600MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

田有龍 張景旭

(華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠,河北石家莊 050310)

600MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

田有龍 張景旭

(華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠,河北石家莊 050310)

介紹了華能上安電廠600MW超臨界機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)原始控制方案,分析了該方案存在的問題,根據(jù)物料守恒原理提出新的優(yōu)化方案?？刂七壿嫺倪M(jìn)后,解決了煙氣出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。對(duì)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)檢驗(yàn)表明,達(dá)到了各項(xiàng)控制指標(biāo),較好地滿足了脫硝自動(dòng)化控制的要求,并具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。

600MW 超臨界機(jī)組 SCR 優(yōu)化控制

1 上安電廠三期SCR系統(tǒng)概述

上安電廠三期采用單爐體雙SCR結(jié)構(gòu)體布置，采用高灰型SCR布置方式，即SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間，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兩路，每路煙氣并行進(jìn)入一個(gè)垂直布置的SCR反應(yīng)器里，即每臺(tái)鍋爐配有兩個(gè)反應(yīng)器，在反應(yīng)器里煙氣向下流過均流板、催化劑層，隨后進(jìn)入回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、靜電除塵器、引風(fēng)機(jī)和FGD，最后通過煙囪排入大氣。

主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

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%。

2 原控制方案的問題

原脫硝系統(tǒng)控制方法是僅用出口NOx含量與手動(dòng)設(shè)置值比較來保持出口NOx恒定。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx，這種控制方式是設(shè)定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)，控制回路簡(jiǎn)單易于調(diào)試和整定，是這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是會(huì)過度脫氮，增加運(yùn)行成本。

3 控制系統(tǒng)的改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方案

SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)利用NH3/NOx摩爾比提供所需要的氨氣流量，使用煙氣進(jìn)口NOx濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量，再乘以NH3/NOx摩爾比便可得到氨氣需求量，出口NOx濃度控制對(duì)NH3/NOx摩爾比加以修正(對(duì)氨氣需求量的修正)并參與控制，最終得到氨氣流量的目標(biāo)設(shè)定值。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得出的氨氣需求量信號(hào)通過控制氨氣閥開度，實(shí)現(xiàn)脫硝自動(dòng)控制，

3.2 邏輯優(yōu)化措施

(1)鍋爐總煙氣流量主要采取以下兩種方式：直接測(cè)量和間接計(jì)算。

煙氣流量直接測(cè)量方式一般有兩種：一是采用皮托管配差壓變送器的常規(guī)風(fēng)量測(cè)量方法，但是需要考慮煙氣固體顆粒對(duì)檢測(cè)元件的防磨防堵的要求，測(cè)點(diǎn)選取是否合適，能否代表整個(gè)流場(chǎng)分布。二是采用熱敏原理的測(cè)量元件。熱敏測(cè)量元件雖然解決了高溫、防磨、防堵的問題，但存在測(cè)量結(jié)果滯后、探頭易沾污等不足，影響測(cè)量結(jié)果。

由于測(cè)量受到的干擾較多，比如溫度場(chǎng)、流場(chǎng)均勻性、邊壁效應(yīng)、測(cè)量元件本身原因等等，測(cè)量煙氣流量測(cè)量誤差比較大、滯后嚴(yán)重。

煙氣間接測(cè)量是通過鍋爐給煤量計(jì)算獲得，具體步驟如下。

①理論干空氣量V0(空氣過剩系數(shù)a＝1)的計(jì)算：

V0＝(1÷0.21)×(1.866×Car÷100＋5.55×Har÷100＋0.7× Sar÷100－0.7×Oar÷100) ＝0.0889×(Car＋0.375×Sar)＋0.2643 ×Har－0.0333×Oar＝0.0889×Kar＋0.2643×Har－0.0333×Oar

其中Kar＝Car＋0.375×Sar，Car、Har、Sar、Oar均與燃煤煤質(zhì)有關(guān)，當(dāng)鍋爐燃煤一定時(shí)，理論干空氣量V0為一常量，組態(tài)人員可根據(jù)以上公式通過DCS模塊實(shí)現(xiàn)理論干空氣量V0的計(jì)算，其單位為m3(標(biāo)準(zhǔn))/kg。

②干煙氣容積Vgy的計(jì)算：

Vgy＝(1.866×Car÷100＋0.7×Sar÷100)＋(0.79×V0＋0.8× Nar÷100)＋(a-1)×V0＝1.866×(Car＋0.375×Sar)÷100＋(0.79× V0＋0.8×Nar÷100)＋(a-1)×V0＝1.866×Kar÷100＋(0.79×V0＋0.8×Nar÷100)＋(a-1)×V0

上式中Kar＝Car＋0.375×Sar，Car、Har、Sar、Oar、Nar均與燃煤煤質(zhì)有關(guān)，空氣過剩系數(shù)a取1.4(根據(jù)實(shí)際情況也可設(shè)定為其他值)，當(dāng)鍋爐燃煤煤質(zhì)一定時(shí)，干煙氣容積Vgy可通過上式計(jì)算，組態(tài)人員可根據(jù)以上公式通過DCS模塊實(shí)現(xiàn)理論干煙氣容積Vgy的計(jì)算，其單位為m3(標(biāo)準(zhǔn))/kg。

③根據(jù)給煤量(由機(jī)組DCS發(fā)出)可計(jì)算出一臺(tái)機(jī)組燃煤產(chǎn)生的干煙氣量：干煙氣量(m3(標(biāo)準(zhǔn))/h)＝干煙氣容積(m3(標(biāo)準(zhǔn))/kg)×給煤量(kg/h)。一臺(tái)反應(yīng)器的干煙氣量為一臺(tái)機(jī)組的干煙氣量除以2，調(diào)試時(shí)根據(jù)調(diào)試測(cè)得的兩臺(tái)反應(yīng)器的煙氣流量比進(jìn)行修正。

此種方法適合煤種穩(wěn)定的電廠使用，但目前不少電廠為了降低燃料成本進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)煤種摻燒，導(dǎo)致煤質(zhì)變化很大，此種測(cè)量方法無法準(zhǔn)確反映實(shí)際煙氣流量。上安電廠就存在此種情況，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定通過負(fù)荷作為變量進(jìn)行修正可以基本反映煙氣量變化，為系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)提供了可靠參數(shù)。

(2)計(jì)算出的煙氣流量乘以入口NOx濃度與設(shè)定值之差再乘以氨氮摩爾比，即是所需的氨氣流量。摩爾比是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率計(jì)算得出的，在固定摩爾比控制方法中為預(yù)設(shè)常數(shù)，一般為60左右。

(3)氨氣的質(zhì)量流量由在氨氣噴射母管測(cè)得的體積流量通過溫度和壓力修正后取得或者直接選用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得。流量控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)短、參數(shù)變化快，宜選擇比較穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，在本系統(tǒng)的回路選擇了比例積分控制器(PI)，避免了比例積分微分控制器(PID)中的微分環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)、嚴(yán)重調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作的缺點(diǎn)，選用較小的比例度和較大的積分時(shí)間增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

(4)由于脫硝系統(tǒng)存在明顯的NOx反應(yīng)器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后的問題，控制回路中加入高低負(fù)荷變化調(diào)節(jié)變參數(shù)措施，高負(fù)荷NOx含量較高調(diào)節(jié)加快，低負(fù)荷NOx含量較低調(diào)節(jié)減弱以適應(yīng)各負(fù)荷段的不同需求。

經(jīng)過改進(jìn)后的控制方案，反大慣性作用明顯增強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)出口NOx基本可控制在設(shè)定點(diǎn)±15mg/Nm3，動(dòng)態(tài)±30mg/Nm3。由于受脫硝反應(yīng)器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負(fù)荷已確定的條件下，出口NOx濃度也將會(huì)波動(dòng)較大，由于環(huán)保壓力超標(biāo)時(shí)間不能太長(zhǎng)，因此在副調(diào)設(shè)定點(diǎn)加入出口NOx濃度超標(biāo)較大時(shí)(大于110mg/ Nm3)并經(jīng)過一定時(shí)間(大于20秒，避免頻繁調(diào)整)則逐步增大噴氨流量設(shè)定值，距控制設(shè)定點(diǎn)越遠(yuǎn)增加量越多，以此加大調(diào)門輸出增加噴氨量快速將其拉回。

4 改進(jìn)建議

噴氨調(diào)閥流量線性對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，目前現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)門質(zhì)量線性一般，無法實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制，因此調(diào)閥控制誤差成為調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法更加穩(wěn)定內(nèi)擾因素，今后可以考慮改造為線性精度更好的進(jìn)口調(diào)閥。

對(duì)于燃燒產(chǎn)生的NOx控制方法除了燃燒后控制，還有燃燒中控制，加裝脫硝裝置為燃燒后控制。燃燒中控制則通過改進(jìn)燃燒方式和生產(chǎn)工藝，采用低NOx燃燒技術(shù)，降低爐內(nèi)NOx生成量。經(jīng)過試驗(yàn)觀察總風(fēng)量對(duì)出口NOx影響較大尤其是二次風(fēng)中的頂層燃盡風(fēng)對(duì)入口NOx含量影響較大，但同時(shí)對(duì)主蒸汽溫度控制也會(huì)造成較大影響，兩者有耦合作用并有一定的矛盾性，如何改進(jìn)燃燒優(yōu)化技術(shù)，做到二次配風(fēng)和燃盡風(fēng)精準(zhǔn)控制降低NOx的產(chǎn)生，還需進(jìn)一步探索實(shí)踐。

5 結(jié)語

華能上安電廠SCR脫硝控制系統(tǒng)的控制策略經(jīng)過改進(jìn)后參數(shù)選擇全面、參數(shù)整定方式清晰、對(duì)象識(shí)別速度快，而且充分利用隨動(dòng)關(guān)系對(duì)NH3/NOx摩爾比，并用比例控制方式的優(yōu)勢(shì)，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化的檢驗(yàn)，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，達(dá)到各項(xiàng)控制指標(biāo)，較好地滿足了SCR脫硝自動(dòng)化控制要求，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。隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格及執(zhí)法力度的加大，采用此種脫硝控制方案的火力發(fā)電廠可在確保煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)增強(qiáng)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，減少氨逃逸確?？疹A(yù)器長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

[1]華能上安電廠#5、#6機(jī)組煙氣脫硝改造SCR控制邏輯描述.東方鍋爐股份有限公司,2012.

[2]脫硝DCS系統(tǒng)組態(tài)圖,上安電廠.

[3]馬孝純,等.鍋爐脫硝SCR法的控制策略研究[J],電站系統(tǒng)工程[J], 2013,(1):65-66.

[4]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.