火电机组脱硝系统自动控制优化前机组控制方案

摘  要：

针对三相全波六状态工作无刷直流电机霍尔位置及特定换相逻辑下的电机旋向问题，提出一种通过右手螺旋定则确定每相绕组磁势方向进而确定电机霍尔位置，随后通过左手定则及牛顿第三运动定律对电机旋向进行判断的简易方法；并通过两款电机实际工程验证，确定该方法的正确性及普遍适用性。

引言

火电厂锅炉燃烧过程中生成的氮氧化物是主要的大气污染物之一，超低排放已成为燃煤机组的硬性指标[1-2]。选择性催化还原（SCR）脱硝技术是目前火电厂应用最广泛、最成熟的技术，通过控制喷氨量保证NOx排放达标[3-4]。某电厂#1机组锅炉为北京巴布科克·威尔科克斯有限公司亚临界参数∏型汽包炉，烟气脱硝装置布置在锅炉省煤器和空预器之间，采用选择性催化还原法（SCR法）脱硝工艺[5-6]，脱硝还原剂为尿素热解制氨。自超低氮改造后，系统测量延迟、控制回路简单、长时间低负荷运行、煤质不稳定、锅炉偏烧等原因造成了SCR出口NOx浓度偏差大、波动大，脱硝自动调节效果差，无法正常投入，氨逃逸超标，空预器低温段蓄热元件堵塞等问题。

在原DCS系统中逻辑组态的前提下，针对上述问题，重新设计了控制方案，采用智能前馈、模糊控制及小时均值校正等先进控制思想控制喷尿素量，优化后脱硝控制系统的稳定性和经济性得到了明显提高。  

优化前机组控制方案

某电厂#1机组优化前机组控制方案如图1所示。

优化前机组SCR控制方案存在以下问题：

（1）控制方案为单回路控制：控制系统的鲁棒性和稳定性较差。

（2）以两侧NOx出口浓度平均值作为被调量：一方面，两侧出口NOx浓度与净烟气NOx浓度的趋势对应关系较好，但数值对应关系不稳定，无法作为控制净烟气NOx浓度的稳定的被调量，经常造成净烟气NOx浓度过低或过高；另一方面，以两侧出口NOx浓度平均值作为被调量，也是导致两侧出口NOx浓度偏差大的主要原因。

（3）入口NOx浓度前馈：不同煤质、不同工况下，入口前馈的系数偏差很大，该回路设计不准确，甚至会对控制造成不良影响。

（4）PID参数极弱，主要靠正向的超驰控制加大喷氨量：具体表现为运行干预能力差，阀门指令呈阶跃变化，出口NOx浓度波动极大，且一旦+5指令仍无法降低出口NOx浓度，只能切为手动控制；自动控制长期过喷，只能切为手动控制。

综合分析，优化前喷氨自动投入不稳定，NOx浓度控制调节速度慢，有较长时间的静差，控制品质差，两侧NOx出口偏差大，长期采用过量喷氨的方式来控制NOx排放超标，导致氨逃逸超标。尤其是自启停磨期间和变负荷期间，NOx浓度波动极大，无法投入自动控制。 

优化控制方案

图2为脱硝优化控制方案，该方案针对机组现存问题，设计了串级PID控制系统，采用智能前馈、模糊控制及小时均值校正等先进控制思想控制喷尿素量。采用这种技术能够提前预测脱硝入口的未来变化趋势，而后根据被调量的未来变化量进行控制，有效提前调节过程，从而大幅提高了脱硝系统的闭环稳定性和抗扰动能力。

控制方案具体说明如下：

（1）被调量：主调PID的被调量为净烟气NOx浓度辅以单侧NOx浓度设定值偏置，在保证环保要求的前提下，可以平衡脱硝两侧出口NOx浓度，增强运行人员的干预能力，提高系统的安全性和经济性；副调被调量为喷氨（尿素）量。

（2）智能前馈：在脱硝入口NOx浓度的基础上，充分考虑了煤质、风量、磨运行状态及特殊工况等对脱硝系统的影响，加入了变负荷前馈、风煤比前馈、磨煤机前馈、超驰信号等，克服测量延迟，从反应源头及时调节喷尿素量，有效降低了NOx出口浓度波动，提高了系统的稳定性和安全性。

智能前馈具体如下：

1）变负荷前馈：变负荷时加入负荷动态补偿量，降低因变负荷造成的NOx波动；

2）风煤比前馈：风煤比对NOx的生成情况起至关重要的作用，且反应机理上最为提前与直观，将风煤比作为前馈，可有效预测脱硝入口NOx浓度的变化趋势，有效克服其测量迟延，提高控制系统的调节品质；

3）磨煤机前馈：用以降低磨启停期间对NOx浓度的影响；

4）超驰信号：当被调量与设定值偏差较大时，快速开关一定的阀门开度，可以有效地降低被调量超调。

（3）模糊控制：根据被调量偏差及其微分，动态调整主调PID参数，增强控制系统的快速性、稳定性和鲁棒性，使自动控制在不同工况下均能取得良好的控制效果。

（4）小时均值修正回路：首先设计小时均值计算回路，并加入历史站；再根据机组当前NOx小时均值的实时值实时修正主调PID的被调量，在NOx指标达标的基础上，尽量使NOx浓度小时均值接近考核标准，提高机组运行的经济性。 

优化后效果

优化后NOx控制曲线

优化调试完成后，机组常规运行工况下脱硝自动均保持投入，自动投入率达95%以上。

与优化前相比，两侧出口NOx浓度明显趋于收敛，变负荷工况下波动幅度大幅减小，设定值跟踪效果显著提高，优于《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》（DL/T 657—2015）中“脱硝系统出口NOx值控制系统品质指标稳态品质指标：±10 mg/m3”的要求。图3、图4为脱硝自动优化后NOx浓度曲线，可以看出：

（1）机组常规运行负荷下，净烟气NOx浓度35～50 mg/m3；

（2）NOx浓度跟随设定值效果较好，机组常规负荷下净烟气NOx浓度波动幅度＜10 mg/m3，稳态下波动幅度＜5 mg/m3；

（3）优化后，两侧出口NOx浓度偏差减小至±8 mg/m3内。

优化后节尿素量

优化前后周发电量、尿素耗量及对应的每万千瓦时尿素耗量如表1所示。

优化后，机组节尿素量为（9.871 3-8.829 2）/9.871 3×100%≈10.56%。  

结语

针对某电厂#1机组脱硝系统自动控制品质差、投入率低的问题，重新设计了控制方案。优化后净烟气NOx浓度及脱硝两侧出口NOx浓度波动明显降低，两侧出口NOx浓度偏差降低至合理范围，NOx浓度跟随设定值效果较好，运行干预自动调节能力显著提高，尿素发电单耗降低了10.56%，原脱硝控制系统存在的问题得到了有效解决，提高了机组运行的安全性、稳定性和经济性。

审核编辑：刘清