CN108919845B - 一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法 - Google Patents

一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法，该方法包括：步骤S1、调节调节阀的开度，使得锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度保持稳定后，进入步骤S2；步骤S2、控制自动控制装置进入自动控制模式；自动控制装置在自动控制模式下，每隔时间间隔△T按以下步骤S2.1至步骤S2.4执行一次对锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度的控制。本发明实现了对脱硝系统排出烟气中的氮氧化物浓度的自动控制，能够确保氮氧化物浓度稳定于操作人员预设的氮氧化物目标值SAT附近且确保氨态氮不超标，同时节约了自动控制过程中尿素溶液的投放量。经试验：相比于常规方法，采用本发明后的脱销系统出口氮氧化物浓度波动由大于±100mg/Nm3稳定为小于±15mg/Nm3，同时尿素的投加量节约了50％。

Description

一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法
技术领域
本发明涉及一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法。
背景技术
目前，脱硝系统采用FOXBORO IA DCS系统进行集散控制，其自动控制方案有定流量投加和锅炉负荷计算法两种，在不同工况下人工进行切换，但经过实际使用发现，这两种方法均无法实现氮氧化物的稳定控制，只能多投加尿素，但是又会造成氨态氮超标，同时尿素的浪费也很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法，所述的脱硝系统设有尿素溶液供给系统、调节阀和锅炉，所述尿素溶液供给系统输出的尿素溶液通过所述调节阀输入所述锅炉，其特征在于：所述的脱硝系统还设有流量表、温度测量装置、氮氧化物浓度测量装置和自动控制装置，其中，所述流量表能够实时测量所述调节阀输出的尿素溶液流量，所述温度测量装置能够实时测量所述锅炉的燃烧区温度，所述氮氧化物浓度测量装置能够实时测量所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度，所述自动控制装置分别实时读取到所述流量表、温度测量装置和氮氧化物浓度测量装置测量到的数据并实时获得所述调节阀的当前开度，并且，所述自动控制装置与所述调节阀的控制端电气连接，所述自动控制装置记录有预设的氮氧化物目标值SAT；
所述的氮氧化物浓度自动控制方法包括：
步骤S1、调节所述调节阀的开度，使得所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度保持稳定后，进入步骤S2；
步骤S2、控制所述自动控制装置进入自动控制模式；
所述自动控制装置在自动控制模式下，每隔时间间隔△T按以下步骤S2.1至步骤S2.4执行一次对所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度的控制：
步骤S2.1、读取当前时刻的所述燃烧区温度t、氮氧化物浓度ATk和尿素溶液流量FTk，其中，所述当前时刻即为所述自动控制装置执行第k次氮氧化物浓度控制的开始时刻，k取值为正整数；
步骤S2.2、按照以下公式一至公式三计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量Uk：
ek＝ATk-SAT 【公式一】
△Uk＝Kp(1+1/Ti+Td)ek-Kp(1+2*Td)ek-1+Kp*Td*ek-2 【公式二】
Uk＝Uk-1+△Uk 【公式三】
式中，ek、ek-1和ek-2依次为第k次、第k-1次和第k-2次氮氧化物浓度控制开始时刻的氮氧化物浓度偏差，ek-1和ek-2在k取值为1时即依次为e0和e-1，e0＝e-1＝0；△Uk为主PID调节器的输出增量即修正前尿素溶液流量增量，Kp为主PID调节器的比例系数，Ti为主PID调节器的积分时间常数，Td为主PID调节器的微分时间常数；Uk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量，Uk-1在k取值为1时即为U0，U0＝0；
步骤S2.3、按照以下公式四至公式五计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正后尿素溶液目标流量Sk：
f(t)＝C1+C2*t 【公式四】
Sk＝Uk+f(t) 【公式五】
式中，f(t)为尿素流量温度补偿值，C1和C2为以所述锅炉的燃烧区温度及其所对应氮氧化物浓度的最优尿素流量投放量分别作为自变量和因变量进行一元线性回归分析得到的常数项；
步骤S2.4、调节所述调节阀的开度，使得所述调节阀输出尿素溶液的流量达到所述修正后尿素溶液目标流量Sk。
其中，在所述步骤S2.2中，所述主PID调节器的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的取值均由PID参数实验整定法根据脱销系统在所述当前时刻的工况计算得到，其中，所述比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td在所述PID参数实验整定法中的初始值分别取值为200、60秒和60秒。
其中，在所述步骤S2.3中，所述常数项C1和常数项C2的获取方法为：在所述自动控制装置进入自动控制模式前，首先，控制所述锅炉的总风量不变、并控制所述锅炉的负荷接近于额定负荷的60％；然后，通过调节所述锅炉的给煤量和反料量，使得所述锅炉分别稳定的工作在五个以上不同的燃烧区温度下，测得所述锅炉在每个燃烧区温度下其所排出烟气中的氮氧化物浓度，并将测得的氮氧化物浓度折算成相应的最优尿素流量投放量；最后，对所述锅炉所稳定在的各个燃烧区温度及其对应的最优尿素流量投放量进行一元线性回归分析，计算出所述由所述燃烧区温度作为自变量并由所述最优尿素流量投放量作为因变量的一元线性方程的两个常数项，该两个一元线性方程的常数项即为所述常数项C1和常数项C2；其中，所述氮氧化物浓度与最优尿素流量投放量的折算比例为1mg/Nm3的氮氧化物浓度折算为2.2kg/h的最优尿素流量投放量，最优尿素流量投放量以饱和尿素溶液的流量计算。
作为本发明的进一步改进：所述的步骤S2.4中，调节所述调节阀的开度的方法包括：
步骤S2.4.1、按照以下公式六至公式八计算出第k次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度Yk：
fk＝Sk-FTk 【公式六】
△Yk＝K’p(1+1/T’i)fk-K’p*fk-1 【公式七】
Yk＝Yk-1+△Yk 【公式八】
式中，fk和fk-1依次为第k次和第k-1次氮氧化物浓度控制开始时刻的尿素溶液流量偏差，fk-1在k取值为1时为f0，f0＝0；△Yk为副PID调节器的输出增量即阀门目标开度增量，K’p为副PID调节器的比例系数，T’i为副PID调节器的积分时间常数；Yk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度，Yk-1在k取值为1时即为Y0，Y0取值为所述调节阀在所述自动控制装置进入自动控制模式时的开度；
步骤S2.4.2、将所述调节阀的开度调节为所述阀门目标开度Yk。
其中，所述的步骤S2.4.1中，所述副PID调节器的比例系数K’p和积分时间常数T’i的取值均由PID参数实验整定法根据脱销系统在所述当前时刻的工况计算得到，其中，所述比例系数K’p和积分时间常数T’i在所述PID参数实验整定法中的初始值分别取值为200和60秒。
作为本发明的进一步改进：所述自动控制装置在自动控制模式下，所述自动控制装置自动检查所述氮氧化物浓度测量装置对所述当前时刻的氮氧化物浓度ATk的测量是否存在故障、所述流量表对所述当前时刻的尿素溶液流量FTk的测量是否存在故障、所述氮氧化物浓度偏差ek是否大于预设的氮氧化物浓度最大偏差值、所述尿素溶液流量偏差fk是否大于预设的尿素溶液流量最大偏差值，并且，所述自动控制装置在任意一项所述检查的检查结果为是时控制所述自动控制装置退出所述自动控制模式、保持所述调节阀在自动控制装置退出自动控制模式时的开度，且所述自动控制装置发出声光报警，以提醒操作人员对所述调节阀的开度进行手动调节。
其中，所述的步骤S1中，判断所述氮氧化物浓度保持稳定的方法为：所述氮氧化物浓度的波动在15分钟之内小于15mg/Nm3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明采用锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度为主调，并使用锅炉燃烧区温度与最优尿素流量投放量的关系作为补偿，以精确控制尿素溶液的实时投放量，因此，本发明实现了对脱硝系统排出烟气中的氮氧化物浓度的自动控制，能够确保氮氧化物浓度稳定于操作人员预设的氮氧化物目标值SAT附近且确保氨态氮不超标，同时节约了自动控制过程中尿素溶液的投放量。
第二，本发明进一步采用尿素溶液流量为副调，以精确控制阀门目标开度Yk，从而进一步提高了尿素溶液的实时投放量的精确度，实现了氮氧化物浓度串级控制技术。
第三，本发明通过采用自动控制装置进行自动检查，提高了本氮氧化物浓度自动控制方法的安全性；
第四，经试验：相比于常规的氮氧化物浓度控制方法，采用本发明后的脱销系统出口氮氧化物浓度波动由大于±100mg/Nm3稳定为小于±15mg/Nm3，同时尿素的投加量节约了50％。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的脱硝系统的系统框图；
图中，AC表示主PID控制器，FC表示副PID控制器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的氮氧化物浓度自动控制方法，其所适用的脱硝系统设有尿素溶液供给系统、调节阀FV、锅炉、流量表、温度测量装置、氮氧化物浓度测量装置和自动控制装置。其中，尿素溶液供给系统输出的尿素溶液通过调节阀FV输入锅炉，流量表能够实时测量调节阀FV输出的尿素溶液流量，温度测量装置能够实时测量锅炉的燃烧区温度，氮氧化物浓度测量装置能够实时测量锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度，自动控制装置分别实时读取到流量表、温度测量装置和氮氧化物浓度测量装置测量到的数据并实时获得调节阀FV的当前开度，并且，自动控制装置与调节阀FV的控制端电气连接，自动控制装置记录有操作人员预设的氮氧化物目标值SAT。
本发明的氮氧化物浓度自动控制方法包括：
步骤S1、调节调节阀FV的开度，使得锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度保持稳定后，进入步骤S2；其中，判断氮氧化物浓度保持稳定的方法为：氮氧化物浓度的波动在15分钟之内小于15mg/Nm3，或者，氮氧化物浓度的历史趋势显示呈水平波动状曲线。
步骤S2、控制自动控制装置进入自动控制模式。
上述自动控制装置在自动控制模式下，每隔时间间隔△T按以下步骤S2.1至步骤S2.4执行一次对锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度的控制：
步骤S2.1、读取当前时刻的燃烧区温度t、氮氧化物浓度ATk和尿素溶液流量FTk，其中，当前时刻即为自动控制装置执行第k次氮氧化物浓度控制的开始时刻，k取值为正整数。
步骤S2.2、按照以下公式一至公式三计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量Uk：
ek＝ATk-SAT 【公式一】
△Uk＝Kp(1+1/Ti+Td)ek-Kp(1+2*Td)ek-1+Kp*Td*ek-2 【公式二】
Uk＝Uk-1+△Uk 【公式三】
式中，ek、ek-1和ek-2依次为第k次、第k-1次和第k-2次氮氧化物浓度控制开始时刻的氮氧化物浓度偏差，ek-1和ek-2在k取值为1时即依次为e0和e-1，e0＝e-1＝0；△Uk为主PID调节器的输出增量即修正前尿素溶液流量增量，Kp为主PID调节器的比例系数，Ti为主PID调节器的积分时间常数，Td为主PID调节器的微分时间常数；Uk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量，Uk-1在k取值为1时即为U0，U0＝0。
其中，上述主PID调节器的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的取值均由常规的PID参数实验整定法根据脱销系统在当前时刻的工况计算得到，其中，比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td在PID参数实验整定法中的初始值分别取值为200、60秒和60秒；该常规的PID参数实验整定法见于《热工过程自动控制》(书号为：ISBN:7-302-04074-5/TB.28)中，并优选采用该书115页中记载的临界比例带法和衰减曲线法。
步骤S2.3、按照以下公式四至公式五计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正后尿素溶液目标流量Sk：
f(t)＝C1+C2*t 【公式四】
Sk＝Uk+f(t) 【公式五】
式中，f(t)为尿素流量温度补偿值，C1和C2为以锅炉的燃烧区温度及其所对应氮氧化物浓度的最优尿素流量投放量分别作为自变量和因变量进行一元线性回归分析得到的常数项。
其中，上述常数项C1和常数项C2的获取方法为：在自动控制装置进入自动控制模式前，首先，控制锅炉的总风量不变、并控制锅炉的负荷接近于额定负荷的60％；然后，通过调节锅炉的给煤量和反料量，使得锅炉分别稳定的工作在五个以上不同的燃烧区温度下，测得锅炉在每个燃烧区温度下其所排出烟气中的氮氧化物浓度，并将测得的氮氧化物浓度折算成相应的最优尿素流量投放量；最后，对锅炉所稳定在的各个燃烧区温度及其对应的最优尿素流量投放量进行一元线性回归分析，计算出由燃烧区温度作为自变量并由最优尿素流量投放量作为因变量的一元线性方程的两个常数项，该两个一元线性方程的常数项即为常数项C1和常数项C2；其中，氮氧化物浓度与最优尿素流量投放量的折算比例为1mg/Nm3的氮氧化物浓度折算为2.2kg/h的最优尿素流量投放量，最优尿素流量投放量以饱和尿素溶液的流量计算。
步骤S2.4、调节调节阀FV的开度，使得调节阀FV输出尿素溶液的流量达到修正后尿素溶液目标流量Sk；该调节调节阀FV的开度的方法包括：
步骤S2.4.1、按照以下公式六至公式八计算出第k次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度Yk：
fk＝Sk-FTk 【公式六】
△Yk＝K’p(1+1/T’i)fk-K’p*fk-1 【公式七】
Yk＝Yk-1+△Yk 【公式八】
式中，fk和fk-1依次为第k次和第k-1次氮氧化物浓度控制开始时刻的尿素溶液流量偏差，fk-1在k取值为1时为f0，f0＝0；△Yk为副PID调节器的输出增量即阀门目标开度增量，K’p为副PID调节器的比例系数，T’i为副PID调节器的积分时间常数；Yk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度，Yk-1在k取值为1时即为Y0，Y0取值为调节阀FV在自动控制装置进入自动控制模式时的开度。
其中，上述副PID调节器的比例系数K’p和积分时间常数T’i的取值均由常规的PID参数实验整定法根据脱销系统在当前时刻的工况计算得到，其中，比例系数K’p和积分时间常数T’i在PID参数整定方法中的初始值分别取值为200和60秒；该常规的PID参数实验整定法见于《热工过程自动控制》(书号为：ISBN:7-302-04074-5/TB.28)中，并优选采用该书115页中记载的临界比例带法和衰减曲线法。
步骤S2.4.2、将调节阀FV的开度调节为阀门目标开度Yk。
另外，上述自动控制装置在自动控制模式下，自动控制装置自动检查氮氧化物浓度测量装置对当前时刻的氮氧化物浓度ATk的测量是否存在故障、流量表对当前时刻的尿素溶液流量FTk的测量是否存在故障、氮氧化物浓度偏差ek是否大于预设的氮氧化物浓度最大偏差值、尿素溶液流量偏差fk是否大于预设的尿素溶液流量最大偏差值，并且，自动控制装置在任意一项检查的检查结果为是时控制自动控制装置退出自动控制模式、保持调节阀FV在自动控制装置退出自动控制模式时的开度，且自动控制装置发出声光报警，以提醒操作人员对调节阀FV的开度进行手动调节。
茂名石化公司热电分部动力一车间在2015年2月对本发明的氮氧化物浓度自动控制方法进行了测试，经试验：相比于常规的氮氧化物浓度控制方法，采用本发明后的脱硝系统出口的氮氧化物浓度波动由大于±100mg/Nm3稳定为小于±15mg/Nm3，同时尿素的投加量节约了50％。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种脱硝系统的氮氧化物浓度自动控制方法，所述的脱硝系统设有尿素溶液供给系统、调节阀（FV）和锅炉，所述尿素溶液供给系统输出的尿素溶液通过所述调节阀（FV）输入所述锅炉，其特征在于：所述的脱硝系统还设有流量表、温度测量装置、氮氧化物浓度测量装置和自动控制装置，其中，所述流量表能够实时测量所述调节阀（FV）输出的尿素溶液流量，所述温度测量装置能够实时测量所述锅炉的燃烧区温度，所述氮氧化物浓度测量装置能够实时测量所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度，所述自动控制装置分别实时读取到所述流量表、温度测量装置和氮氧化物浓度测量装置测量到的数据并实时获得所述调节阀（FV）的当前开度，并且，所述自动控制装置与所述调节阀（FV）的控制端电气连接，所述自动控制装置记录有预设的氮氧化物目标值SAT；
所述的氮氧化物浓度自动控制方法包括：
步骤S1、调节所述调节阀（FV）的开度，使得所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度保持稳定后，进入步骤S2；
步骤S2、控制所述自动控制装置进入自动控制模式；
所述自动控制装置在自动控制模式下，每隔时间间隔△T按以下步骤S2.1至步骤S2.4执行一次对所述锅炉排出烟气中的氮氧化物浓度的控制：
步骤S2.1、读取当前时刻的所述燃烧区温度t、氮氧化物浓度ATk和尿素溶液流量FTk，其中，所述当前时刻即为所述自动控制装置执行第k次氮氧化物浓度控制的开始时刻，k取值为正整数；
步骤S2.2、按照以下公式一至公式三计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量Uk：
ek=ATk-SAT 【公式一】
△Uk=Kp(1+1/Ti+Td)ek-Kp(1+2*Td)ek-1+Kp*Td*ek-2 【公式二】
Uk=Uk-1+△Uk 【公式三】
式中，ek、ek-1和ek-2依次为第k次、第k-1次和第k-2次氮氧化物浓度控制开始时刻的氮氧化物浓度偏差，ek-1和ek-2在k取值为1时即依次为e0和e-1，e0=e-1=0；△Uk为主PID调节器的输出增量即修正前尿素溶液流量增量，Kp为主PID调节器的比例系数，Ti为主PID调节器的积分时间常数，Td为主PID调节器的微分时间常数；Uk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的修正前尿素溶液目标流量，Uk-1在k取值为1时即为U0，U0=0；
步骤S2.3、按照以下公式四至公式五计算出第k次氮氧化物浓度控制的修正后尿素溶液目标流量Sk：
f(t)=C1 +C2*t 【公式四】
Sk=Uk+f(t) 【公式五】
式中，f(t)为尿素流量温度补偿值，C1和C2为以所述锅炉的燃烧区温度及其所对应氮氧化物浓度的最优尿素流量投放量分别作为自变量和因变量进行一元线性回归分析得到的常数项；
且，常数项C1和常数项C2的获取方法为：在所述自动控制装置进入自动控制模式前，首先，控制所述锅炉的总风量不变、并控制所述锅炉的负荷接近于额定负荷的60%；然后，通过调节所述锅炉的给煤量和反料量，使得所述锅炉分别稳定的工作在五个以上不同的燃烧区温度下，测得所述锅炉在每个燃烧区温度下其所排出烟气中的氮氧化物浓度，并将测得的氮氧化物浓度折算成相应的最优尿素流量投放量；最后，对所述锅炉所稳定在的各个燃烧区温度及其对应的最优尿素流量投放量进行一元线性回归分析，计算出由所述燃烧区温度作为自变量并由所述最优尿素流量投放量作为因变量的一元线性方程的两个常数项，该两个一元线性方程的常数项即为所述常数项C1和常数项C2；其中，氮氧化物浓度与最优尿素流量投放量的折算比例为1mg/Nm3的氮氧化物浓度折算为2.2kg/h的最优尿素流量投放量，最优尿素流量投放量以饱和尿素溶液的流量计算；
步骤S2.4、调节所述调节阀（FV）的开度，使得所述调节阀（FV）输出尿素溶液的流量达到所述修正后尿素溶液目标流量Sk。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物浓度自动控制方法，其特征在于：在所述步骤S2.2中，所述主PID调节器的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的取值均由PID参数实验整定法根据脱销系统在所述当前时刻的工况计算得到，其中，所述比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td在所述PID参数实验整定法中的初始值分别取值为200、60秒和60秒。
3.根据权利要求1或2所述的氮氧化物浓度自动控制方法，其特征在于：所述的步骤S2.4中，调节所述调节阀（FV）的开度的方法包括：
步骤S2.4.1、按照以下公式六至公式八计算出第k次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度Yk：
fk=Sk-FTk 【公式六】
△Yk=K’p(1+1/T’i)fk-K’p*fk-1 【公式七】
Yk=Yk-1+△Yk 【公式八】
式中，fk和fk-1依次为第k次和第k-1次氮氧化物浓度控制开始时刻的尿素溶液流量偏差，fk-1在k取值为1时为f0，f0=0；△Yk为副PID调节器的输出增量即阀门目标开度增量，K’p为副PID调节器的比例系数，T’i为副PID调节器的积分时间常数；Yk-1为第k-1次氮氧化物浓度控制的阀门目标开度，Yk-1在k取值为1时即为Y0，Y0取值为所述调节阀（FV）在所述自动控制装置进入自动控制模式时的开度；
步骤S2.4.2、将所述调节阀（FV）的开度调节为所述阀门目标开度Yk。
4.根据权利要求3所述的氮氧化物浓度自动控制方法，其特征在于：所述的步骤S2.4.1中，所述副PID调节器的比例系数K’p和积分时间常数T’i的取值均由PID参数实验整定法根据脱销系统在所述当前时刻的工况计算得到，其中，所述比例系数K’p和积分时间常数T’i在所述PID参数实验整定法中的初始值分别取值为200和60秒。
5.根据权利要求4所述的氮氧化物浓度自动控制方法，其特征在于：所述自动控制装置在自动控制模式下，所述自动控制装置自动检查所述氮氧化物浓度测量装置对所述当前时刻的氮氧化物浓度ATk的测量是否存在故障、所述流量表对所述当前时刻的尿素溶液流量FTk的测量是否存在故障、所述氮氧化物浓度偏差ek是否大于预设的氮氧化物浓度最大偏差值、所述尿素溶液流量偏差fk是否大于预设的尿素溶液流量最大偏差值，并且，所述自动控制装置在任意一项所述检查的检查结果为是时控制所述自动控制装置退出所述自动控制模式、保持所述调节阀（FV）在自动控制装置退出自动控制模式时的开度，且所述自动控制装置发出声光报警，以提醒操作人员对所述调节阀（FV）的开度进行手动调节。
6.根据权利要求5所述的氮氧化物浓度自动控制方法，其特征在于：所述的步骤S1中，判断所述氮氧化物浓度保持稳定的方法为：所述氮氧化物浓度的波动在15分钟之内小于15mg/Nm3。
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