串級前饋方法在SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)上的應用

李昌海，馮慧山，田金海，王金河

（中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270）

我國氮氧化物排放量2009年至2011年一直呈上升趨勢，尤其2011年氮氧化物排放量已接近2000萬噸[1-2]，為此我國2011年新頒布的標準《GB13223-201火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定2012年后新建火電機組將執(zhí)行100 mg/m3的氮氧化物排放限值，而現(xiàn)有機組也要在2014年7月1日前達到該排放標準，以控制氮氧化物的排放量。因此，我部積極地進行了脫硝改造，采用了SNCR+臭氧的脫硝方式，并于2015年6月20日將脫硝裝置投入運行，脫硝效果良好，將氮氧化物控制在100 mg/m3以內(nèi)。同時經(jīng)過技術攻關，對氮氧化物排放量的控制實現(xiàn)了自動控制，控制效果良好。

1 SNCR脫硝反應原理

SNCR脫硝實際上就是在鍋爐爐膛溫度為850℃～1100℃的區(qū)域內(nèi)，把還原劑尿素或氨氣的稀釋溶液噴入爐膛，還原器迅速熱解出NH3氣體，與煙氣中的NOx進行反應生成N2和H2O，該方法在爐膛內(nèi)部反應（無需SCR反應加裝催化劑）。其主要反應如下：

尿素還原的主要反應為

2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

氨還原的主要反應為

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

當溫度過高超過反應溫度區(qū)域 （1100℃以上）時，氨就又被氧化成NOx，該反應為[3]

4NH3+5O2→4NO+6H2O

2 SNCR脫硝工藝流程

SNCR的整個工藝流程分為尿素溶解存儲部分、高流量部分、稀釋計量部分和爐前分配部分。其流程為袋裝尿素顆粒，經(jīng)溶解罐與加熱后的除鹽水稀釋（除鹽水溫度60℃左右），將尿素顆粒溶解稀釋為50%的尿素溶液；溶解配制完畢后，將配置好的50%尿素溶液由尿素輸送泵送至尿素溶液儲罐，存儲罐內(nèi)部由低壓蒸汽伴熱管線，將尿素溶液儲罐內(nèi)的尿素溶液維持在60℃左右，存儲的尿素溶液經(jīng)過高流量循環(huán)模塊將尿素溶液打循環(huán)，并保證前段循環(huán)母管壓力不低于0.85 MPa（保證尿素溶液供應量以及稀釋入口壓頭）；由高流量模塊輸送來的50%濃度的尿素溶液在稀釋計量模塊中由除鹽水稀釋至＜10%的尿素溶液，同時將稀釋模塊的出口壓力維持在0.7 MPa（保證噴頭處的壓頭需要）。稀釋計量模塊將稀釋后的尿素溶液分別輸送至分配模塊DM1、DM2、DM3，在分配模塊中，對壓縮空氣和尿素溶液進行精確計量分配，再輸送給各支噴槍。由噴槍將霧化后的尿素溶液噴至爐膛的合適位置，進行脫硝反應。其具體工藝流程和噴槍位置如圖1所示。

圖1 SNCR脫硝工藝流程Fig.1 Flow chart of SNCR denitration

3 控制系統(tǒng)簡介

我廠二電站DCS為OVATION3.0.4控制系統(tǒng)，有14個操作站 （分為OPR210～OPR220、OPR221～OPR223），控制器共26個，分為DPU1～DPU13以及DPU51～DPU63，其中DPU1與DPU51到DPU13與DPU63均為互為冗余的控制器，而DPU10/DPU60有遠程I/O站 （通過光纖通訊），數(shù)據(jù)庫站為EWS200、工程師站為 AMS170、歷史站為 OPH160、外部通訊站為OPC180、OPC181。脫硝部分采用3對獨立控制器 DPU11/DPU61、DPU12/DPU62、DPU13/DPU63，分別對應著 8#、9#、10#鍋爐 SNCR脫銷DCS控制。

4 脫硝控制方案

在整個SNCR脫硝工藝流程中，主要有4個主要的自動控制回路，分別為儲罐溫度控制、高流量模塊尿素溶液母管壓力控制、稀釋計量模塊稀釋尿素溶液壓力控制以及尾部煙道NOx含量控制。其中儲罐溫度控制、母管壓力控制和尿素溶液壓力控制均為簡單的PID回路控制，這里就不再進行說明了；而尾部煙道NOx含量控制是比較復雜的控制，采用了變設定的PID控制，其PID設定值SP為根據(jù)負荷變化而給定的折線輸出值（根據(jù)實際情況擬合的曲線），其負荷-尿素流量折線如圖2所示，并將折線分為“折線 1”、“折線 2”、“折線 3”3 個區(qū)域（該折線為調(diào)試過程中數(shù)據(jù)采集后擬合得出），將對應折線的尿素溶液量送至PID模塊的SP端，對尿素溶液調(diào)節(jié)閥進行控制，以調(diào)節(jié)控制實際尿素溶液的流量，即改變尿素溶液噴入量，以達到氮氧化物的控制效果，其控制邏輯如圖3所示，可以看出該邏輯既可以在線指定鍋爐負荷（即主蒸汽流量調(diào)節(jié)方式），也可以在線指定尿素溶液流量。

圖2 負荷-尿素流量折線Fig.2 Curve of load of steam-flow of carbamide

圖3 NOx含量控制邏輯Fig.3 Chart of control logic of NOxcontent

但該方案存在以下問題：①由于該控制回路的控制對象為尾部煙道的NOx含量，而該控制只與鍋爐負荷有關，沒有直接控制NOx含量，相當于開環(huán)控制，無法避免除鍋爐負荷影響因素外的其他干擾因素的擾動，因此無法實現(xiàn)NOx含量控制；②由于我廠為焦煤摻燒的CFB鍋爐，由于燃料的配比不同無法由單個負荷-尿素流量折線對應出控制NOx含量的規(guī)律[4]；③反應區(qū)的溫度場調(diào)整變化，對SNCR的反應效率也有很大的影響[5]；④鍋爐的配風和氧量變化，對SNCR的反應也有一定的影響[6-7]；⑤CFB鍋爐爐內(nèi)投入的石灰石量，對NOx的生成也有一定的影響；⑥依據(jù)圖2折線中80%的負荷為跳變點，因此鍋爐在370 t/h～375 t/h范圍內(nèi)變化時 （正常情況時，鍋爐的負荷也在5 t/h的范圍內(nèi)擺動），導致鍋爐噴按量跳變，無法實現(xiàn)NOx含量的平穩(wěn)過渡，影響脫硝效果。

5 改進控制方案

針對上述問題，結合該熱電廠的實際情況，對NOx含量自動控制方案進行了修改，在主蒸汽調(diào)整方式下，增加了NOx含量的反饋控制，將該回路設為主回路，尿素溶液量控制設為輔回路，并將主蒸汽負荷折線輸出設置為尿素溶液流量的前饋，同時，為了避免NOx含量的反饋控制頻繁震蕩調(diào)節(jié)的問題，進行了閾值限定，這樣既可對鍋爐負荷的干擾進行及時調(diào)整，又可以對影響NOx含量的其它干擾進行調(diào)整，保證了控制回路對NOx含量的控制效果，其改進NOx含量控制邏輯圖如圖4所示。而對于80%臨界負荷調(diào)整門跳變的問題，修改了前饋折線，即將圖2折線修改為圖5折線，修改后調(diào)整閥門在臨界過渡區(qū)域平穩(wěn)過渡。

圖4 改進NOx含量控制邏輯Fig.4 Chart of control logic of improving on NOxcontent

圖5 改進負荷-尿素流量折線Fig.5 Curve of improving on load of steam-flow of carbamide

在調(diào)試過程中，對控制邏輯的PID參數(shù)和修正值進行了整定，整定后NOx含量控制PID的參數(shù)為Kp=45，Ki=240，Kd=0.05，PID_OUTPUT=（-15%，15%）；尿素流量控制 PID 參數(shù)為 Kp=35，Ki=780，Kd=0；求和限制30%。

6 脫硝控制效果

調(diào)試整定后，發(fā)現(xiàn)電動調(diào)節(jié)閥的死區(qū)較大（死區(qū)為4%左右），整定參數(shù)后，控制效果良好。氮氧化物的排放實現(xiàn)了自動控制，如圖6、7所示，分別為8#、9#鍋爐氮氧化物控制曲線，實線為NOx含量的過程值PV，虛線為NOx含量的設定值SP，由圖可知NOx含量均得到了控制。圖6中 8：38：14鍋爐負荷增加了 13 t/h的擾動，NOx含量最高達到90.4mg/m3后，又回到設定值附近，控制效果良好，圖7為9#鍋爐80%負荷穩(wěn)定狀態(tài)下NOx含量曲線。

圖6 8#鍋爐氮氧化物1 h控制效果Fig.6 One hour control effect of NOxcontent of the 8#boiler

圖7 9#鍋爐80%負荷下氮氧化物1 h控制效果Fig.7 One hour control effect of NOxcontent on 80%steam load of the 9#boiler

7 結語

針對尾部煙道NOx含量的控制，我部采用了SNCR的脫硝控制方式，修改了原變設定值SNCR的控制策略，采用改進串級加前饋的方法，算法簡單，參數(shù)整定方式清晰，便于應用在DCS控制系統(tǒng)中，該控制方法利用負荷變化折線函數(shù)，有效地克服了負荷變化對NOx含量的擾動，同時使溫度場、配風、氧量、石灰石投入量、燃料摻燒變化等干擾得到有效的控制，解決了SNCR脫硝方式下NOx含量排放的難于控制的問題；投運至今，NOx含量控制達到了預期控制指標，滿足了SNCR脫硝自動控制的要求，為裝置穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了保證，對同類型CFB鍋爐SNCR脫硝自動控制具有一定的參考價值。當然，SNCR脫硝的控制方法也不是唯一的，可以通過細化前饋量、預估模型、自適應控制、模糊控制等相結合的復雜控制方法來達到或進一步提高SNCR脫硝的控制效果。

[1]環(huán)境保護部.環(huán)保部2010環(huán)境統(tǒng)計年報[R]，2010.

[2]國家發(fā)展和改革委員會.關于2011年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃執(zhí)行情況與2012年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃草案的報告[R]，2012.

[3]胡浩毅.以尿素為還原劑的SNCR脫硝技術在電廠的應用[J].電力技術，2009（3）：55-57.

[4]侯祥松，張海，李金晶，等.影響選擇性非催化還原脫硝效率的因素分析[J].動力工程，2009，25（增 1）：72-77.

[5]韓應，高洪培，王海濤，等.SNCR煙氣脫硝技術在330 MW級CFB 鍋爐的應用[J].節(jié)能減排，2013，19（6）：85-88.

[6]Lyon RK.The NH3-N0-02 reaction[J].International Journal of Chemical Kinetics，1976（8）：315-318.

[7]Muzio LJ，Arand JK，Teixeira DP.Gas phase decomposition of nitricoxide in combustion products[C]//16th Symposium（International）onCombustion，The Combustion Institute，1976：199-208.