一种可扩展的小型SCR烟气脱硝喷氨控制系统及优化控制方法

昝小舒，李宇建，马　标，张海凤，冯大川

(中国矿业大学 电力工程学院，江苏 徐州 221116)

一种可扩展的小型SCR烟气脱硝喷氨控制系统及优化控制方法

昝小舒，李宇建，马标，张海凤，冯大川

(中国矿业大学 电力工程学院，江苏 徐州 221116)

摘要：喷氨控制系统在SCR烟气脱硝系统中具有举足轻重的作用。针对小型燃煤锅炉，提出了一种可扩展的小型SCR烟气脱硝喷氨控制系统及其控制方法优化方案。对可扩展喷氨控制系统的硬件电路进行了设计，包括以DSP为核心的主控电路和以单片机为核心的功能控制模块等。采用基于负荷前馈的模糊PI控制方法完成了喷氨器控制方法优化，采用区域多点测量与算术平均、中值组合的滤波方法完成了氮氧化物数据检测，完成了级联多喷头喷氨控制方法的优化。通过仿真实验，验证了提出的控制优化方法的有效性。提出的控制系统及优化方法可以有效完成氮氧化物排放浓度的控制，减少氨气的使用量，降低脱硝运行成本，具有实际的推广应用价值。

关键词：选择性催化还原；喷氨系统；模糊PI控制；方法优化

随着环境污染的日益严重，国家制定了一系列法律法规来严格要求燃煤火电排放[1-2]。燃煤火电厂排放的有害物质主要是氮氧化物(简称NOX)，其过度排放会造成环境污染，导致酸雨，破坏臭氧层以及直接危害人的身体健康。目前，火电厂中主要采取的脱硝技术是选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)方法。SCR技术主要是对二次烟气进行净化，在烟气尾部加装脱硝装置，利用还原剂氨气与NOX反应生成无害的氮气和水，其脱硝效率可以达到80%以上[3-4]。现有的SCR脱硝技术还存在着以下不足和问题。

1)SCR脱硝系统由于氨气流量、氨气浓度、反应温度、反应容器结构和喷射区域不同，是一个复杂非线性系统，同时受到负荷扰动，需要较强的抗扰动能力；而实际应用采用的控制方法主要还是以经典的PID控制为主，当1台锅炉SCR系统安装完毕后，PID的参数基本不会改变。传统的PID控制方法虽然在线性控制系中有着很好的控制效果，但是在对烟气与氨气在催化剂作用下随时间变化较大这种具有强非线性的脱硝系统，却难以获得很好的脱硝控制效果。文献[5]提出了应用模型预测的方法对喷氨器进行控制，但控制效果受模型精确程度的影响较大；文献[6-7]提出了应用神经网络的方法对SCR系统的控制，但是神经网络的训练需要较多的数据，对控制器的要求也较高，实用较难。

2)现有烟气出口的烟气量的测量方法具有较大的误差和延时，难以满足实时与精确控制的要求。如对多个烟气出口一般只采用1个传感器，忽略区域NOX的分布不均匀性，很容易出现测量误差，而影响最终的SCR的控制效果。

3)SCR脱硝系统一般都针对大型燃煤电厂，在DCS基础上进行数据的采集和控制；而对于小型燃煤锅炉，一般的DCS系统在复杂程度、成本上都超过了预期，急需性价比较高的SCR脱硝系统。

本文以小型燃煤锅炉的SCR脱硝系统为研究对象，采用高性能控制器为控制核心，设计一套可扩展的小型SCR烟气脱硝喷氨控制系统，并针对现有SCR控制系统中的不足和缺点对其控制方法进行优化。

1SCR脱硝技术原理

SCR脱硝的系统过程如图1所示。锅炉烟气通过管道输入到脱硝器中，液氨与空气混合通过阀门控制喷入到脱硝器中。氨气与烟气中的NOX在一定催化剂的作用下反应，生成无害的氮气和水，即除去了烟气中的NOX，达到了脱硝的目的。具体的化学反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2→5N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(4)

图1　SCR脱硝的系统过程图

脱硝系统由两部分组成：1)脱硝原料供应系统，由液氨与空气进行混合获得一定浓度的氨气，作为脱硝反应剂；2)脱硝反应器，该设备主要安装在锅炉的烟气管道后面，氨气通过阀门控制进入到脱硝反应器中的喷氨器，将氨气喷出与烟气反应，去除NOX。从图1可以看出，喷氨流量控制阀的控制至关重要，如果氨气流量与烟气流量不匹配，就会造成污染。如果氨气的流量不够，烟气中的NOX去除就会受到影响，烟气出口的NOX浓度就会过高，从而不满足脱硝的要求；如果氨气的流量过大，烟气中的NOX虽然去掉了，但是在烟气中会遗留反应不完全的氨气，过量的氨气会同烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨和硫酸氨，会堵塞催化剂的表面，降低催化剂活性，多余的氨气也会导致二次污染。

2小型SCR脱硝喷氨控制系统硬件设计

目前，大型电厂的脱硝控制都有较为成熟的技术，基本上都是基于DCS的脱硝控制系统，而对于小型燃煤锅炉，还没有较为成熟的脱硝控制系统。设计开发一套低成本、高性能的小型脱硝控制系统具有较好的研究意义与应用前景。脱硝控制系统中，喷氨控制系统的设计尤为重要，整个脱硝控制系统的性能优越与否都与喷氨器的运行效果有关。

本文采用高性能的DSP2812作为整个喷氨控制系统的核心控制器，采用8位单片机STC15F2K60S2作为喷氨功能模块控制器。具体的喷氨器控制系统如图2所示，主控DSP2812连接着监控计算机和底层的功能单片机控制模块。监控计算机可以对主控DSP控制器下达控制命令，包括脱硝系统的目标脱硝浓度、脱硝系统的各级参数的设定和喷氨器的控制方法设定、喷氨速度设定等；同时，监控计算机接受来自主控DSP的各项喷氨控制系统的状态参数，实时显示各种运行情况，并且对喷氨过程进行预警与报警。主控DSP控制器通过485串口通信与底层各个喷氨器的功能控制模块进行通信，主要给各个功能模块单片机输入目标NOX含量，喷氨的时间、喷氨的控制方法等，同时获取各个功能模块单片机的实际控制情况及各种参数情况。

图2　喷氨器控制系统结构图

图3　功能单片机模块结构图

功能单片机模块结构图如图3所示，该模块主要由一块8位单片机STC15F2K60S2作为控制核心，主要功能包括：1)对区域NOX含量的检测并进行数据处理，可以检测多达8路的传感器输入信号，可以对多路NOX含量输入数据进行真伪辨别和平均化处理，以获得更加精确的NOX含量数据；2)具有3路PWM控制信号输出，可以分别控制1个蒸汽调节阀、1个液氨调节阀以及1个氨气流量调节阀，通过蒸汽调节阀和液氨调节阀的匹配控制获得需要的氨气的浓度，而氨气流量调节阀主要控制氨气的流量大小；3)具有触摸屏输入输出接口，可以与通用触摸屏进行数据交换；4)具有报警LED与蜂鸣器，在系统出现异常及故障时，输出报警声光信号，提醒维护人员注意；5)具有多达8路的继电器输入与输出模块，可以对各种位置信号、报警信号等开关信号进行处理。功能单片机模块通过通信级联模块与主控DSP控制器进行通信，完成各种数据的发送与接收。

3控制方法的优化

目前，国内SCR脱硝主要采用的是固定摩尔比控制方法，这种方法是根据脱硝效率和催化剂脱硝能力来控制的，按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOX。这种控制方法主要采用设定值可调的单回路控制系统，拥有控制回路简单、易于调试和整定的优点，但存在过度脱氮、氨量过大和运行成本过高的缺点。另外一种控制方法为固定出口NOX含量控制方式，这种方法控制烟气出口的NOX浓度在排放要求以内，同时可以控制氨气用量，减少或者不产生逃逸氨气排放，从而进一步提高脱硝效果，并且可以有效控制脱硝运行成本；但是这种方需要检测多个变量，控制逻辑较复杂，目前应用得很少。为了获得更好的控制效果，本文采用固定出口NOX含量控制方式。

3.1喷氨控制方法优化

目前，在脱硝喷氨头的控制中，多采用DCS系统中的PID控制方法。传统的PID控制在线性系统中有着很好的应用效果；但脱硝喷氨系统是一个随着负荷变化严重非线性，具有严重滞后和多扰动特点的控制系统，普通的PID控制很难获得较为满意的效果。为了提高控制的精度与动态响应，本文将模糊控制与数字PI控制方法相结合，将其应用到喷氨头的控制中。随着智能控制方法的发展，模糊控制越来越多的得到了实际的应用，并显示出其优越的控制效果。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，不需要建立被控对象的精确的数学模型，设计简单，便于应用。糊控控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制；但模糊控制在实际应用中具有一定的静差，在接近控制目标时控制效果不够精细。而数字PI控制在小范围之内的调整能力很强，因此将模糊控制和PI控制相结合起来的组合控制方法具有很好的控制效果。由于喷氨控制系统中，对于负荷的改变具有较大的延时，如果单纯采用反馈控制方法，很难跟上系统的动态变化。为了提高系统的动态响应能力，本文采用烟气流量作为喷氨控制系统的前馈控制信号。

喷氨控制过程框图如图4所示。通过数据接口控制模块获得变上位机给定的目标排放NOX浓度，通过流量传感器获得前馈负荷变化参数，通过多点NOX浓度传感器获得某个区域的NOX浓度，并进行数据处理变成实际烟气排放口的NOX浓度；将目标NOX含量与实测NOX浓度进行比较，获得控制模块需要控制的NOX浓度差量；设定控制目标阈值，在NOX浓度差量比目标阈值大时，整个控制系统采用模糊自适应控制算法，以求在大范围内快速调整调节阀，使得NOX浓度差量迅速降低到一定范围之内；在NOX浓度差量比目标阈值小时，整个控制系统采用数字控制PID算法，使得系统在小范围控制中获得更加稳定的控制效果；前馈信号获得之后，通过模糊控制方法将其转换为适当的前馈输入控制信号，加快由于负荷变化对系统脱硝效果的影响，提高系统的反应速度和响应能力。

图4　喷氨控制过程框图

前馈模糊控制器采用双输入、单输出结构，以烟气量变化及烟气量变化的微分作为前馈模糊控制器的输入，以喷氨调节阀的开度作为输出变量。模糊子集选为最常用的{正大(PB)、正小(PS)、零(ZE)、负小(NS)、负大(NB)}五档结构。前馈模糊控制决策表见表1。

表1　馈模糊控

NOX浓度模糊控制器同样采用双输入、单输出结构，以NOX浓度变化及NOX浓度变化的微分作为前馈模糊控制器的输入，以喷氨调节阀的开度作为输出变量。由于NOX浓度控制的精度要求高，所以模糊子集选{正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)}七档结构。NOX浓度模糊控制决策表见表2，其中E为NOX浓度变化，EC为NOX浓度变化的微分，U为喷氨调节阀的开度变化。

表2　喷氨调节阀的开度变化

3.2NOX浓度监测方法优化

NOX浓度的测量是脱硝喷氨控制系统的基础，不管何种控制方法，都需要精确的NOX浓度数据来支撑，因此，设计一种更加合理、高精度的NOX浓度测量方法是本系统设计中的重要环节。在硬件设计中，单片机可以检测最多8路10位传感器信号，为NOX浓度的测量提供了多路检测的基础。为了提高测量精度，在实际的NOX浓度检测中，在烟气出口处安装多路NOX浓度传感器，同时对一段时间的多组数据进行处理。本文采用算术平均滤波和中值滤波组合方式，即先找出N个采样值的最大值xmax和最小值xmin，然后获得：

xmin≤xj(j=1,…，N-2)≤xmax

(5)

去掉了最大与最小值，然后对剩下的(N-2)个采样值求算术平均值：

(6)

这样，就可以很大程度上将可能的错误数据去除掉，增加采集数据的精度与准确性。

3.3级联多喷头喷氨控制方法优化

在实际的脱硝过程中，烟气出口可能有多个，或者为了提高脱硝的效果，采用多喷头的系统对同一烟气管道中的不同区域分别进行脱硝控制，这就需要通过级联，采用多个功能单片机模块，在DSP控制器的统一协调之下完成喷氨控制系统的运行。具体的级联多喷头控制系统的控制流程如图5所示。系统首先进行初始化，系统正常后，通过上位机系统获取当前需要达到的NOX目标浓度；然后对各功能单片机下达各区域控制NOX目标浓度，在一定延时之后，获取各个不同区域的实际NOX浓度。根据不同的测量结果，对不同区域的功能控制单片机的控制参数进行调整，并再次下达各功能控制模块的控制调整命令，直到各部分的NOX浓度都满足要求。然后对总的出口烟气的NOX浓度进行测量，如果NOX浓度满足要求，就维持喷氨调节阀的开度，并不断的监测NOX浓度；如果NOX浓度不满足要求，就需要重新进行上述控制步骤，直到满足要求。

图5　级联多喷头控制流程图

4系统仿真实验结果

图6　喷氨控制系统阶跃响应曲线

为验证本文提出的优化控制方法的性能，以喷氨脱硝系统为对象，分别进行了传统PID控制及模糊PI控制方法下阶跃响应仿真实验的对比(见图6)。可以看出，采用传统PID控制器，在负荷阶跃扰动下，系统重新达到稳定需要经过多次振荡，因此调节器的调节时间长，系统动态响应差；而在模糊PI控制器的控制下，在负荷阶跃扰动下，系统响应反应速度快，超调小，能够很快达到稳定。因此，本文提出的模糊PI控制方式，在喷氨控制系统中比传统的PID控制具有更强的自适应能力和抗干扰性能力，具有较好的动态性能。

图7　喷氨控制系统喷氨量曲线

系统喷氨量仿真曲线如图7所示。可以看出，在不同的负荷情况下，采用模糊PI控制方法下的系统喷氨量比在传统PID控制方法下的喷氨量要少。在本文提出的控制方法中，采用烟气流量作为系统的前馈信号，能够提高喷氨系统的反应速度，减小喷氨控制的时间滞后，有效降低了系统的喷氨量，这对于降低系统的成本和氨气的逃逸量具有较好的作用。

5结语

本文提出了一种可扩展的小型SCR烟气脱硝喷氨控制系统的设计及控制方法优化方案。主要完成了如下内容：1)可扩展的喷氨控制系统的硬件电路设计，包括DSP主控电路设计、功能控制模块电路设计、通信系统设计和输入输出接口模块设计等；2)利用进口烟气流量及锅炉负荷信号作为喷氨量的前馈信号，采用模糊控制规则进行预测，获得了喷氨控制系统的前馈控制信号；3)采用区域多点测量方法，对出口烟气NOX浓度进行测量，并进行数据处理；获得了喷氨量的直接反馈信号，再采用模糊PI控制方法对喷氨量进行直接反馈控制；4)通过仿真和实验对比验证了本文提出的设计及控制方法的有效性。针对小型SCR烟气脱硝系统，采用可扩展模块化单片机设计和自适应控制算法，可以获得更加精确的NOX排放浓度，减少了氨气使用量，降低了脱硝运行成本，具有实际的推广应用价值。

参考文献

[1] 蔡丽萍, 郭国义,江志彬. 烟气脱硝技术的应用与展望[J]. 工业炉, 2013, 35(5): 16-18.

[2] 赵莹, 范丽. 我国SCR催化剂的技术现状综述[J]. 现代工业经济和信息化, 2013, 56: 53-55.

An Extensible Small SCR Flue Gas Denitration Ammonia Injection Control

System and Optimization Control Method

ZAN Xiaoshu， LI Yujian， MA Biao， ZHANG Haifeng， FENG Dachuan

(School of Electric Power Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China)

Abstract：Ammonia injection control system plays a decisive role in the SCR flue gas denitration system. An extensible small flue gas denitrification device based on selective catalytic reduction (SCR) system and optimization scheme is put forward for the small coal-fired boiler. The ammonia injection control system hardware circuit is designed including the core control circuit design of DSP, function of control module design of single chip microcomputer, etc.. The fuzzy PI control method based on load feedforward is completed in the ammonia injection device control method. The NOXconcentration detection is finished using regional multipoint measurement combined with arithmetic average and median filtering method. Also the multi-cell joint control of ammonia injection control system is optimized too. Finally the effectiveness of the proposed control method is verified by the simulation experiments. The control system and the optimization method have practical application value for effectively completing the NOXemission concentration control, reducing the use amount of ammonia and denitration operation cost.

Key words:selective catalytic reduction (SCR)， ammonia injection system， fuzzy PI control， optimization method

中图分类号：TK 32

文献标志码:A