煙氣脫硝噴氨自動(dòng)控制回路的優(yōu)化

毛奕升

(廣東粵電珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519050)

0 引言

我國(guó)目前新建的大型火力發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝項(xiàng)目大多采用選擇性催化還原法(SCR)，其原理是在催化劑作用下，還原劑NH3在290～400 ℃下將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發(fā)生NH3的氧化反應(yīng)，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。隨著GB 13223—2011《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施以及脫硝電價(jià)的落實(shí)，對(duì)脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)投運(yùn)提出了更高的要求，不僅要求及時(shí)投運(yùn)SCR，還要求精確、經(jīng)濟(jì)地控制脫硝系統(tǒng)的噴氨量。

1 優(yōu)化噴氨運(yùn)行溫度

由于機(jī)組負(fù)荷低(一般為400 MW)會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙溫度低于原設(shè)計(jì)噴氨溫度(314 ℃)，在繼續(xù)投運(yùn)脫硝時(shí)，催化劑活性呈現(xiàn)出非最佳運(yùn)行狀態(tài)，特別是在低溫時(shí)，SO3與NH3反應(yīng)生成的硫酸氫銨容易在鍋爐空氣預(yù)熱器冷端局部換熱面形成硫酸氫銨黏性物質(zhì)，該物質(zhì)會(huì)堵塞空氣預(yù)熱器換熱元件，造成空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)和空氣側(cè)進(jìn)、出口差壓升高且伴隨波動(dòng)，影響鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行安全。因而脫硝入口溫度(三取二)低于314 ℃時(shí)，噴氨關(guān)斷閥應(yīng)強(qiáng)制關(guān)閉并停止噴氨。

為爭(zhēng)取更長(zhǎng)的脫硝運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)日本巴布科克日立公司(BHK)提供的最低運(yùn)行溫度及工況對(duì)照表(見(jiàn)表1)，依據(jù)SO2質(zhì)量濃度來(lái)確定噴氨關(guān)斷閥強(qiáng)制關(guān)閉的溫度條件，在減少空氣預(yù)熱器堵塞風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

表1 SO2質(zhì)量濃度與最低噴氨溫度

2 噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

2.1 液氨蒸發(fā)自動(dòng)控制回路介紹

液氨通過(guò)蒸發(fā)槽加熱生成氨氣，液氨蒸發(fā)槽一用一備。通過(guò)蒸發(fā)槽液氨入口調(diào)節(jié)閥控制出口氣氨壓力為0.3 MPa，為單回路控制；輔助蒸汽供蒸發(fā)槽入口調(diào)節(jié)閥控制蒸發(fā)槽水溫在70 ℃左右，為單回路控制。在機(jī)組運(yùn)行期間，保持2個(gè)回路一直為自動(dòng)狀態(tài)，停止供氨時(shí)蒸發(fā)槽液氨入口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)全關(guān)。

2.2 噴氨自動(dòng)控制回路介紹

脫硝裝置的煙道及反應(yīng)器位于鍋爐省煤器后空氣預(yù)器熱前，氨噴射格柵放置在SCR 反應(yīng)器上游的位置。煙氣在鍋爐出口處被平均分成2路，每路煙氣并行進(jìn)入垂直布置的SCR反應(yīng)器，在反應(yīng)器里，煙氣向下流過(guò)催化劑層，隨后進(jìn)入空氣預(yù)熱器。其主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

(1)

(2)

煙氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO約占NOx總量的95%，NO2約占NOx總量的5%。因此，化學(xué)反應(yīng)方程式(1)被認(rèn)為是脫硝反應(yīng)的主要反應(yīng)方程式。

廣東粵電珠海金灣發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱金灣發(fā)電公司)的噴氨控制采用固定出口NOx質(zhì)量濃度控制方式，整個(gè)控制回路為NOx控制回路和噴氨流量控制回路組成帶前饋的串級(jí)控制。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以做到按需脫除NOx，克服整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量延時(shí)，改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。噴氨控制原理框圖如圖1所示。

圖1 噴氨自動(dòng)控制原理框圖

從科學(xué)儀器制造商協(xié)會(huì)(SAMA)工程組態(tài)圖(如圖2所示)中可以看出，使用A側(cè)威力巴流量計(jì)測(cè)得的煙氣質(zhì)量流量(若該測(cè)點(diǎn)故障則切換至鍋爐風(fēng)量折算值)、出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值與NOx入口質(zhì)量濃度通過(guò)F1(x)公式計(jì)算出預(yù)期供氨質(zhì)量流量作為前饋量送入主控制器PID2，該P(yáng)ID對(duì)出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值與出口NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)。PID1作為副控制器對(duì)PID2送出的需求噴氨量與噴氨質(zhì)量流量進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)。

圖2 噴氨自動(dòng)控制SAMA圖

由于從噴氨到煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)分析儀表測(cè)量存在3 min左右的延時(shí)，因而在回路設(shè)計(jì)過(guò)程中為減少擾動(dòng)、保持調(diào)節(jié)的穩(wěn)定對(duì)回路進(jìn)行了一些優(yōu)化。

(1)由于CEMS分析儀表每隔4 h進(jìn)行10 min的吹掃校準(zhǔn)，在10 min內(nèi)，CEMS分析儀表端可進(jìn)行保持處理，在10 min內(nèi)，如果發(fā)生變負(fù)荷影響NOx質(zhì)量濃度的擾動(dòng)，在CEMS測(cè)量恢復(fù)后，會(huì)導(dǎo)致比例-微分-積分(PID)調(diào)節(jié)的波動(dòng)。因而調(diào)節(jié)不能簡(jiǎn)單地通過(guò)測(cè)量保持來(lái)解決，若利用A，B側(cè)CEMS吹掃校準(zhǔn)不同步，則A側(cè)吹掃時(shí)通過(guò)B側(cè)替代，考慮到A,B側(cè)測(cè)量不一致，需要進(jìn)行差值疊加。這樣就能很好地處理吹掃校準(zhǔn)而導(dǎo)致的波動(dòng)。

(2)由于整個(gè)回路存在3 min的延時(shí)，為避免手動(dòng)且自動(dòng)后的超調(diào)，主控制器PID2跟蹤切換前的噴氨量3 min后再進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(3)為避免過(guò)量噴氨，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞，應(yīng)對(duì)不同負(fù)荷段的最大噴氨量進(jìn)行限值。

(4)全自動(dòng)模式下投入噴氨后，主控制器PID2跟蹤前饋量，3 min后再進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以避免過(guò)度超調(diào)。

3 實(shí)現(xiàn)A，B側(cè)噴氨全自動(dòng)啟、停

受深度調(diào)峰的影響，脫硝噴氨需要頻繁啟、停，不僅增加了運(yùn)行人員的操作負(fù)擔(dān)，同時(shí)也因不及時(shí)投運(yùn)而減少脫硝投運(yùn)時(shí)間進(jìn)而影響脫硝電價(jià)。因此，在噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)回路進(jìn)行了優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)脫硫噴氨全自動(dòng)啟、停。

3.1 脫硝噴氨停運(yùn)自動(dòng)

當(dāng)脫硝入口溫度(三取二)低于最低連續(xù)噴氨溫度或其他跳閘條件滿足時(shí)，應(yīng)強(qiáng)制關(guān)閉供氨關(guān)斷閥并將供氨調(diào)節(jié)閥限位在0%。機(jī)組停止噴氨，液氨蒸發(fā)自動(dòng)控制回路保持在自動(dòng)狀態(tài)，脫硝噴氨處于熱備用狀態(tài)。

3.2 脫硝噴氨啟動(dòng)自動(dòng)

當(dāng)脫硝噴氨處于熱備用狀態(tài)(即A液氨蒸發(fā)槽出口閥已開(kāi)或者B液氨蒸發(fā)槽出口閥已開(kāi))時(shí)，噴氨全自動(dòng)按鈕投入。當(dāng)脫硝入口溫度(三取二)高于最低連續(xù)噴氨溫度或其他跳閘條件消失時(shí)，延時(shí)180 s，發(fā)出3 s自動(dòng)投運(yùn)脈沖(自動(dòng)投運(yùn)邏輯如圖3所示)。該脈沖用于開(kāi)啟供氨關(guān)斷閥并將噴氨自動(dòng)控制回路投入自動(dòng)運(yùn)行。投入噴氨控制初期，為保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定，先通過(guò)F1(x)公式計(jì)算出預(yù)期供氨質(zhì)量流量作為粗調(diào)量，進(jìn)行3 min的噴氨，待出口NOx質(zhì)量濃度在此噴氨量作用下保持穩(wěn)定后，投入NOx質(zhì)量濃度主控調(diào)節(jié)用于修正NOx質(zhì)量濃度的設(shè)定值與測(cè)量值的偏差。在全自動(dòng)模式下，NOx質(zhì)量濃度的設(shè)定值由系統(tǒng)給定，485 MW以上按80%脫硝率自動(dòng)計(jì)算NOx質(zhì)量濃度的設(shè)定值，485 MW以下按系統(tǒng)默認(rèn)值70 mg/m3(名義工況下)進(jìn)行調(diào)節(jié)，全程無(wú)需運(yùn)行干預(yù)。

圖3 脫硝噴氨自動(dòng)投運(yùn)邏輯

4 結(jié)論

金灣發(fā)電公司的脫硝噴氨自動(dòng)控制采用的控制模式是一種按需脫除煙氣中NOx的控制模式。通過(guò)對(duì)噴氨低溫運(yùn)行認(rèn)識(shí)的深入了解，依據(jù)SO2質(zhì)量濃度與噴氨最低運(yùn)行溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，延長(zhǎng)了脫硝噴氨運(yùn)行時(shí)間；通過(guò)對(duì)噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)回路的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的回路控制，為脫硝噴氨全自動(dòng)啟、停奠定了基礎(chǔ)；為減少操作量，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，對(duì)噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)回路進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了脫硝噴氨控制的全自動(dòng)啟、停。通過(guò)對(duì)3個(gè)方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化，滿足了SCR脫硝自動(dòng)化控制的要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保障。

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