燃煤火力發(fā)電廠脫硝噴氨自動(dòng)控制方案優(yōu)化研究

大唐陜西發(fā)電有限公司 陳鎖宏

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燃煤火力發(fā)電廠脫硝噴氨自動(dòng)控制方案優(yōu)化研究

大唐陜西發(fā)電有限公司 陳鎖宏

【摘要】燃煤火力發(fā)電廠主要是利用脫硝裝置控制鍋爐脫硝出口氮氧化合物（NOx）的排放濃度，多數(shù)采用選擇性催化還原（Selective Cataletic Reduction，簡(jiǎn)稱：SCR）法，利用液氨還原劑噴入鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間高粉塵區(qū)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、精確控制出口NOx濃度的方案。大唐戶縣第二熱電廠（以下簡(jiǎn)稱“戶二”）脫硝裝置投入前期，因自動(dòng)控制方案不完善，控制參數(shù)調(diào)整不準(zhǔn)確，多次造成鍋爐出口氮氧化合物（NOx）排放超標(biāo)。通過(guò)對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)控制方案的改進(jìn)和參數(shù)的精細(xì)化調(diào)整，解決了這一技術(shù)難題。本文詳細(xì)介紹了戶二脫硝自動(dòng)控制優(yōu)化后的方案。

【關(guān)鍵詞】脫硝；氮氧化合物；控制方案；優(yōu)化調(diào)整

1　前言

脫硝工程的建設(shè)有利于提高企業(yè)社會(huì)形象和實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在認(rèn)真履行社會(huì)責(zé)任方面起到模范作用，對(duì)改善周圍環(huán)境、促進(jìn)地區(qū)社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。2014年國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家環(huán)保部、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合下發(fā)“關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》的通知”，要求燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量、濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米）。戶二2015年底1號(hào)機(jī)組超低排放改造工程完成并投入運(yùn)行。為了達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、精細(xì)化的噴氨量調(diào)整控制，在總結(jié)各種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比的一種控制方式，有效滿足了鍋爐脫硝出口NOx濃度在不同運(yùn)行工況下的控制指標(biāo)要求，降低了氨逃逸，抑制了空預(yù)器堵塞，節(jié)能、環(huán)保效果明顯。

2　控制方案優(yōu)化背景

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)控制方案，主要集中在單回路控制、單回路前饋控制、雙回路串級(jí)控制等方式。從目前使用情況來(lái)看，控制效果均不理想，尤其是CEMS表計(jì)反吹或校驗(yàn)，測(cè)量信號(hào)失效時(shí)，噴氨調(diào)節(jié)長(zhǎng)時(shí)間失去控制，造成脫硝出口NOx排放超標(biāo)嚴(yán)重，氨逃逸偏大，空預(yù)器頻繁堵塞。分析不同的控制方案，單回路控制方式因生產(chǎn)工藝的特性，根本無(wú)法在各種燃燒工況下投入自動(dòng)運(yùn)行。單回路前饋控制方式下頻繁出現(xiàn)出口NOx超標(biāo)或氨逃逸偏大。為了達(dá)到鍋爐脫硝出口NOx含量控制在國(guó)家環(huán)保的排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，設(shè)計(jì)出一種既能達(dá)到環(huán)保指標(biāo)要求，又能保證鍋爐設(shè)備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的控制方案，顯得尤為重要和勢(shì)在必行。

3　控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)測(cè)量預(yù)估值計(jì)算

戶二自低氮燃燒器改造投運(yùn)以來(lái)，多次發(fā)生鍋爐脫硝兩側(cè)出口NOx瞬間超標(biāo)。通過(guò)對(duì)脫硝出口NOx超標(biāo)時(shí)的歷史數(shù)據(jù)分析，造成鍋爐脫硝兩側(cè)出口NOx瞬間超標(biāo)因素，主要集中在鍋爐兩側(cè)NOx儀表反吹或儀表測(cè)量失效時(shí)，NOx測(cè)量信號(hào)失效，造成自動(dòng)控制運(yùn)算失效。要提高NOx測(cè)量的可靠性，最直接的辦法是增加冗余測(cè)量?jī)x器，但因NOx測(cè)量?jī)x表CEMS價(jià)格高、維護(hù)量大、對(duì)工作環(huán)境要求苛刻等因素，目前各廠無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)增加冗余測(cè)量?jī)x器的方法解決這一技術(shù)難題。

圖1　脫硝A、B出入口NOx變化波動(dòng)趨勢(shì)

在機(jī)組運(yùn)行期間，根據(jù)鍋爐脫硝工藝特性，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)（如圖1）的分析，發(fā)現(xiàn)脫硝A、B兩側(cè)入口NOx值，在不同的運(yùn)行工況下，兩側(cè)入口NOx數(shù)值雖不同，但變化波動(dòng)趨勢(shì)相同。脫硝A、B兩側(cè)出口NOx數(shù)值，在A、B兩側(cè)噴氨調(diào)閥增量相同時(shí)，脫硝A、B出口NOx的變化趨勢(shì)相同?；谶@種設(shè)備運(yùn)行工況的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)出不需要增加冗余測(cè)量?jī)x器，通過(guò)鍋爐A、B兩側(cè)出、入口NOx數(shù)值冗余替換，替代失效信號(hào)的邏輯設(shè)計(jì)方案（如圖2），很好的解決了這一技術(shù)難題。

圖2　邏輯設(shè)計(jì)方案

當(dāng)脫硝A、B兩側(cè)出、入口一側(cè)反吹或信號(hào)失效時(shí)，折算另一側(cè)值表征失效側(cè)的值，參與邏輯運(yùn)算控制，達(dá)到出口NOx達(dá)標(biāo)。在圖2邏輯切換器中，因在信號(hào)未失效時(shí)，信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤，由邏輯“0”切為邏輯“1”時(shí)，無(wú)需速率限制。在信號(hào)失效后恢復(fù)正常值時(shí)，因脫硝A、B兩側(cè)實(shí)際測(cè)量信號(hào)有偏差，由邏輯“1”切為邏輯“0”時(shí)，必須設(shè)置速率限制，防止引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)震蕩。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整鍋爐兩側(cè)NOx儀表設(shè)置，防止脫硝A、B兩側(cè)同時(shí)反吹，也可在邏輯切換器中增加“無(wú)兩側(cè)同時(shí)反吹”切換條件。

3.2脫硝噴氨自動(dòng)控制調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工藝流程（圖3）及特點(diǎn)，氨氣流量控制是SCR反應(yīng)器控制最為重要和核心的部分。鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)存在復(fù)雜性和滯后性。同時(shí)結(jié)合CEMS表計(jì)測(cè)量的精確性和滯后性、氨氣逃逸率測(cè)量的不準(zhǔn)確性這些諸多因素，我們?cè)O(shè)計(jì)出雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比控制方案，很好的解決了因工藝特性引起的控制難點(diǎn)。下面闡述這一設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思路。

圖3　系統(tǒng)工藝流程圖

3.2.1雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比外環(huán)控制回路

鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下的反應(yīng)，存在復(fù)雜性和滯后性；CEMS表計(jì)的測(cè)量，存在精確性和時(shí)間滯后性。要及時(shí)準(zhǔn)確的在鍋爐燃燒工況變化，而脫硝出口NOx未變化時(shí)，提前預(yù)估判斷出下一時(shí)刻脫硝出口NOx變化幅度和趨勢(shì)，提前量的改變氨氣噴入量，才能保證鍋爐脫硝出口NOx的含量控制在需求范圍內(nèi)。本文闡述的雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比外環(huán)控制回路，設(shè)計(jì)了鍋爐燃燒工況變化時(shí)預(yù)估計(jì)算出噴入氨氣的量，其原理是將鍋爐總風(fēng)量流量信號(hào)和同側(cè)脫硝入口NOx計(jì)算值，被用作預(yù)示下一時(shí)刻脫硝出口NOx的超前信號(hào)，再與通過(guò)脫硝入口和出口NOx計(jì)算出的效率，計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行工況下需要的氨氣噴入量信號(hào)，控制閥門動(dòng)作，調(diào)節(jié)噴氨量，達(dá)到提前量的預(yù)估控制。控制設(shè)計(jì)方案外環(huán)控制部分。

SP2=0.5*（ηNOx/100+PID1OUT）*0.4869*C1NOx*?（∑Q）

PV2=WNH3

ηNOx=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx

式中，ηNOx為效率；PID1OUT為內(nèi)環(huán)控制器輸出；C1NOx為入口NOx折算值；?（∑Q）為總風(fēng)量信號(hào)的函數(shù)關(guān)系；WNH3為氨氣流量；C2NOx為出口NOx折算值。

3.2.2雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比內(nèi)環(huán)控制回路

由于受反應(yīng)器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，脫硝出口NOx濃度波動(dòng)也較為頻繁。因此當(dāng)鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，脫硝出口NOx濃度出現(xiàn)變化時(shí)，通過(guò)雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比的內(nèi)環(huán)控制回路，精確的調(diào)節(jié)噴氨的量，使脫硝出口NOx濃度穩(wěn)定在需求值左右。另外，也可通過(guò)外環(huán)控制回路，精確校正鍋爐負(fù)荷變化后主回路控制的噴氨的量，降低氨逃逸率，減少氨氣對(duì)下游除塵、空預(yù)器等設(shè)備的損壞，防止除塵效率降低、空預(yù)器堵塞等現(xiàn)象。

SP1=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx PV1=100*（C1NOx-C2NOx）/C1NOx

式中，CNOx出口NOx設(shè)定值。

3.3氨氣流量限制、報(bào)警功能設(shè)計(jì)

前我國(guó)火力燃煤電廠，電網(wǎng)要求AGC負(fù)荷控制指標(biāo)必須達(dá)到電網(wǎng)《兩個(gè)細(xì)則》的要求，鍋爐負(fù)荷響應(yīng)必須迅速準(zhǔn)確，才能滿足電網(wǎng)《兩個(gè)細(xì)則》的相關(guān)要求。當(dāng)鍋爐荷變化快，燃燒工況變化大時(shí)，僅僅依靠噴氨量控制鍋爐出口NOx排放濃度，勢(shì)必造成出口下游氨逃逸率大大增加，不僅不利于經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行，還會(huì)造成電除塵設(shè)備損壞，降低除塵效果，甚至導(dǎo)致空預(yù)器頻繁堵塞。為了解決這一問(wèn)題，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，控制方案里設(shè)計(jì)在不同的負(fù)荷段，噴氨量控制在一定的上限內(nèi)。當(dāng)噴氨量達(dá)到這一上限，雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比外環(huán)控制回路限制輸出增加，保證噴氨量不過(guò)調(diào)。同時(shí)，DCS畫(huà)面告警提示運(yùn)行人員，需要通過(guò)調(diào)整SOFA二次風(fēng)量，控制鍋爐出口NOx的濃度。

圖4　CEMS表計(jì)反吹優(yōu)化前后曲線對(duì)比圖

4　控制指標(biāo)分析

通過(guò)信號(hào)測(cè)量失效時(shí)預(yù)估值計(jì)算控制方式的設(shè)計(jì)，很好的解決了燃煤火力發(fā)電廠的這一技術(shù)難題。從圖4不難看出，優(yōu)化前，當(dāng)脫硝CEMS表計(jì)反吹信號(hào)失效后，在鍋爐燃燒工況變化時(shí)，噴氨控制輸出保持不變，導(dǎo)致CEMS表計(jì)反吹結(jié)束后，脫硝出口NOx值大范圍階躍變化，不僅造成控制回路的調(diào)節(jié)振蕩，同時(shí)有可能使脫硝出口NOx濃度嚴(yán)重超標(biāo)。優(yōu)化后，當(dāng)脫硝CEMS表計(jì)反吹信號(hào)失效，控制回路能根據(jù)預(yù)估值繼續(xù)調(diào)整，CEMS表計(jì)反吹結(jié)束后，脫硝出口NOx濃度控制在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)。

圖5是采用雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比控制方案后，鍋爐出口NOx濃度控制曲線圖，分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在鍋爐燃燒工況的劇烈變化過(guò)程中，鍋爐出口NOx排放濃度均在燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度限值范圍內(nèi)。同時(shí)，氨逃逸率也得到了很好的控制，大大增強(qiáng)了戶二鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行。

圖5　自動(dòng)優(yōu)化效果圖

5　結(jié)語(yǔ)

戶二2*300MW機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的雙回路串級(jí)預(yù)估值摩爾比控制策略，不僅算法過(guò)程簡(jiǎn)單、參數(shù)整定方式清晰，而且很好的解決了CEMS表計(jì)吹掃信號(hào)失效時(shí)的控制難點(diǎn)，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行參數(shù)的檢驗(yàn)，達(dá)到各項(xiàng)環(huán)保要求控制指標(biāo)，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，對(duì)于SCR脫硝系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。