1 引 言

神華神東電力有限責任公司郭家灣 300MW循環流化床發電廠脫硝系統，采用選擇性非催化還原(SNCR)脫除 NOX技術，該技術是把稀釋后的尿素溶液噴入鍋爐側爐膛上部、分離器、煙道相應區域，與煙氣中的 NOX發生還原反應生成 N2和 H2O，從而達到脫硝目的。具體工藝流程為：在尿素溶液制備罐內制備出 50%濃度的尿素溶液，由尿素溶液輸送泵排入尿素溶液儲存罐，經尿素溶液稀釋系統將尿素溶液稀釋到 10%，由噴槍噴入鍋爐相應區域脫除 NOX。本文主要論述鍋爐區域 SNCR 的自動控制。

郭家灣電廠鍋爐區域 SNCR 系統投運之初的自動控制邏輯，是預先在 DCS 中設定機組負荷與尿素溶液流量的對應關系，當機組負荷變化時根據對應關系自動輸出控制指令至執行機構調整尿素溶液流量，從而實現對 NOX的自動控制。這種控制方式只在負荷變化時對尿素溶液流量進行相應地調節(即改變尿素溶液噴入量)，而鍋爐燃燒產生的 NOX 不僅與負荷有關，還與風量、煤量、氧量等參數密切相關，因此這種設計不能有效地實現自動控制。由于這種自動控制的缺陷，在 SNCR 系統投運初期一直采用手動控制。為了投入 SNCR 系統自動，減少運行人員勞動強度，郭家灣電廠邀請調試專家對邏輯進行了優化，修改為單回路 PI 控制，將煙囪入口 NOX實測值與 NOX目標值的偏差，作為 PI 調節器的主輸入;將“實時煤量比例值”、“氧量比例值”、“煙囪入口 1min 內 NOX 變化值的微分”，作為 PI 調節的前饋，調節器的輸出直接控制尿素管道電動執行機構的開度。投入自動后，在負荷穩定且 NOX目標值設置較小的情況下自動控制能夠投入，但存在尿素消耗量過大、執行機構動作頻繁、升降負荷運行工況不穩或 NOX目標值設置稍高的情況下，自動控制品質較差的問題。

根據這一情況，郭家灣電廠熱工專業自行對系統進行了分析與研究，重新設計了SNCR自動控制系統邏輯，應用新邏輯后，SNCR 自動控制系統能夠適應各種工況且效果良好，下面對優化后的邏輯進行探討，見圖1。

(1)采用了串級 PI 調節控制，主調節器用于控制煙囪入口 NOX實測值與目標值的偏差，副調節器用于控制尿素溶液目標流量與實際尿素溶液流量的偏差。原來的單回路控制模式無法避免執行機構死區、噴槍堵塞、母管壓力變化等因素對尿素流量的影響，采用串級控制后，副調節器直接對目標流量與實際流量的偏差進行控制，避免了單回路調節的缺點。

(2)采用“主調節器的輸出”、“負荷與尿素溶液流量的對應值”、“風煤比與尿素溶液流量的對應值”的疊加值，作為尿素溶液基礎流量目標值，即副調節器的目標值。可以在NOx實測值與目標值出現偏差時，對尿素溶液流量進行調整;還能夠在負荷變化后，對尿素溶液的流量進行調整，更主要的是通過風煤比的變化提前預知氧量變化，能夠提前3min對煙囪入口 NOX的變化進行預調整。這段邏輯主要的創新之處就是采用了風煤比參與控制，這是因為鍋爐燃燒產生 NOX的一個主要來源是空氣中的氮和氧。當風煤比偏離正常范圍時煙氣含氧量就會偏離最優值，即空氣過剩或欠量，空氣過剩時NOX就會升高，反之NOX就會降低。最初設計這段邏輯時采用煙氣含氧量參與目標值的調節，但由于煙氣含氧量的變化較為滯后，不能盡快對尿素溶液流量進行調整。經過觀察與試驗，最終采用了風煤比參與尿素溶液目標值的調節，通過這一優化取得了非常滿意的效果。

(3)設計了超前預估控制邏輯，通過系統模型辨識試驗，得出系統的遲延時間、慣性時間、死區、增益等參數，利用超前預估邏輯，第一時間預測出主調節器輸出變化后煙囪入口NOX的測量值，將這一預測值作為主調節器NOX測量值反饋輸入信號，從而實現超前調節。如果不采用預估邏輯，從尿素溶液流量變化到煙囪入口NOx的測量值開始變化需要4～5min，這樣一個大滯后環節，對于無超前預估功能的PID控制是一個很大的難題，往往會造成系統振蕩且測量值達到目標值的時間非常緩慢。采用超前預估控制邏輯后，只要主調節器的輸出變化，邏輯就會自動預估測量值的變化幅度，從而進行超前調節。因此，不僅提高了調節的準確性減少了系統的振蕩，同時也縮短了調節過程時間。

(4)為了防止 NOX 小時平均值超標，設計了 45minNOX 小時平均值識別邏輯(即動態目標值給定)，可以自動識別每小時前45min 煙囪入口NOx 的平均值。當其超過190mg/m3 時自動按比例調低NOX目標值(本地區 NOX 的環保指標是小時平均值不超 200mg/m3 )，防止煙囪入口NOX小時均值超標。這一設計將原來的運行人員輸入固定目標值調節提升為了自動可變目標值調節，避免了運行人員調整不及時和系統不穩定時導致的環保超標。

(5)設計了“NOX目標值與 NOX實際值偏差的死區(即 NOx 目標值與 NOX實際值偏差在一定范圍內時，自動控制系統不調節)”和“風煤比死區(即風煤比在一定范圍內時，自動控制系統不調節)”，避免了執行機構的頻繁動作對設備壽命和系統的影響。

(6)為了防止尿素溶液噴入過量腐蝕尾部煙道的設備，在 SNCR 系統設計了氨逃逸檢測儀表。最初的邏輯中當氨逃逸超標時僅發出報警，需要運行人員手動干預調整尿素溶液流量。優化后，當氨逃逸偏高且煙囪入口 NOx 值不超 170mg/m3 時，自動按折線比例下調NOX目標值，有效地避免了氨逃逸超限對煙道、空預器、省煤器、過熱器、再熱器等設備的腐蝕。

(7)設計了執行機構高、低限抑制調節輸出功能，即執行機構開到一定程度或關到一定程度后，就不允許調節器的輸出繼續增大或減小。這樣可以防止執行機構關至高限或低限后，調節系統的過積分飽和。

(8)設計了執行機構的最低開度限制，防止執行機構過度關閉時由于系統無流量導致尿素沉積在管壁上，也可以防止冬季管路內的尿素溶液由于不流動而上凍的問題。

(9)設計了尿素溶液母管壓力低限時調節器的閉增邏輯。當尿素溶液母管壓力過低時禁止調節器開大尿素溶液流量執行機構，提高了系統的安全穩定性。

(10)設計了測點防波動邏輯，即在參與自動的測點與自動控制主邏輯之間加入慣性模塊。當測點波動時通過慣性模塊的抑制作用，使進入自動控制系統的測量值更加平滑，從而避免測量值小范圍波動時引發自動控制系統頻繁動作的問題，見圖2。

2 結束語

SNCR系統具有流程長、大延遲、大慣性、擾動因素多的特點，其自動控制需要考慮的因素多種多樣，是一個值得深入研究的課題。本文創新性地提出了多項有益于SNCR自動控制系統更加完善的方法，尤其是風煤比參與 SNCR 自動控制、超前預估邏輯的應用、45min超限識別等方法，使SNCR系統的自動控制品質得到了明顯的提升。郭家灣電廠采用以上邏輯對 SNCR自動控制系統優化后，使自動控制系統的適用范圍更寬，幾乎在各種工況下均能穩定投入，使執行機構動作頻率減小，減少了系統磨損，延長了設備的使用壽命，NOX小時均值既能很好地控制在環保指標以下，又能貼線運行減少尿素溶液的用量，實現了節能、環保、安全、穩定、經濟運行的目標。