脫硝SCR噴氨自動控制策略分析及優(yōu)化

程松黨（大唐國際發(fā)電股份有限公司下花園發(fā)電廠，河北 張家口 75300）

脫硝SCR噴氨自動控制策略分析及優(yōu)化

程松黨（大唐國際發(fā)電股份有限公司下花園發(fā)電廠，河北 張家口 75300）

脫硝系統(tǒng)是燃煤電廠降低鍋爐出口煙氣NOx含量的必要設(shè)施，如何控制噴氨流量則成為控制NOX排放的關(guān)鍵因素，本文從脫硝系統(tǒng)原理、噴氨自動控制的策略等方面入手，深入淺出地論述了脫硝系統(tǒng)噴氨自動控制的概況，并依據(jù)先進和成熟的控制理論對此進行優(yōu)化，對其他電廠脫硝項目的調(diào)試和運行也具有重要的借鑒意義。

脫硝系統(tǒng)；噴氨流量；自動控制

1 引言

下花園電廠#3爐為670t/h自然循環(huán)鍋爐，煙氣脫硝系統(tǒng)于2013年12月初竣工，采用SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原法）技術(shù)。根據(jù)GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求，燃煤電廠必須于2014年7月1日開始，NOx排放達到100mg/m3以下，下花園發(fā)電廠響應(yīng)國家號召，提前半年多達到了排放限值。脫硝SCR區(qū)位于省煤器出口和空預器入口之間，接入DCS集控運行。鍋爐煙氣NOx控制先利用燃燒中的低氮燃燒技術(shù)，控制鍋爐出口NOx在450mg/Nm3以下，之后經(jīng)過脫硝SCR反應(yīng)區(qū)，使進入煙囪的NOx降低到90mg/Nm3以下。其中關(guān)鍵的脫硝步驟在SCR區(qū)的噴氨量控制，在其它影響因素不變時，直接關(guān)系到脫硝效率和氨逃逸量，本文重點討論如何更有效地應(yīng)用噴氨自動控制。

2 下花園發(fā)電廠脫硝工藝概況

下花園發(fā)電廠#3爐配備一個氨區(qū)和兩臺SCR反應(yīng)器，氨區(qū)包括液氨的存儲與蒸發(fā)系統(tǒng)，水浴槽溫度控制在80℃±2℃，壓力控制在0.2~0.4Mpa，但壓力必須要穩(wěn)定，否則會對下游SCR區(qū)的噴氨自動控制造成影響，將氨氣加熱至41℃后輸送到SCR區(qū)氨氣（溫度7℃~8℃），SCR區(qū)進入稀釋風管前的氨氣壓力在0.12~0.08MPa之間，這里氨制備區(qū)不做重點論述，本節(jié)主要介紹SCR區(qū)的反應(yīng)原理。每臺SCR反應(yīng)器布置有兩層催化劑，同時預留一層備用空間（采用2+1方式），當運行的催化劑活性降低時，可以加裝新催化劑。煙氣中的NOx經(jīng)過氨氣噴射格柵和煙氣/氨氣混合器與所噴入的氨氣混合均勻后在催化劑催化作用下發(fā)生催化還原反應(yīng)，在一定煙氣溫度 (一般為300℃～400℃) 條件下生成無毒害的氮氣和水。煙氣流程為：省煤器出口（經(jīng)過氣力除灰），催化反應(yīng)器進口煙道，氨氣噴射格柵，煙氣/氨氣混合器，均流板，催化反應(yīng)器（配備16臺聲波吹灰），催化反應(yīng)器出口煙道，空預器。脫硝工藝流程圖如圖1所示。

圖1 脫硝工藝流程圖

主要化學反應(yīng)方程式：

煙氣中的NOx主要有兩種成分：NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2，國家環(huán)保部門要求排放顯示為NOx含量。本工程中采用了ABB的EL3020在線紅外煙氣分析儀直接測量NO含量，然后通過乘以NO2/ NO摩爾比1.53，換算為NO2含量作為NOx顯示。

2.1 優(yōu)化前基于固定摩爾比的單回路控制方式

本工程最初設(shè)計的氨流量調(diào)節(jié)是基于固定的摩爾比。氨的需求量是按進入催化劑反應(yīng)器前的NOx的含量（由鍋爐負荷換算煙氣量）乘以固定的NH3/NOx摩爾比（根據(jù)計算大約在1.05~1.08）來計算的。氨流量的測定是由流量變送器和溫度、壓力補償后的信號決定的。補償后的氨流量與需求量進行比較。比較后的差值用作（通過P+I 控制器進行）流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)。NH3/NOx的實際摩爾比M公式如式（3）所示：

為保證脫硝效率和降低氨逃逸，固定摩爾比的數(shù)值控制在比設(shè)計脫硝效率值略高一點。（對于運行一定年限的催化劑，其活性有所下降，必要時要考慮其相對衰減率）。在固定摩爾比設(shè)定值下，進氨調(diào)節(jié)閥控制指令隨著SCR入口濃度的增加而增加，直到其進氨流量達到該設(shè)定值對應(yīng)下的流量值時，進氨調(diào)節(jié)閥趨于穩(wěn)定。實際脫硝運行中，NH3/NOx摩爾比控制在一個合理的范圍內(nèi)，既能保證脫硝效率控制在一個較高的范圍，又能使SCR出口氨逃逸控制在較低的范圍。圖2為NH3/NOx與脫硝效率的關(guān)系。

圖2 NH3/NOx與脫硝效率關(guān)系圖

該控制方式作為設(shè)定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)，PID參數(shù)容易整定。這種控制系統(tǒng)只考慮了脫硝效率，未考慮出口NOx濃度的變化，在入口NOx濃度比較低的時候容易使系統(tǒng)過度脫氮?；诠潭ò钡柋鹊恼{(diào)節(jié)原理圖如圖3所示。

圖3 基于固定氨氮摩爾比的調(diào)節(jié)原理圖

2.2 優(yōu)化后基于出口NOX的串級控制方式

該串級控制回路是由主調(diào)和副調(diào)控制回路組成，現(xiàn)分別予以介紹。

主控制回路：由入口煙氣NOx濃度和煙氣流量的乘積得到入口NOx流量，計算出入口NOx流量；設(shè)定脫硝效率=（進口NOx濃度-出口NOx設(shè)定值）/進口NOx濃度；由函數(shù)f1(x)得到不同脫硝效率下對應(yīng)的摩爾比；設(shè)定值與出口NOx濃度的比值經(jīng)PID控制器輸出指令作為修正值疊加到固定摩爾比上，最終生成修正的NH3/ NOx摩爾比。生成副調(diào)節(jié)回路的需氨量給定值。如圖4所示。

圖4 基于出口NOx控制調(diào)節(jié)回路的主回路邏輯圖

圖5 基于出口NOx控制調(diào)節(jié)回路的副回路邏輯圖

副控制回路：根據(jù)修正的NH3/NOx摩爾比提供反應(yīng)器所需要的氨氣流量，通過限速和限幅模塊對前饋量進行限制，防止系統(tǒng)過調(diào)：氨氣流量設(shè)定值=入口NOx流量×實際的NH3/NOx摩爾比。脫硝自動控制系統(tǒng)優(yōu)化這種控制方式中，摩爾比不是固定不變，而是根據(jù)入口NOx濃度、出口NOx濃度設(shè)定值以及出口NOx濃度變化而變化的動態(tài)值，最終生成進氨流量設(shè)定值，與實際進氨流量進行比較后由控制系統(tǒng)形成進氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令，通過調(diào)節(jié)進氨流量，最終將出口NOx濃度控制設(shè)定值范圍內(nèi)。在充分考慮脫硝效率和催化劑脫硝能力的基礎(chǔ)上，避免了固定摩爾比控制帶來的過度脫氮，又能將出口NOx濃度控制在合理范圍內(nèi)。副回路控制原理如圖5所示。

2.3 噴氨自動控制優(yōu)化分析及對策

（1）首先要保證噴氨自動的相關(guān)參數(shù)測量準確穩(wěn)定及執(zhí)行器動作靈活，如SCR出、入口NOx濃度、氧量、煙氣流量、氨氣流量、壓力、溫度，氨逃逸量等，現(xiàn)逐一進行分析。

· 由于脫硝CEMS采樣探頭采用直抽法，處于高溫、高含塵的煙氣中，雖然探頭采取了電加熱方式防止煙塵凝固堵塞取樣，但根據(jù)實際運行來看仍容易堵塞探頭，目前采取了縮短反吹間隔時間的辦法，另外加強探頭處的保溫。

· 氧量采用了氧電池測量原理，一旦取樣管路有泄露，氧量測量不準確，進而導致經(jīng)過6%氧量折算的NOx異常，在資金允許時需增加4套氧化鋯測點，不但不受取樣管路影響，而且能夠進行濕度計算，對煙氣流量進行實際補償。

· 煙氣流量采用了皮托管差壓式測量，單點測量，由于A側(cè)測點靠近管道邊緣，導致流速場不穩(wěn)定，因此波動較大。需要在檢修中更換位置，或改造為矩陣式多點測量方式，能夠提高測量精度和穩(wěn)定性。

· 壓力和溫度測點對煙氣流量起到修正作用，如果異常后將導致流量不準確，目前A側(cè)有一點溫度偏低，主要是由于在CEMS取樣探頭內(nèi)，DCS邏輯內(nèi)只簡單進行了選中值進入補償回路，未進行壞點剔除判斷，檢修中需要對溫度判斷邏輯進行完善。

· 氣動執(zhí)行器由于受氣源含水量較大的影響，到冬天數(shù)次發(fā)生壓縮空氣管路內(nèi)空氣結(jié)冰斷氣現(xiàn)象，導致調(diào)門自動關(guān)閉，進而出口NOx超標。目前采取了定期對儲氣罐放水，壓縮空氣管路增加電伴熱及保溫，氣動門前的減壓閥常開放氣等措施，效果尚可。檢修中需對壓縮空氣進行治理，或?qū)鈩訄?zhí)行器更換為電動執(zhí)行器，可避免冬季凍管。

· 當反應(yīng)器出口氨逃逸量超標時，應(yīng)適當控制降低脫硝效率，減少噴氨量。

（2）進行必要的噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，AIG噴射流量不均勻，會引起反應(yīng)器出口NOx分布不均勻，進而導致出口NOx測量不準確，從而影響噴氨自動調(diào)節(jié)效果。主要有兩方面原因。

· 部分噴嘴積灰堵塞。主要是由于稀釋風機的非正常停運造成煙氣中的飛灰在噴嘴出口積灰堵塞，從而引發(fā)噴氨不均勻。因此要保證聲波吹灰器及SCR入口除灰設(shè)備的正常。

· AIG手動調(diào)節(jié)門未進行調(diào)整，可能造成SCR運行一段時間后反應(yīng)器區(qū)域的NH3分布不均。在每個噴氨調(diào)節(jié)閥前設(shè)計安裝了的節(jié)流裝置，通過測量節(jié)流裝置的前后差壓可以反映出進氨量的大小。噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗主要是通過調(diào)整每路進氨支管手動調(diào)節(jié)閥的開度，動態(tài)的調(diào)整不同區(qū)域的噴氨量，觀察反應(yīng)器出口水平煙道截面各點NOx濃度，最終實現(xiàn)SCR反應(yīng)器出口NOx濃度的均勻分布。

（3）優(yōu)化噴氨自動PI參數(shù)的比例帶、積分時間以及出口NOX前饋的微分參數(shù)，并根據(jù)時滯性的大小調(diào)整前饋參數(shù)。當被調(diào)量反映過慢時，適當增強增益作用，根據(jù)靜態(tài)偏差的大小調(diào)整積分時間，減少靜態(tài)偏差。一般應(yīng)維持衰減率i≥0.75~0.9。

3 噴氨自動調(diào)節(jié)效果分析

根據(jù)2013年12月3日8時開始168試運的結(jié)果表明，脫硝系統(tǒng)能基本滿足機組各種參數(shù)運行工況的變化，自動調(diào)節(jié)有效，設(shè)計為出口NOx含量在設(shè)定值的±20mg/m3范圍內(nèi)波動，噴氨自動控制能滿足運行要求，只是延遲性較大，還需要對前饋值進行優(yōu)化。氨的逃逸率控制在限制范圍內(nèi)（小于3.3ppm），沒有發(fā)生局部過噴氨使氨逃逸率超過控制標準。噴氨自動調(diào)節(jié)趨勢圖如圖6所示，從4:41:04開始投入脫硝噴氨自動控制，到4:59:32退出脫硝噴氨自動控制，期間最大的超調(diào)量為16mg/m3，低于設(shè)計值，其余點均維持在設(shè)定值附近波動。出口NOx在環(huán)保標準要求的100mg/m3以下，證明脫硝噴氨自動能夠滿足控制要求。

圖6 噴氨自動調(diào)節(jié)趨勢圖

4 結(jié)語

168小時試運期間共耗氨18.48噸，日均耗氨2.64噸左右。每噸按2500元計算，日運行費用為6600元，而日脫硝補償電費約4萬元，因此每日為廠里創(chuàng)造約3萬余元的經(jīng)濟效益。脫硝系統(tǒng)經(jīng)過近3個月的運行，目前還處于設(shè)備磨合階段。由于2014年7月1日即將實施新的排放標準（NOx小于100mg/m3），因此在這期間要繼續(xù)抓好設(shè)備維護及改造，防止由于設(shè)備缺陷造成排放長時間超標。從目前情況看脫硝系統(tǒng)總體正常，噴氨流量自動控制也能夠長期投入，一來減輕了運行人員監(jiān)盤負擔，二來提高了噴氨效果，既將NOx控制在達標范圍內(nèi)，又不浪費液氨原料，節(jié)省運行成本，并且控制氨逃逸量，減少對空預器等設(shè)備的腐蝕。

[1] 趙毅, 朱洪濤, 安曉玲, 等. 燃煤鍋爐SCR法煙氣脫硝技術(shù)[J]. 鍋爐技術(shù)，2009, 40 (2) : 76 - 80.

[2] 中華人民共和國環(huán)境保護部. GB13223-2011. 火電廠大氣污染物排放標準[S].

[3] 下花園發(fā)電廠脫硝工程調(diào)試報告[Z].

Analysis and Optimization of the Automatic Control Strategy for SCR Injection

The denitrification system is the necessary infrastructure to reduce NOx content in boiler flue gas at the outlet of the coal-fired power plants. How to control the ammonia injection flow become the key factors to control the NOx emission. In this paper, starting from the denitrification system principle, ammonia injection automatic control strategy, we survey the automatic control of denitrification system in simple terms, and propose an optimization strategy based on the mature and advanced control theory. It has an important reference for commissioning and operation of denitration project of other plants.

Denitrification system; Jet flow; Auto-Control

程松黨（1982-），男，河南漯河人，工程師，2006年畢業(yè)于東北電力大學，現(xiàn)就職于大唐國際發(fā)電股份有限公司下花園發(fā)電廠設(shè)備部，從事火電廠熱工自動化專業(yè)工作，主要研究方向為熱工自動及DCS邏輯優(yōu)化。

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1003-0492(2015)09-0096-04

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