋爐的燃燒過程又是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，涉及到相關(guān)眾多變量參數(shù)之間相互交叉影響，而且各變量的影響程度和時(shí)間先后各有不同。這樣給現(xiàn)場對煙氣中氮氧化物的預(yù)測研究帶來了相當(dāng)大的困難。因此，迫切需要更好和更有效地利用過程動(dòng)態(tài)信息和統(tǒng)計(jì)信息預(yù)測氮氧化物生成的方法［4］。長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（longandshorttermmemorynetwork，LSTM）是一種特殊的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過選擇性的對變量信息的記憶和過濾實(shí)現(xiàn)對各變量長短時(shí)間間隔信息有效學(xué)習(xí)處理，能夠?qū)W習(xí)長期依賴關(guān)系。LSTM的典型結(jié)構(gòu)包括遺忘門、輸入門、輸出門，以此來計(jì)算某一個(gè)時(shí)刻的整個(gè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)（細(xì)胞狀態(tài)）及系統(tǒng)輸出。遺忘門根據(jù)上一時(shí)刻的輸出及當(dāng)前時(shí)刻的輸入以判斷對上一時(shí)刻細(xì)胞狀態(tài)的信息的保留和遺忘；輸入門決定讓多少新的信息加入到細(xì)胞狀態(tài)中來；輸出門通過綜合更新的細(xì)胞狀態(tài)和系統(tǒng)輸入計(jì)算得出當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)輸出。通過對大范圍變負(fù)荷工況下，分析各參數(shù)變量與入口NOx濃度變化數(shù)據(jù)，確定LSTM預(yù)測模型的主要輸入變量為鍋爐主控輸出、總風(fēng)量主控輸出、燃料主控輸出、一次風(fēng)壓主控輸出。本文采用基于鍋爐控制因素作為氮氧化物預(yù)測的輔助變量，能夠更快地反映出機(jī)組在變負(fù)荷及工況變化時(shí)對鍋爐燃燒的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對燃燒生成的氮氧化物的預(yù)測。同時(shí)選用控制變量作為輔助變量，還克服了過程儀表測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的失真等問題，精簡了對數(shù)據(jù)進(jìn)行繁瑣的處理過程。通過某廠實(shí)際歷史數(shù)據(jù)計(jì)算，運(yùn)用該方法具有很好的預(yù)測效果，結(jié)果見圖2。通過準(zhǔn)確地對煙氣氮氧化物的預(yù)測，能夠幫助解決脫硝系統(tǒng)大滯后對象控制問題，實(shí)現(xiàn)控制過程的快速性與穩(wěn)定性。

4氮氧化物軟測量方法

氮氧化物分析儀由于工作環(huán)境惡劣，取樣探頭極易受到污損，因此均設(shè)計(jì)有定期吹掃、標(biāo)定的功能。當(dāng)?shù)趸飪x表進(jìn)行定期吹掃、標(biāo)定時(shí)，其測量值會(huì)出現(xiàn)劇烈突變，為了消除控制影響，往往輸出值保持不變，即進(jìn)入“測量盲區(qū)”，此時(shí)無法測量氮氧化物實(shí)際濃度。另外，實(shí)際調(diào)研中某些電廠脫硝出口兩側(cè)NOx濃度延寬度和深度方向有較大變化，NOx濃度場分布極其不均勻。脫硝兩側(cè)出口煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（continuousemissionmonitoringsystem，CEMS）顯示值與參比值平均值差距也較大，CEMS測點(diǎn)不具有代表性，不能反應(yīng)煙道的真實(shí)情況［5］。為了解決以上問題，采用一種基于物理機(jī)理脫硝系統(tǒng)氮氧化物軟測量方法，其原理見圖3。在脫硝反應(yīng)中氨氣以一定的氨氮摩爾比參與反應(yīng)，反應(yīng)后煙氣下游多余的氨被稱為氨逃逸，因此氨逃逸的量能夠間接反映氮氧化物濃度的準(zhǔn)確性。將本側(cè)氨逃逸測點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為輔助測量變量實(shí)現(xiàn)對脫硝出口氮氧化物實(shí)際濃度的估計(jì)。對于脫硝測點(diǎn)定期吹掃時(shí)，儀表進(jìn)入“盲區(qū)”，無法測量氮氧化物的含量的問題，考慮到A、B側(cè)脫硝系統(tǒng)所處理煙氣均取自鍋爐尾部煙道，在定期吹掃時(shí)間內(nèi)，由于煙氣成分的變化造成的氮氧化物濃度變化的趨勢和程度相當(dāng)，因此在吹掃時(shí)，利用另一側(cè)脫硝出口測點(diǎn)數(shù)據(jù)輔助對本側(cè)氮氧化物實(shí)際濃度進(jìn)行估計(jì)。實(shí)際運(yùn)用中，通過各輔助變量的權(quán)重系數(shù)，來調(diào)整不同測點(diǎn)數(shù)據(jù)對脫硝出口氮氧化物實(shí)際濃度的影響。該方法通過軟件手段，解決了因測量故障、定期吹掃等因素引起的信號失真問題，為氮氧化物的精確控制，降低氨逃逸率起到了重要作用。

5工程應(yīng)用

將上述各項(xiàng)控制技術(shù)綜合應(yīng)用在某660MW超臨界機(jī)組上，通過試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，有效地提高了機(jī)組脫硝系統(tǒng)控制品質(zhì)及運(yùn)行穩(wěn)定性。穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)，脫硝系統(tǒng)氮氧化物的質(zhì)量濃度控制偏差在4．2mg／m3左右；變負(fù)荷時(shí)，脫硝系統(tǒng)氮氧化物質(zhì)量濃度控制偏差將被控制在6．5mg／m3左右。有效提高了脫硝系統(tǒng)控制目標(biāo)值，降低氨逃逸率的同時(shí)，減少系統(tǒng)噴氨量。提高系統(tǒng)控制品質(zhì)后，在保證氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)前提下，控制目標(biāo)值平均提高4．5mg／m3，噴氨流量平均下降10％，與此同時(shí)氨逃逸率得到降低，減少了系統(tǒng)硫酸氫銨的形成，降低了機(jī)組空氣預(yù)熱器等設(shè)備堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。更主要的是減少了機(jī)組氮氧化物濃度超標(biāo)現(xiàn)象。

6結(jié)論

為了有效應(yīng)對脫硝控制中存在的控制滯后、測量失真等一系列問題，本文通過三個(gè)技術(shù)方向：脫硝設(shè)定值自尋優(yōu)、氮氧化物預(yù)測、氮氧化物軟測量，設(shè)計(jì)了基于先進(jìn)控制方法的脫硝控制策略，并應(yīng)用于某660MW超臨界機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化工作中，實(shí)際應(yīng)用效果證明，該脫硝控制策略不但提高了不同負(fù)荷工況下出口NOx濃度控制穩(wěn)定性，而且在同等控制要求下有效地減少了氨氣使用量，進(jìn)而降低了氨逃逸率，確保了脫硝控制系統(tǒng)穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

作者:江溢洋 單位:合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院