摘 要：為了響應國家的環保要求，選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝系統得到了廣泛應用。大部分燃煤電廠都使用了SCR煙氣脫硝技術，由于SCR煙氣脫硝系統普遍存在反應時間較長、控制滯后、時變非線性等特點，本文提出了基于自適應前饋控制方法。利用現場實際運行數據，通過仿真實驗對該方法進行驗證，實驗結果表明，與傳統的PID控制方法相比，該方法在抗擾動能力、跟蹤設定值方面均優于常規控制方案。
關鍵詞：選擇性催化還原法 煙氣脫硝 前饋控制 自適應
近年來，我國在發電、化工等行業在硫氧化物和粉塵排放控制方面已經取得了一定的成效，但是國家對于環境保護重視程度的不斷提高，環保考核的指標也提高了，氮氧化物的控制成為了最關鍵的問題之一。在眾多的脫硝技術中，選擇性催化還原法(SCR：Selective Catalytic Reduction)由于其脫硝效率高，工藝技術成熟，選擇性好，運行可靠且二次污染很小，所以是符合我國國情的電廠煙氣脫硝技術，并且也是國內外應用最為廣泛的煙氣脫硝技術。
煤質、反應溫度、催化劑活性、噴氨流量和煙氣流量等因素影響SCR煙氣脫硝系統的控制。其中，影響反硝化效率的主要原因就是氨流量。氨水過少會導致SCR出口的NOX濃度超標，環保指標達不到標準。過量的氨會增加氨的逸出量，導致NH3，水和SO2在催化劑的作用下產生反應。生成和NH4HSO4NH4HSO4 (NH4)2SO4(NH4)2SO4依附在催化劑表面，它將嚴重阻礙了催化劑活性的釋放，并阻塞空氣預熱器，導致空氣預熱器的壓差較高。所以，控制氨流量是SCR脫硝控制系統安全，平穩運行的重點。文章使用了SCR系統中氨注入的自適應前饋控制方法，階躍響應仿真實驗用于仿真驗證和與傳統控制方法的比較，在保證達標排放的同時避免了過量噴氨，將出口濃度控制在設定值。
1 SCR煙氣脫硝概述
SCR煙氣反硝化系統布置有高灰，SCR反應器布置在省煤器與空氣預處理器之間，其溫度經常處在300～500℃，SCR煙氣脫硝系統的催化活性相對較強，更有利于氨氣與氧氮化合物的REDOX反應。SCR煙氣脫硝系統主要包括氨噴射格柵，催化劑，SCR反應器等。在省煤器的煙道出口中排除煙氣，進入SCR反應器入口煙道的垂直接頭處，并注入氨氣與之融合，通過整流器直降，通過布置脫硝SCR反應器的催化劑REDOX反應，將煙道中的NOX 氣體轉化為氮氣和水，達到煙氣脫硝的目的[9]。
SCR煙氣脫硝以NH3作為還原劑的，其主要化學反應為：
除主反應外，SCR脫硝過程中還會發生一些副反應：
它是一種具有強粘性和腐蝕性的材料，會使空氣預生成器發生塞堵，并對設備的安全運行帶來阻礙。所以，必須按時精準地調整氨的注入量，以減少不良反應的發生，同時保證標準的排放，提高機組運行的安全性和經濟性。在實際應用，SCR煙氣脫硝系統核心控制對象有兩個，如下：
(1)保證反硝化效率，并在環保要求的范圍內控制出口煙道氣中NOX的濃度。
(2)保證氨氣的逸出率不超過限制，以免氨氣噴灑過多。SCR系統在工作中需要及時調整和完善。在保證脫硝效率的基礎上，建立更精準的SCR氨氣噴射系統
2 SCR煙氣脫硝系統動態性能剖析
在實際運行中，SCR氨水量的控制使用前饋反饋PID閉環控制，如圖1所示。
其中SPN為反應器出口煙NOX設定值，mg/m3。
滯后環節DELAY的傳遞函數為
式中：k為比例系數，T為慣性環節時間常數，DT為滯后時間常數。
增量型PID調節傳遞函數為：
式中：Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Kd為微分比例常數;Td為微分時間常數;FF(s)為前饋環節傳遞函數。限幅環節LM，輸出限制于-M和+M之間。
串級PID控制系統可以迅速抵抗系統內部的干擾，并能及時順應單位負荷的改變，因此被大量使用在受控對象中。前饋控制作用后控制穩定性和調節時間有顯著變化，可以及時反映被調量的變化，從而克服大延遲環節的影響。前饋控制能夠防止測量數據不準確，進而使控制系統發生故障。自適應前饋控制能夠減少模型不確定性和參數變化的要求，隨著機組負荷的變化而自動調節自身控制參數的控制方法。
3 階躍響應仿真結果分析
將上文所述的前饋模型當做被控對象，使用現場采集的數據，來對控制系統進行完善。采用MATLAB/Simulink對優化控制系統的噴氨量進行仿真驗證，在PID前饋控制的基礎上，采用自適應前饋控制，在設置SCR入口NOX濃度為300mg/m3，出口NOX濃度設定值為50mg/m3，仿真結果如圖2所示。
從圖中可以看出，自適應前饋控制系統具有較好的控制效果，能夠在設定附近控制出口處的NOX濃度。
4 結語
本文采用SCR系統噴氨自適應前饋控制方法，利用階躍響應仿真實驗對控制效果進行驗證，結果表明，在保證達標排放的同時避免了過量噴氨，將出口濃度控制在設定值。
隨著我國針對脫銷系統排放要求的日益嚴格，SCR煙氣脫硝體系已經成為我國化工系統、火力發電系統等應用的主要脫銷方法與體系。傳統的SCR煙氣脫硝體系普遍存在NH3/NHx氣體分布均勻性控制能力差等問題，對燃煤機組的安全性具有一定的影響。根據變量間的非線性關系將預測模型與MKPLS模型相結合，建立了節能減排背景下火電廠SCR煙氣脫硝系統，該系統在效率上提高脫硝率，同時在環保上實現了噴氨量的精確控制。
參考文獻
[1] 錢虹，柴婷婷，張超凡.基于深度循環神經網絡的SCR煙氣脫硝系統出口NOX排放預測研究[J].熱能動力工程，2020，35(8)：77-84.
[2] 劉彥龍.熱電廠煙氣脫硝脫硫除塵系統改造及工程實踐[D].杭州：浙江工業大學，2020.
[3] 高建強，梁勝瑩.SCR脫硝系統優化及實驗研究[J].電力科學與工程，2018，34(10)：56-62.
[4] 羅子湛，孟立新.燃煤電站SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優化[J].電站系統工程，2010，26(4)：59-60.
[5] 武寶會，崔利.火電廠SCR煙氣脫硝控制方式及其優化[J].熱力發電，2013，42(10)：116-119，126.
[6] 殷慧. 燃煤電廠煙氣脫硝系統數據建模與控制方法研究[D].揚州：揚州大學，2020.
[7] 秦天牧，尤默.基于自適應智能前饋的SCR脫硝系統優化控制[J].中國電機工程學報，2019，39(10)：186-192.
[8] 馬增輝，徐慧儀，朱潤潮.SCR煙氣脫硝系統魯棒干擾控制研究[J].控制工程，2020，27(1)：114-120.
[9] 孫金龍.330MW機組脫硝系統的優化研究[J].控制理論與應用，2019，36(1)： 65-72.
[10] 李靖菀.SCR煙氣脫硝工藝還原劑系統分類與應用[J].中國新技術新產品，2020，(12)：19-21.
[11] 白光遠，張偉偉，吳斌.600MW機組煙氣脫硝系統NOX多點取樣試驗研究[J].發電設備，2020，34(3)：184-187，195.
[12] 李健，譚文，張彬文.SCR煙氣脫硝系統線性自抗擾控制研究[J].動力工程學報，2019，39(3)：203-207.[1] 2
