1 引言：“十二五”期间，根据产业规划，我国采用的技术路线是:大力普及低NOx燃烧器技术，积极开发和示范空气分段供给燃烧及时和超细煤粉再燃技术，推进各种烟气脱硝技术(SCR, SNCR, SNCR/SCR)国产化。预计到2020年，中国将安装SCR脱硝装置约有1.5亿kW，因此，消化、吸收、研究并创新SCR脱硝技术，在我国有重要的现实意义。
随着我国环境保护法律、法规和标准的日趋严格及执法力度的加大，对采用SCR法脱硝的火力发电厂在确保烟气排放达标的同时还要增强脱硝系统运行的可靠性、连续性和经济性，在保证脱硝效率的同时，如何优化SCR脱硝系统性能，精确而经济地控制喷氨量、降低氨逃逸是脱硝系统运行面临的一个难点。
2 影响SCR脱硝效率的因素
2.1微观因素
在既定反应条件下，脱硝反应速率与催化剂微孔的面积和烟气中反应物浓度成正比，与表面化学反应阻力、外传质阻力和内传质阻力成反比。因此增加微孔横截面积和反应物浓度，减少反应中各类阻力有助于脱硝反应的进行，提高脱硝效率。可以通过提高氨气浓度和增加催化剂微孔内表面积的方法减少化学反应阻力;通过改变烟气流动状态和提高烟气温度，减少层流膜的厚度，有利于减少外传阻力;通过减少催化剂外表面与微孔内表面积之间的平均距离，增大催化剂微孔内表面积和微孔平均截面积，能够减少内传阻力，有效提高脱硝反应速率。
2.2宏观因素
2.2.1 烟气温度的影响
当催化剂在烟气温度280℃-400℃之间时，烟气温度越高，脱硝效率越大，但超过400℃后，脱硝效率随着温度升高开始下降。因此为了降低烟温对脱硝效率的影响，应尽量保持锅炉工况稳定或采取带旁路的省煤器来调整脱硝入口烟温。
2.2.2 氨氮比的影响
氨氮比=1.0时能达到95%以上的NO脱除率，并能使NH3的逃逸浓度维持在5×10-6 或更小。实际生产中通常是多于理论量的氨被喷射进入系统，造成反应器后烟气下游氨逃逸超标，氨逃逸是影响SCR系统安全稳定运行的另一个重要参数，燃煤机组一般将NH3的排放控制在2×10-6 以下，以减少对后续装置的堵塞。
2.2.3 合理控制烟气均匀度
烟气的流速与流动分布与喷氨量相对应后，才能保证NOx反应过程中脱硝效率、氨气逃逸率和催化剂寿命。合理的布置烟道中的导流板位置、喷嘴分布、氨气流量与NOx浓度对应，可以有效地避免由于过度喷氨造成的不良后果。
综上，对SCR系统的优化可以着重从两方面入手，一是为还原反应创造最佳的条件，通过改善设备结构和提供适宜的温度场、反应时间;另一方面是在满足脱硝出口合格的前提下，改善SCR烟道内的浓度场分布，尽可能的减少喷氨量，降低氨逃逸，通过更精准的控制手段来控制喷氨量。
3 脱硝系统运行现状分析
总结国内脱硝控制系统运行情况，对氨气流量的控制一般采用固定摩尔比控制方式和固定出口NOx浓度控制方式，这两种控制方式各有自己的控制优势，但他们都是建立在烟气流场、氨气混合都是均匀的基础上构建的控制逻辑。但实际运行过程中，由于结构设计问题、负荷的波动、设备运行工况的因素的变化，烟气流场是不均匀的，造成各喷氨点后的氨气浓度与烟气浓度并不匹配，从而出现喷氨量增加，局部氨逃逸过大，同时又缺乏连续在线的监测手段，无法真实全面地了解SCR内部情况，使得SCR装置整体运行管理水平较低，进而影响空预器、电除尘器的安全运行，增加设备维护运营成本。
某研究机构对脱硝系统烟道内部中心截面做了NH3摩尔浓度分布分析，下图是喷嘴流量均匀情况下的NH3摩尔浓度图。
可以看出当喷嘴流量均匀喷射时，喷口出口处氨气浓度分布不均，靠近烟道壁面的氨气浓度明显高于中间部分，这种不均匀性表明还原剂喷入量与烟气量存在偏差，从而造成还原剂与烟气混合不充分，影响脱硝效率，另一方面造成过度喷氨，威胁到烟气下游设备的安全运行，有研究测试表明，NH3逃逸率达到2ppm，空预器运行半年后其阻力增加30%，NH3逃逸率达到3ppm，空预器运行半年后其阻力增加约50%。
一般的SCR自动控制中，以SCR出、入口NOx浓度作为烟气自动调节的参考参数，但CEMS数据采集具有一定的误差和滞后性，并且由于SCR反应器内烟气流速不均，CEMS采样未必具备代表性，以上因素均会对SCR单闭环自动调节产生反映慢、调节失稳失准等影响。
4 精细化靶向控制思路介绍
4.1精细化靶向控制思路
精细化控制的总体思路是通过设备的局部优化，改善SCR烟道内流场分布特性。在SCR喷氨门前的烟道内，利用导向板技术将左、右侧烟道各分为四个区域，在每个区域采用直插式氮氧化物探头采集该区域内NOx数值;并用差压表采集该区域内烟气流速数值作为参考，工业计算机将此数据收集处理，根据当前NH3逃逸情况，计算出各区域的NOx流量，按设定的脱硝效率计算出氨气流量，采用相应的控制策略来控制该区域对应的氨气调整门的阀位信号。此分区控制方案，可以明显的降低SCR入口烟气紊流现象，烟气浓度分布相对偏差减少，并能快速、实时的对不同区域内NOx浓度分布、烟气量、出口逃逸率分布进行监测，进而为SCR精确控制提供了基础。
为了获得更好的环保考核指标，精细化控制可以选择直接按照环保考核特点优化控制策略，即以烟囱入口处的NOx浓度测量值作为调节目标，这样也为正常运行中的运行调整带来极大的方便。需指出的是：根据现场试验结果，脱硝被控对象(NH3流量à烟囱入口处NOx浓度)的响应纯延迟时间接近3分钟，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象，在此种方式下的控制难度将明显增加。为进一步实现喷氨量最优控制，精细化靶向控制理念可以与预测控制(MPC控制)技术相结合，基于大滞后被控对象的设计思路进行优化，从而有效提前调节过程，获得更好的控制品质。
采用预测控制技术的另一个优势在于可直接满足多变量系统的控制要求。在精细化控制的总体思路下，系统的可操纵变量由原来一个喷氨调节阀变为多区域下若干个喷氨调节阀，需要设置多个控制回路来稳定多个操纵变量，而若选择烟囱入口处NOx浓度作为被控量，反映的则是多个操纵变量共同作用的结果，这样多个控制回路间就存在着不同程度的相互耦合。此外为保障烟气下游设备的安全运行，还需关注NH3逃逸作为被控量，这就进一步增加了多输入多输出控制系统的控制难度。而预测控制技术通过过程模型和优化算法，可在多变量众多约束下找到各个调节阀的最佳操作点，实现喷氨量最优控制。
4.2 精细化靶向控制策略
4.2.1带有前馈回路的分区串级控制系统
按照精细化控制的总体思路，将每个区域设置一个带有前馈回路的喷氨串级控制系统，已达到分区精细化控制目标。将出口NOx浓度作为被调量，经PID运算，得到喷氨量，作为副调的设定值，其与氨流量测量值的偏差经PID运算后生成指令调节喷氨调节阀。由于受反应器和催化剂时间滞后环节的影响，将上述串级回路中加入给煤量前馈回路，根据给煤量及进、出口NOx浓度计算得出喷氨量，以快速响应机组负荷的变化。
4.2.2整体控制与分区控制算法优化
将分区串级控制系统加入上一级带有前馈回路的串级控制系统，当各区域间NOx浓度偏差较小时，分区控制回路解除，利用同操器进行同操控制，同操器输出直接控制各区域喷氨阀门，以利增加调节系统的快速性;当各区域内NOx浓度偏差超过一定数值时，同操自动解除，控制系统自动切入分区控制系统。利用优化算法的控制策略，喷口出口处氨气浓度分布更加均匀，还原剂的利用率将得到大幅提高。
4.2.3基于预测控制的分区控制策略
带有前馈回路的分区串级控制系统已可达到分区精细化控制目标，但为实现喷氨量更优控制、使得控制目标与环保考核目标相一致，按照环保考核特点，设计了基于预测控制的优化策略。选择烟囱入口处NOx测量值作为控制目标，即优化的总喷氨量，烟道两侧SCR脱硝塔出口分区NOx测量值则通过的加权平均后作为参考校正，用于决定左右烟道各自的喷氨需求量。
下图展示了总喷氨量控制策略，MPC控制器通过实际工业过程数据辨识并内置了NH3流量至烟囱入口NOx间的动态模型，以适应控制过程中存在的大滞后延迟问题。MPC控制器根据内置模型预测未来NOx的控制轨迹，并根据实测NOx轨迹，不断修正并在当前时刻给出最优的控制量。同时根据SCR脱硝机理，以烟道入口NOx含量、给煤量、烟气流量作为控制器前馈，提高控制响应时间。
下图为靶向喷氨控制策略，实际控制中，将各分区NOx以及NH3逃逸控制设定值或范围输入MPC控制器。控制器辨识并内置相应喷氨调节阀开度对应各分区出口的NOx以及氨逃逸动态响应模型，并对各分区的NOx及NH3逃逸测量值进行分析，按模型中对被控对象的影响程度选择合适的喷氨阀进行调节控制。
5 经济性分析
采用精细化靶向控制技术，可以大幅度提高氨气的利用率，降低氨气耗量，以330MW机组例，节省耗氨量10%，年节约液氨费用约为25万元。
SCR自动控制采用优化控制策略情况下，可以提高SCR的最大脱硝效率，预计提高催化剂使用寿命7%;同时由于还原剂的利用率提高，在最优的控制状态下，可以降低氨逃逸40%，大大减少了对尾部烟道内设备的威胁，降低了因空预器、电除尘腐蚀堵塞造成的维护运营成本。
6 展望
节能减排已经成为中国经济和政治的一项中心任务，针对火电机组节能减排的现实需求，研发用于电厂锅炉节能减排的自适应预测控制系统应运而生，预测控制可以对多个被控变量进行预测、使用过程模型和优化算法计算过程控制变量控制动作;模型预测控制器不改变原有DCS系统的常规控制和安全保护机制，投运预测控制不需停产、减产、无安全隐患。经过20多年的努力，国内一些研发人员已经开发出高品质、低使用成本的预测控制技术，已经在燃烧优化等领域有了逐步的应用。
精细化靶向控制理念有望与预测控制实现进一步完美结合，以克服以往脱硝控制中受监测手段、流场分布、还原剂混合效果、多个被控变量等不良因素的影响，通过小区域及预测控制，实现喷氨量最优控制，减少SCR出口NOx排放量和氨逃逸量，为火电厂SCR脱硝控制系统迈上一个新的高度。
原标题：脱硝系统精细化靶向控制系统
