煙氣脫硝控制系統(tǒng)研究分析

谷俊杰，賈明印, 海熱提

（1. 中國大唐集團科技工程有限公司, 北京 100097； 2. 北京化工大學， 北京 100029）

在我國一次能源和發(fā)電能源構成中，燃煤占據(jù)了主導地位，在已探明的一次能源儲備中，煤炭仍是主要能源。燃煤在工業(yè)領域的應用，在給國民經濟帶來大力發(fā)展的同時，也造成了嚴重的環(huán)境污染，有效控制煤燃燒產生的大氣污染物是現(xiàn)階段我們進行環(huán)境保護的主要目標。目前新建大型燃煤機組都同期設計有煙氣脫硝系統(tǒng)[1]。以前的老機組由于對環(huán)境保護關注不夠，未設置脫硝裝置，隨著國家對環(huán)保的日益重視，有必要對原有的發(fā)電機組進行污染物的排放控制，達到國家環(huán)保要求，因此需對原有火電廠機組增加脫硝裝置，其脫硝控制系統(tǒng)要根據(jù)具體電廠及具體機組的情況進行設計。

控制技術隨著時代的發(fā)展而不斷發(fā)展，目前脫硝系統(tǒng)存在有幾種不同的控制方案，選用何種控制方案是需要我們設計人員在設計階段進行認真考慮的。選用的控制方案，既要保證控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，又要考慮運行人員的操作方便。本文從實際出發(fā)簡單介紹了脫硝系統(tǒng)建設現(xiàn)狀，介紹了目前幾種常用的控制方案各自的特點，為今后設計人員進行控制方案選擇時提供一些參考。

1 火電廠脫硝控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

通常脫硝工藝系統(tǒng)包含兩方面：脫硝SCR區(qū)部分和脫硝還原劑制備區(qū)部分。SCR區(qū)通常布置在鍋爐省煤器和空氣預熱器之間；脫硝還原劑制備區(qū)通常布置在廠區(qū)內，距離主機集控樓距離較遠[2]。

根據(jù)燃煤電廠運行特點和脫硝系統(tǒng)與鍋爐的關系，通常有以下幾種控制方式。

1.1 控制方式一

脫硝SCR區(qū)控制設備納入機組DCS系統(tǒng)，控制站布置于主機機組電子設備間內，還原劑制備區(qū)采用DCS遠程站或DCS遠程IO站，布置于還原劑制備區(qū)就地控制設備間內，通過冗余網絡連接至主機兩臺機組DCS公用網絡中。

該控制方式的主要特點是：（1）該控制方式可實現(xiàn)無需新增 DCS操作員站，直接利用主機 DCS操作員站對整個脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。（2）脫硝系統(tǒng)對應性強，機組之間互相獨立。（3）還原劑制備區(qū)作為兩爐公用接入主機DCS公用網絡中，網絡結構清晰。（4）脫硝系統(tǒng)運行與鍋爐關系更緊密。（5）脫硝控制系統(tǒng)需與主機DCS需保持完全一致，實施起來較為困難。（6）脫硝DCS與主機DCS要實現(xiàn)無縫連接，實施起來存在一定風險[3]。

1.2 控制方式二

脫硝SCR區(qū)控制設備仍納入機組DCS系統(tǒng)，控制站布置于主機機組電子設備間內。還原劑制備區(qū)采用采用以PLC加上位機的控制方式，設置一套完整的PLC控制系統(tǒng)。控制盤柜布置在脫硝還原劑儲存和制備區(qū)電子設備間內,運行人員通過 PLC上位機對被控對象及工藝參數(shù)進行控制和監(jiān)視。同時，脫硝劑制備區(qū)域控制系統(tǒng)與全廠輔控網設有冗余雙向通訊接口，運行人員也可通過輔控網對還原劑儲存和制備系統(tǒng)被控對象及工藝參數(shù)進行控制和監(jiān)視，最終實現(xiàn)遠方控制，就地無人值班。

該控制方式的主要特點是：（1）還原劑制備區(qū)設置就地操作員站，操起更方便快捷。（2）還原劑制備區(qū)相對獨立，接入輔控網，方便電廠對輔助系統(tǒng)的集中控制。（3）脫硝SCR區(qū)控制系統(tǒng)需與主機DCS需保持完全一致，脫硝還原劑制備區(qū)PLC控制系統(tǒng)需與輔控網保持一致，實施起來較為困難。

1.3 控制方式三

脫硝控制系統(tǒng)與原主控制系統(tǒng)沒有聯(lián)系，是一個獨立的控制系統(tǒng)，設置獨立的設備間及控制室。該獨立的控制系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的要求設計為DCS、PLC、現(xiàn)場總線任意一種形式，也可以設計成三個系統(tǒng)技術的綜合控制系統(tǒng)。

該方案特點為：脫硝系統(tǒng)在運行、維護及檢修上相對獨立，與主機關聯(lián)性小，便于實際實施，但SCR平臺與主機控制系統(tǒng)脫離，系統(tǒng)劃分不清晰[4]。

三種控制系統(tǒng)各具有優(yōu)缺點，它們在許多電廠中都得到了廣泛的應用，設計人員在具體脫硝設計時可根據(jù)系統(tǒng)的運行方式；控制系統(tǒng)的資金投入；現(xiàn)場與控制室的距離等選擇最合適的控制系統(tǒng)。

2 脫硝系統(tǒng)控制策略分析

SCR脫硝裝置不管采用何種控制系統(tǒng)，其目標是在保證脫硝效率的前提下，使氨逃逸量最小、催化劑的壽命最長、對空預器的腐蝕最小。因此采用合理的控制策略就成為 SCR系統(tǒng)提高可用率的關鍵，脫硝系統(tǒng)主要控制下面這三個方面：保證適當?shù)姆磻獪囟?、保證適當?shù)腘H3的噴入量、保持催化劑具有一定的活性。其中控制合適的NH3輸入量又是其中的重中之重。

最常用的 SCR反應器氨氣噴射量控制系統(tǒng)是依賴于一個簡單的前饋環(huán)（帶反饋調整），這個前饋環(huán)的基礎是煙道NOX排放量和隨負荷而變的NOX所需氨注入量的實驗曲線。即加氨量由催化劑上游NOX濃度和煙氣量所給出的正向信息控制，SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算出的氨需求信號去定位氨氣流量調節(jié)閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制，通過在不同負荷下的對氨氣流的調整，找到最佳的噴氨點。同時將SCR后實際氨氣流量值和計算出的氨氣流值進行比較，用反饋信號來修正噴氨量。SCR反應器氨氣噴射量控制原理圖如圖1所示。

圖1 SCR反應器氨氣噴射量控制原理圖Fig.1 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by SCR reactor

此種控制方案控制系統(tǒng)利用固定NH3/NOX摩爾比來提供所需要的氨氣流量，一旦脫硝效率確定，則 NH3/NOX摩爾比通過實驗曲線即可得知，進口NOX濃度和煙氣流量的乘積產生NOX流量信號，此信號乘上所需NH3/NOX摩爾比就是基本氨氣流量信號。脫硝效率控制在設定值，當實測進出口NOX濃度通過計算未達到設定值，而且其他條件沒有達到限定值時，控制系統(tǒng)就會給氣氨調節(jié)閥信號開大閥門。當進出口NOX濃度通過計算達到設定值，而且其他條件沒有達到限定值時，控制系統(tǒng)就會給氣氨調節(jié)閥信號關小閥門。

采用此種控制方案需要保證入口NOX值在較小范圍內波動，否則容易引起脫硝效率的劇烈震蕩，鍋爐的燃燒溫度在1 200 ℃左右，在這個溫度下正是產生NOX的最敏感區(qū)域，NOX的波動是比較大的，因此此種控制方案的穩(wěn)定性不高。而且如果入口NOX濃度超過設計值，則控制系統(tǒng)會給氣氨調節(jié)閥開大閥門的信號，而實際參與反應的NH3小于供給的NH3,這樣就造成反應器出口大量的氨逃逸。

而另一種經過改進的控制方案是控制反應器出口NOX排放濃度，通過操作人員首先給定一個SCR反應器出口NOX值，將SCR反應器出口設定NOX值帶入公式計算得到設定脫硝效率，則設定NH3/NOX摩爾比通過實驗曲線即可得知，此信號乘上入口NOX流量信號就是基本氨氣流量信號，根據(jù)計算出的氨氣流量信號去定位氨氣流量調節(jié)閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制。改進后的SCR反應器氨氣噴射量控制原理圖如圖2所示。

圖2 改進的SCR反應器氨氣噴射量控制原理圖Fig.2 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by the improved SCR reactor

此外，為了實現(xiàn)更為高效的控制，另外一種對控制系統(tǒng)的改進是利用基于人工智能、自適應神經網絡、先進的控制和優(yōu)化技術的優(yōu)化程序組。這一改進的出發(fā)點是基于NOX排放量是個多個變量的函數(shù)，其中包括鍋爐爐型、燃燒溫度、燃料的化學成分、低氮燃燒控制方式的設計和運行、煤/空氣分配、煙氣含氧量、煤粉的顆粒尺寸等等，所有這些因素都對NOX的形成有影響。而來自煙道的NOX信號和分析指令延遲往往使氨注入量不夠準確，這就導致控制性能變壞，其結果是造成NOX脫除率下降或氨的逃逸增加。而高的氨用量增加了硫酸銨和硫酸氫銨的生成，它們在催化劑上的沉積又減少了催化劑的壽命和空氣預熱器效率下降等一系列問題。神經網絡是一個通用的函數(shù)逼近器，用它可以表示任何物理模型，而這些物理模型可以很容易地由試驗數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)或者將二者相結合來得到。這就使得人們能夠兼顧多個目標，比如既減少NOX排放又改進鍋爐的熱耗率等，而與此同時仍可保持電廠的其它參數(shù)如蒸汽溫度、CO等在所希望的范圍之內。在閉環(huán)監(jiān)控模式下，通過測量關鍵的過程參數(shù)，由軟件優(yōu)化系統(tǒng)中各裝置的性能或達到它所希望的目標。運用這樣的軟件組可以使熱力系統(tǒng)和SCR的性能獲得整體提升。系統(tǒng)設置到動態(tài)地調節(jié)最佳偏離或基于當前裝置運行條件和所希望目標的設置點。

3 結 論

在火電機組排放的多種大氣污染物中，氮氧化物是最近 30多年來受到世界極大關注的一種污染物。氮氧化物的排放對人體的致毒作用、對植物的損害以及在酸雨和光化學煙霧的形成、對臭氧層的破壞中所起的作用已經得到了科學的證明。隨著今后電力工業(yè)的發(fā)展，國家會對NOX的排放進行越來越嚴格的限制，今后國家必然要求像脫硫一樣新上機組必須同期建設煙氣脫硝裝置，當前我們就要先做好技術上的準備。

本文針對目前常用的脫硝控制系統(tǒng)及控制策略進行了簡單分析，以供設計人員在進行脫硝設計時進行參考，選擇合適的脫硝控制方案，保證脫硝控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和運行人員的操作方便。

［1］ 張強. 燃煤電站 SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2007: 36.

［2］ 孫克勤,華玉龍. 火電廠SCR煙氣脫硝工藝及其工程應用[C].全國電力行業(yè)脫硫脫硝技術協(xié)作網暨技術研討會論文集, 2006-02.

［3］ 段傳和,夏懷祥,等.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術[M].北京:中國電力出版社, 2009-04.

［4］劉剛.火電廠脫硫脫硝改造控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2006(1):61-62.