摘要:针对传统火电机组脱硝系统存在脱硝时间长，导致氮氧化物浓度高，严重影响周围环境的问题，开展对火电机组脱硝系统的研究。通过对反应器装置选型、烟道进出口等进行硬件设计，以及脱硝控制参数整定、基于智能控制的火电机组喷氨量控制等软件设计，提出一种全新的脱硝系统。通过系统测试证明，与传统脱硝系统相比，可加快对火电机组的脱硝速度，将氮氧化物的浓度降到最低，并且保证火电机组运行过程中氮氧化物含量的稳定，实现对周围环境的保护。
关键词:智能控制；火电机组；氮氧化物；烟道进出口
0引言
氮氧化物是近几年来备受人们关注的一种污染物质，通过大量研究证明，氮氧化物是导致酸雨作用、诱发光化学烟雾的主要物质，并且是引发温室效应的主要成分。因此，氮氧化物的排放是当前该领域重点的研究方向。火电厂是排放氮氧化物的主要场所，按照当前氮氧化物的控制政策，预测出火电厂的氮氧化物排放可达到900万t以上［1］。因此，为了降低氮氧化物的排放，减轻污染物对环境的影响，国家出台了一系列控制火电厂火电机组中氮氧化物排放的相关法律及政策。在这样的背景下，火电厂逐渐加快了对火电机组脱硝设备的建设速度。目前，针对火电机组脱硝设备的主要技术原理可分为火电机组燃烧过程控制技术和燃烧后烟气脱硝控制技术两种［2］。燃烧过程的控制主要是通过降低火电机组炉膛内高温、减少煤粉材料在高温环境中的停留时间，以此控制火电机组在运行过程中产生的氮氧化物。这种控制技术在实际应用过程中由于受到环境因素的影响，脱硝效果较差。基于此，本文结合智能控制技术，提出一种全新的火电机组脱硝系统。
1硬件设计
1．1反应器装置选型。反应器装置是为火电机组脱硝过程中加入还原剂和为产生的烟气提供催化还原反应的场所。反应器装置将火电厂产生的氮氧化物由传统工艺路线进行处理并计量后，立刻引入选择性催化还原法反应器装置的催化剂床层当中。在一定适宜的反应条件下，与催化剂形成催化还原反应［3］。在反应炉中，根据需要对其温度进行提升，并利用反应器装置的恒温控制功能及时进行切换。待反应全部完成后，将产物引入气液分离罐当中进行分离，利用该装置还可对收集后的液体产物进行离线分析。由于在火电机组当中的烟气中飞灰含量相对较高，因此还需在反应器装置当中安装吹灰装置，用于将覆盖在催化剂活性表面的飞灰及颗粒物清除，以此使反应器装置的压降始终保持在最低的水平线上［4］。设置吹灰装置吹扫时间为每周1次，每次吹扫持续时间为10min。除此之外，系统未进行脱硝操作时，也可经常启动吹灰装置，防止反应器受到飞灰的淤塞。
1．2烟道进出口设计。选用壁厚为5～8mm的钢板材料制备的进出口烟道，并增设填充材料对其进行加固和支撑，从而防止由于火电机组运行过程中发生颤动或振动现象。在烟道的进出口拐角位置上，分别布设多个导流叶片，并且为防止导流叶片与烟道拐角发生摩擦损坏，对其采取适当的防磨措施。当火电机组为合金材料时，可选用同样为合金材料的内部导流叶片。为防止与本文系统相互连接的设备受到其他作用力的控制，在烟道实际布设时，应当根据计算的流体动力学分析结果确定导流叶片的具体位置，并根据其具体流速和飞灰分布情况，设计模板安装的具体位置。图1为烟道进出口设计示意图。由于不同类型的催化剂会造成火电机组的最佳工作温度发生改变，因此，本文系统的最低运行温度应当取决于烟道进出口中烟气的温度及水分含量［5］。当烟气温度较低时，二氧化硫转化率会提升，并且长时间处于360℃以上的环境当中还会造成烧结催化剂的活性表面。因此，根据不同需要，还应当对烟道进出口周围及反应器的旁路进行设计。针对反应器的旁路设置的主要目的是防止火电机组在冷却阶段不受到催化剂的损害，其次可以有效保证系统在长期不脱硝阶段节约火电机组的电耗。在火电机组启动时，使用旁路，产生的烟气可以通过旁路进入空预器装置当中。
2软件设计
2．1脱硝控制参数整定。针对本文系统中的脱硝控制参数整定，主要包含系统中的微分器参数整定、火电机组扩张状态观测装置参数整定。本文采用分离性原理，对系统各环节参数分配设计并整定。微分器在本文系统当中的作用是对过渡过程进行整理，并将信号的微分输入［6］。微分器中包含两种需要进行整定的参数，假设参数λ的取值范围影响着微分器的跟踪速度，参数γ影响微分器的滤波能力。当λ数值越大，则输入信号的跟踪速度越快。但在λ数值过大的情况下会造成微分器发生信号的再振荡。根据火电机组的运行需求，固定参数γ的取值为0．02，λ取值根据实际情况取10、1或0．1。对于火电机组扩张状态观测装置参数的整定，其设计参数较多，并且整定过程与微分器相比更加复杂。以本文系统二阶扩张状态下的观测器为例，其参数主要包括三组动态调节参数：α1、α2和α3，一个决定补偿作用的强弱补偿因子k。动态补偿线性化的过程可用公式（1）表示：n＝k1·v（1）式中：n为本文系统在动态补偿线性化过程中的状态量；k1为输入增益值；v为输入微分信号。决定补偿作用的强弱补偿因子k与输入增益值k1的关系为反比例管理，即k1增加时，k减少；k1减少时，k增加。而k的取值对于观测器的其他参数也存在较大的影响，当k取值较大时，α1、α2和α3需增大到很大，相反k取值较小时，α1、α2和α3也需要减到很小。
2．2基于智能控制的火电机组喷氨量控制。脱硝控制中，被控制量为喷氨量，本文采用智能控制方法中常见的固定氨氮摩尔比控制方法和固定烟道出口氮氧化物浓度控制两种方法，对其进行综合控制。首先，根据烟道入口的氮氧化物浓度与氨氮摩尔比相乘，获取基本喷氨含量。其次，再根据本文系统中烟道出口氮氧化物浓度反馈值，计算得出基本喷氨量的修正数值。通常情况下，烟道当中的氨氮摩尔比数值是可变的，因此喷氨量还应当根据烟道入口氮氧化物的浓度、出口氮氧化物的浓度进行设定［7］。从喷氨量控制角度出发，为实现本文系统对脱硝高效控制，还应当进一步降低氨的逃逸率。采用脱硝串级控制方法，控制回路中采用常规生成树协议中的PID作为控制程序，将事先设定好的数值输入本文系统当中，通过第一个PID完成对氨气流量的传递。在传递的过程中会出现扰动情况影响氨气流量的传递，因此还需要利用第二个PID完成对氮氧化物浓度的传递，其中第一个PID为回路控制程序，第二个PID属于副回路控制程序。并且对扰动部分进行补偿计算，得到相应的补偿值：p＝p0－δg（2）式中：p为补偿值；p0为误差反馈部分给出的系统控制量；δ为本文系统参数的估计值；g为观测装置对系统总扰动的估计值。按照公式（2）计算得出的结果，对系统进行补偿，从而保证系统对脱硝控制的有效。
3系统测试
本文选用某火电厂中容量为600MW的火电机组作为实验对象，机组共配备了2台最大持续处理约为2010t／h的锅炉设备，火电厂燃煤设计煤种和校核煤种均采用烟煤材料。受该地区周围环境及气候影响，在最热月的平均气温为33．5℃，最冷月的平均气温为8℃。锅炉装置按照露天布置方式设计，表1为锅炉主要参数设计表。由图2中两条曲线对比可以看出，采用传统系统对火电机组进行脱硝控制，超调较大，调节时间较长，并且氮氧化物浓度变化不稳定。在扰动结束后，传统系统烟道出口氮氧化物浓度稳定到预期设定时间较长。采用本文提出的系统对火电机组进行脱硝控制，超调量小，并且调节的时间更短，同时在加入反应器入口氢氧化物浓度扰动后，采用本文系统的烟道出口氮氧化物稳定到设定值的时间比传统系统相比更短，控制效果更加理想。因此，通过实验证明，本文结合智能控制提出的脱硝系统可以对火电机组运行过程中产生的氮氧化物进行高效控制，并且在实际运行过程中自动化程度更高。
4结语
本文针对当前火电厂存在的氮氧化物对环境造成污染问题，结合智能控制技术，提出一种全新的脱硝系统。通过将火电机组烟气当中排放的氮氧化物浓度控制在最低，实现脱硝效果，提高火电厂周围的环境效益。
作者:高泽明 杨慎敏 于晨杰 单位:河北国华定州发电有限公司 中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司
