提高脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的實(shí)踐及建議

沈 靖，徐偉鳴，盧常璘

（上海電力股份有限公司吳涇熱電廠，上海 200241）

我廠8號(hào)機(jī)和9號(hào)機(jī)的脫硝系統(tǒng)采用氨氣脫硝方式。由于氨氣和空氣在一定混合比下會(huì)發(fā)生爆炸，而且長(zhǎng)期積累在管道內(nèi)的剩余氨氣容易腐蝕管道，因此如何在達(dá)到國(guó)家對(duì)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，合理、自動(dòng)地投入氨氣的使用量，是電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行急需解決的一大問(wèn)題。

1 脫硝系統(tǒng)概況

1）脫硝系統(tǒng) 采用選擇性催化還原法（SCR）高溫、高塵布置，即SCR反應(yīng)器布置在省煤器的下方，空氣預(yù)熱器與除塵器裝置的上方，煙氣溫度約為350℃。通過(guò)噴射氨水和空氣，用蜂窩式催化劑使NOx轉(zhuǎn)化為N2和水蒸氣。

2）控制系統(tǒng) 采用EMERSON公司的OVATION系統(tǒng)進(jìn)行全程控制。在脫硝系統(tǒng)的進(jìn)出口，采用U23多組分紅外在線分析儀實(shí)時(shí)分析煙氣中的NOx及O2含量。當(dāng)發(fā)生以下任一種情況，都將快速關(guān)閉氨氣閥門(mén)停止脫硝。①脫硝入口煙溫小于320℃或者大于420℃；②稀釋風(fēng)機(jī)停機(jī)；③稀釋空氣管道的出口氣動(dòng)蝶閥關(guān)閉；④氨氣和空氣的稀釋比例大于8%；⑤氨氣流量或稀釋空氣流量為壞值。

3）控制方式 ①采用脫硝效率為定值控制方式，將SCR反應(yīng)器入口的NOx濃度乘以煙氣流量得到NOx信號(hào)，再將該信號(hào)乘以所需NH3／NOx摩爾比得到基本氨氣流量。將該信號(hào)作為給定值，送入PID控制器與實(shí)測(cè)氨氣的流量信號(hào)比較，由PID控制器運(yùn)算后發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，控制SCR入口氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度用以調(diào)節(jié)氨氣流量。②采用出口NOx濃度為定值控制方式，根據(jù)入口NOx實(shí)際測(cè)量值以及出口NOx設(shè)定值計(jì)算出預(yù)脫硝效率和預(yù)置摩爾比。出口NOx實(shí)際測(cè)量值與出口NOx設(shè)定值進(jìn)行比較后通過(guò)PID調(diào)節(jié)器的輸出作為修正，最終確定控制系數(shù)當(dāng)前需要的摩爾比值。摩爾比控制器輸出的摩爾比信號(hào)作為固定摩爾比控制回路中摩爾比設(shè)定值，控制氨的噴射，從而有效地控制脫銷(xiāo)系統(tǒng)，保證出口NOx穩(wěn)定在設(shè)定值上。

根據(jù)國(guó)家頒布的“當(dāng)反應(yīng)器入口NOx含量小于等于1000mg／m3時(shí)，以出口NOx濃度為定值控制方式所投入使用的氨氣量小于以脫硝效率為定值控制方式所投入使用的氨氣量的”GB 13223—2003規(guī)定，我廠脫硝系統(tǒng)采用以出口NOx濃度為定值的控制方式運(yùn)行，并將反應(yīng)器入口NOx含量設(shè)定為0～1000mg／m3。

2 提高脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的措施

在脫硝系統(tǒng)中能否準(zhǔn)確測(cè)量氨氣流量是整個(gè)脫硝控制的關(guān)鍵。由于氨氣容易被水吸附，也容易與酸反應(yīng)，特別在熱濕條件下，如果未反應(yīng)的剩余氨氣較多，可能會(huì)產(chǎn)生NH4NO3，NH4CL，（NH4）2SO4，NH4HSO3和（NH4）2SO3，在煙氣中加劇取樣管路的堵塞。反之，投入氨氣過(guò)少會(huì)降低脫硝效率，無(wú)法達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行梳理，做了相應(yīng)的改進(jìn)。

2.1 改用手動(dòng)調(diào)節(jié)及更換U形管差壓表

我廠脫硝系統(tǒng)噴氨格柵上共設(shè)18個(gè)氨氣測(cè)量點(diǎn)，AB兩側(cè)各9個(gè)測(cè)點(diǎn)，原先使用量程為±100U形管差壓計(jì)對(duì)氨氣進(jìn)行測(cè)量。使用后發(fā)現(xiàn)三大問(wèn)題：①由于氨氣容易液化，當(dāng)噴氨格柵的氨氣壓差大于U形管差壓量程時(shí)，造成U形管內(nèi)水柱倒灌入噴氨格柵內(nèi)，不能反映氨氣的實(shí)際流量。②由于氨氣容易被水吸附，造成液氨濃度下降，脫硝率也跟隨下降。③由于氨氣泄漏、天氣潮濕、工作環(huán)境惡劣等原因，造成U形管差壓計(jì)塑料管破損、刻度模糊，對(duì)調(diào)節(jié)氨氣流量造成困擾。為此，改用手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量每根噴氨格柵內(nèi)的氨氣，用以獲取均勻、準(zhǔn)確的氨氮摩爾比分布，并將18只U形管差壓計(jì)全部換成讀數(shù)清晰的不銹鋼外殼差壓表。

2.2 優(yōu)化儀表管路及減少轉(zhuǎn)換接頭

我廠氨氣流量的取樣點(diǎn)與變送器間的距離長(zhǎng)達(dá)15m，中間轉(zhuǎn)換接頭多達(dá)8個(gè)，容易發(fā)生氨氣泄漏，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。為此，對(duì)氨氣流量變送器的儀表管路進(jìn)行優(yōu)化改造，減少4個(gè)中間轉(zhuǎn)換接頭，保障了脫硝系統(tǒng)管路的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.3 調(diào)整控制參數(shù)

2.3.1 控制信號(hào)流程

我廠脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制如圖1所示。

圖1 氨氣流量控制原理

由于煙氣污染物濃度給定的狀態(tài)是標(biāo)態(tài)、干基、6%氧量，而煙氣給定的狀態(tài)是標(biāo)態(tài)、濕基、實(shí)際氧量，因此在實(shí)際估算時(shí)要按煙氣污染物含6%氧量等于15×煙氣含實(shí)際氧量／（21－實(shí)際氧量）進(jìn)行計(jì)算。由圖1及上述算法，可以看出：影響出口NOx濃度的主要參數(shù)是入口NOx值、入口O2值和PID參數(shù)值。

我廠在脫硝系統(tǒng)的進(jìn)出口處，采用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的U23多組分紅外在線分析儀，分析煙氣中的NOx或者O2含量。為了保證在取樣過(guò)程中氣體不結(jié)露，采用反吹方式，通過(guò)定時(shí)切換兩通球閥清除過(guò)濾器上的積灰，切換周期為45 min。

2.3.2 選擇整定方式

考慮到脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性，對(duì)影響氨氣流量的PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，整定方式有兩種。

1）選擇PI參與調(diào)節(jié) 由于被控對(duì)象是氨氣流量，具有時(shí)間常數(shù)小和擾動(dòng)等特點(diǎn)，選擇比例積分調(diào)節(jié)器（PI）來(lái)參與調(diào)節(jié)。

2）采用先比例后積分 在參考了以上控制參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響后，對(duì)控制參數(shù)實(shí)行先比例后積分的整定步驟，其整定流程如圖2所示。

2.3.3 確定控制參數(shù)

查看2010年4月28日脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度曲線（圖3），從中可以看出兩個(gè)問(wèn)題：①出口NOx濃度實(shí)際值要達(dá)到設(shè)定值，需要花費(fèi)50min去平衡；②在設(shè)定值恒定的情況下，出口NOx濃度實(shí)際值波動(dòng)幅度最大可達(dá)150mg／m3。

圖2 實(shí)行先比例后積分的整定流程

查看2010年8月19日脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度曲線（圖4），從中可以看到：原先需要花費(fèi)50 min去接近設(shè)定值進(jìn)行平衡，現(xiàn)在只要4min。主要是經(jīng)過(guò)多次對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和整定，最終將參數(shù)P由0.45整定為0.3；參數(shù)I由80整定為50。原先出口NOx濃度實(shí)際值波動(dòng)幅度最大可達(dá)150mg／m3，現(xiàn)在為25mg／m3，說(shuō)明重新整定后的脫硝效果十分明顯。

圖3 4月28日脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度波動(dòng)曲線

圖4 8月19日脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度波動(dòng)曲線

2.4 調(diào)整后的節(jié)能效果

重新整定PID控制參數(shù)后，脫硝系統(tǒng)氨氣流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)品質(zhì)良好，從而確保了脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、氨氣使用量的經(jīng)濟(jì)性，取得了顯著的節(jié)能效果。不同參數(shù)設(shè)置（設(shè)定值和實(shí)際值）時(shí)的氨氣使用量統(tǒng)計(jì)如表3所示；按每小時(shí)節(jié)約氨氣使用量及按300天實(shí)際脫硝運(yùn)行天數(shù)節(jié)約費(fèi)用統(tǒng)計(jì)如表4所示。由表3和表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，在重新整定脫硝參數(shù)后，脫硝的氨氣使用量明顯減少，每小時(shí)可以節(jié)約氨氣25m3，1年合計(jì)可以省約45萬(wàn)元。

表3 不同參數(shù)設(shè)置時(shí)的氨氣使用量統(tǒng)計(jì)

表4 節(jié)約氨氣使用量及費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

1）8號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)自2010年8月自動(dòng)回路參數(shù)重新整定后效果十分明顯，不但降低了氨氣使用量，而且有利于延長(zhǎng)催化劑、反應(yīng)器的使用壽命。參數(shù)重新整定后，1年可節(jié)約氨氣1.8萬(wàn)m3，折合人民幣45萬(wàn)元。

2）計(jì)劃對(duì)9號(hào)機(jī)組的脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)回路參數(shù)也進(jìn)行整定和調(diào)整。

3）自2012年1月1日起，火電廠大氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)將執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）中的相關(guān)規(guī)定。由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中對(duì)上海的火力發(fā)電廠氮氧化物（以NO2計(jì)）的排放量的要求，由原來(lái)GB 13223—2003中的200mg／m3修改為100mg／m3，為此，根據(jù)國(guó)家新頒布的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)及完善。首先，將脫硝系統(tǒng)NOx出口排放量的設(shè)定值，由180mg／m3定為90mg／m3。其次，發(fā)現(xiàn)SCR區(qū)氨氣流量變送器位于取樣點(diǎn)的下方4m處，當(dāng)氨氣環(huán)境溫度為0℃、氨氣壓力為300～400kPa時(shí)，氨氣容易液化，造成儀表管內(nèi)積水，變送器的測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，最終導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)無(wú)法投入自動(dòng)控制。為此，將該氨氣流量變送器移至取樣點(diǎn)上方，消除該缺陷。