SCR脱硝系统喷氨精细调节技术应用及控制策略研究

胡国力

（北京达华洁能工程技术有限公司， 北京 100000）

0 引言

目前，相关SCR脱硝系统的科研技术已相对成熟，大量实践证明，该系统在实际应用中对烟气的脱硝率甚至可达到90%以上。近年来，产业经济的高速发展在一定程度上增加了社会对能源的消耗，据不完全统计，我国对煤炭类物质的消耗量在国际中处于居高不下的水平。而煤炭属于一种化石类燃料，此类燃料在燃烧中会发生较为复杂的化学反应，在供应企业生产所需能量的同时，释放大量的氮氧化物质、硫化物质、颗粒物以及粉尘等对大气环境造成污染的物质。为实现对污染物的控制，生产单位开始进行SCR脱硝系统的推广与使用，但该系统是一个多参数、多影响变量协同控制的系统，系统在运行时，不仅需要考虑喷氨量对系统的脱硝效果的影响，还需要考虑系统在运行中的稳定性。系统在运行中的任何一个参数发生异常变化，都会对脱硝效果造成影响。因此，该文将根据现有工作的实际需求，以SCR脱硝系统为例，针对该系统在运行中的喷氨行为进行精细化调节设计，以此种方式实现对系统运行的规范化控制。

1 SCR脱硝系统入口烟气量与氨气量测量

为实现对系统运行中喷氨量等参数的控制，发挥系统在实际应用中更高的效能与价值，应在设计方法前，辅助先进测量技术，对测试系统在运行中入口位置的烟气量与氨气量进行主动测量。

根据系统实际运行与进气烟道分布，采用网格划分技术，将系统在运行中的单侧烟道划分为长度×宽度=2×4的网格，在每个对应的网格区域内安装一个系统运行采样探头。将探头与量测仪表进行连接，探头获取的数据将通过量测仪表量测后进入烟气分析仪。采用轮测的方式即可实现对系统入口位置烟气量的测量。此过程可用公式（1）表示。

式中：为系统入口位置烟气量，计算单位为mg/Nm；为网格总数；为探头采样数量；为量测仪表直接量测数据。

在此基础上采用软测量的方式对SCR脱硝系统入口位置的氨气量进行测量，相比直接测量，软测量是通过大量的实测数据间接计算得到的数据，此种数据采集方式可以避免由于分析仪采样导致的反馈数据时效性差等问题。可以在量测过程中，根据脱硝系统中输入燃料量、进风量及其运行工况等参数，采用多元线性回归计算的方式，进行脱硝系统入口氨气量的计算。如公式（2）所示。

式中：为脱硝系统入口氨气量计算单位为mg/Nm；为输入燃料量；为进风量；为运行工况；为多元线性回归方程式。

通过上述方式，完成对系统入口位置多种参数的测量与计算。

2 基于偏差系数计算的喷氨补偿与主动调节

掌握脱硝系统多种运行条件后，该文采用对系统在运行中偏差系数的计算进行喷氨量的实时补偿，确保系统在运行中喷氨量随着系统入口烟气浓度的变化而发生变化。在此过程中，将测量仪安装在系统烟气反应器位置，按照上文方式获取反应器出口截面位置氮氧化物的浓度与分布情况，当氮氧化物质的分布较密集或浓度较高时，可采用增加反应器喷氨管道支管调节阀的方式进行喷氨开度的调节。调节过程如公式（3）所示。

式中：为氮氧化物浓度；为喷氨补偿；为入口烟气浓度的变化变化系数；为反应器喷氨管道支管调节阀数量；为反应器喷氨管道支管直径；为反应器喷氨管道支管调节阀流通速度。

在此基础上，当氮氧化物质的分布较稀疏或浓度较低时，可采用减小反应器喷氨管道支管调节阀的方式进行喷氨开度的控制。按照上述方式进行喷氨量的不同调整，通过此种方式控制截面出口位置氮氧化物浓度的标准差在15%范围内。此过程如公式（4）所示。

式中：为脱硝系统在运行中反应器某点位置的氮氧化物浓度；为截面出口位置氮氧化物浓度的标准差，在计算

公式（4）中的的计算如公式（5）所示。

式中：为出口截面面积；为偏差系数；为偏差允许范围。

通过上述方式得到满足＜15%时的所有取值，以此为依据，进行系统喷氨反应器调节阀调节开度的调整。调节过程中，需要全面考虑前端脱硝系统在运行过程中的发电负荷、烟气量、炉膛含氧量等技术参数，根据参数的变化，结合相关工作的实际情况，在隐藏层进行喷氨参数设定的优化，通过此种方式，实现在系统不同运行工况下的喷氨量的补偿与主动调节。

3 基于PID技术的喷氨分区均衡控制

完成上述设计后，为实现对系统运行的进一步控制，该文引进PID技术对脱硝系统在运行中喷氨分区的均衡进行控制。控制过程中，将SCR脱硝系统的运行机理作为参照，建立预测模型。通过对前端反应值的评估，掌握系统运行与氨气的需求量，根据对氨气需求量的反馈与校正，进行系统的主动控制。此过程如公式（6）所示。

式中：为喷氨主动控制过程；Δ为氨气的需求量；为反馈系数；为校正系数；为预测数值。

在上述内容的基础上，在系统不同网格分区内安装分区调节阀，采用解耦的方式进行系统内不同分区的平衡处理。平衡处理过程如公式（7）所示。

处理过程中，为确保各个分区的平衡性，可引进神经网络技术，将归一化参数录入神经网络中，在网络中进行参数的优化。将优化后的参数引入软测量模型中，对系统运行过程中的相关参数进行实时跟踪。结合系统内不同分区的平衡处理过程误差和期望误差，对神经网络进行权重、阈值的修正，并对训练数据进行更新，利用转变学习率来提高网络的系统内不同分区的平衡处理的精度。分区调节阀可设置上、下限的调节，调节过程中，应设定一定的调节范围，以此确保系统可以在有效线性范围内运行。通过此种方式，使系统不同分区在脱硝处理过程中可以适应机组运行的调峰要求，从而实现系统内不同分区的平衡处理，以此达到PID自适应控制的目的。此过程如公式（8）所示。

式中：为喷氨控制量；为解耦算法；为调峰值；为分区数量。

输出控制量，按照预设的控制量进行系统控制，检测控制后系统出口位置氮氧浓度与分布，当检测结果符合国家要求的脱硝处理标准后，即可认为完成了控制方法的设计。反之，当检测结果不符合标准时，说明补偿的喷氨量未能完全发挥效果，可以采用加大单元网格划分数量的方式，提高氨气与氮氧化物质的反应接触面，进一步实现对反应过程的优化。

4 实例应用分析

在完成针对SCR脱硝系统的喷氨调节与控制方法设计后，下述将以某地区大型电厂作为试点单位，使用该文设计的方法进行SCR脱硝系统的控制效果检验。根据大量的实践与电厂企业负责人反馈的信息，对SCR脱硝系统在运行中入口位置烟气参数进行统计，见表1。

表1 SCR脱硝系统运行中入口烟气参数

在应用该文方法前，检测SCR脱硝系统运行中入口烟气的压力（Pa）、温度（摄氏度）、浓度（g/Nm）等参数。将此部分数据作为试验中的参照数据。

根据此电厂负责人反馈，企业针对SCR脱硝系统的运行，采用的是复合控制方法进行喷氨量的控制与主动调节。获取SCR脱硝系统的历史运行数据，分析在控制前，SCR脱硝系统的运行工况。如图1所示。

在图1中，曲线A表示测试系统在实际运行中入口位置氮氧化物质的浓度或含量；曲线B表示测试系统入口位置喷氨量；曲线C表示测试系统在实际运行中出口位置氮氧化物质的浓度或含量。

根据图1中3条曲线的变化趋势可以看出，喷氨量并未能随着入口氮氧化物值的浓度的变化而发生变化，进而导致出口氮氧化物值的浓度变化曲线的波动幅度较大。尽管出口氮氧化物值的浓度已呈现一定的降低趋势，但此种控制模式极易导致机组在运行中出现高负荷问题，进而导致脱硝系统的脱硝效果不理想。综上所述，该电厂现行应用的脱硝系统控制方法对系统运行的控制效果较差。

图1 精细控制前SCR脱硝系统的运行工况

在此基础上，使用该文设计的方法对系统的运行过程进行主动、精细化控制。控制过程中，先使用先进测量技术进行系统入口位置烟气参数的量测，掌握进入烟气的参数条件后，通过计算偏差系数的方式实现氨气量补偿，以此种方式，实现对系统喷氨的主动控制与精细调节。在此基础上，引进PID技术实现系统运行的控制，摆脱系统在运行中受到外界环境或其他因素干扰的问题。

将集成该文控制方法后的SCR脱硝系统投入使用，根据系统的实时运行工况，对系统入口物质、出口位置导入烟气等物质的浓度、喷氨量参数进行主动获取。同时，通过实时数据捕捉技术，将SCR脱硝系统在运行中的实时参数绘制成曲线图，如图2所示。

图2 精细控制后SCR脱硝系统的运行工况

在图2中，曲线A1表示控制后SCR脱硝系统运行中入口氮氧化物值的浓度；曲线B1表示控制后SCR脱硝系统运行中的喷氨量；曲线C1表示控制后SCR脱硝系统运行中出口氮氧化物值的浓度。

根据图2中3条曲线的变化趋势可以看出，使用该文设计的调节与控制方法进行SCR脱硝系统的运行控制，可以确保系统在运行过程中，喷氨量随着入口氮氧化物值浓度的变化而发生变化，即确保系统在运行中不同物质浓度具有较强的平衡性。同时，在此种控制模式下，SCR脱硝系统出口氮氧化物值的浓度也被控制在了一个较低的数值。

综上所述可得出该文试验的最终结论：此次设计的喷氨精细调节与控制方法，在实际应用中具有较好的控制效果，可以实现在控制喷氨量的同时，降低系统运行出口氮氧化物值的浓度，进而发挥系统更高的效能。

5 结语

该文研究的SCR脱硝系统，其本质是一种使用催化试剂辅助烟气脱硝的还原系统，通常系统在运行时将氨气作为还原物质，将适量的氨气注入系统中，将其系统烟道中的烟气进行混合处理，在适宜的条件下，氨气将与反应器中的氮氧类物质发生化学反应，进而将烟气转化为水体与氮气。为发挥该系统更高的效能，该文从3个方面，以SCR脱硝系统为例，针对该系统在运行中的喷氨行为进行精细化调节设计。完成设计后，经过实践检验证明了设计的控制方法在实际应用中具有良好效果，可以起到控制系统运行宏观调节与综合运行的效果。