某廠SCR脫硝噴氨自動優(yōu)化

劉江維

（貴州鴨溪發(fā)電有限公司，貴州遵義563108）

0 引言

氮氧化物是大氣主要污染物之一，通常所說的氮氧化物有多種不同形式，其中NO和NO2所占比例最大。研究表明，煤炭等化石燃料在高溫燃燒過程中會產(chǎn)生大量的NOx，火力發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)過程中排放的廢氣是NOx的主要來源之一。近年來，隨著環(huán)保要求的日益提高，低NOx燃燒技術(shù)已經(jīng)無法滿足排放要求，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為火電行業(yè)發(fā)展的一個制約因素。在此背景之下，鴨溪電廠4×300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組于2013年中開始建設(shè)液氨SCR脫硝系統(tǒng)，全部工程于2014年底完工。系統(tǒng)投運之初，由于較為嚴(yán)格的環(huán)保指標(biāo)要求以及運維經(jīng)驗的不足，經(jīng)常出現(xiàn)過量噴氨，日積月累，造成了空預(yù)器堵塞、尾部煙道腐蝕等后果，既不經(jīng)濟(jì)（液氨市場價已近3 000元/t）又影響機(jī)組安全運行。

基于以上現(xiàn)狀，公司成立專項小組，決定對脫硝噴氨自動進(jìn)行全面優(yōu)化。經(jīng)過長期對脫硝出口的濃度趨勢分析和對過往運維經(jīng)驗的總結(jié)得出：（1）目前單回路的自動控制方式無法滿足脫硝出口濃度控制要求；（2）由于鍋爐負(fù)荷的變化、燃燒不穩(wěn)，CEMS自動吹掃、測量不準(zhǔn)（或不具備代表性）等因素帶來的擾動不易克服且頻次較多；（3）濃度控制系統(tǒng)本身延遲較大，氨和氮的化學(xué)反應(yīng)時間及取樣分析遲滯也對自控品質(zhì)造成了較大的影響。

1 控制原理說明

脫硝噴氨自動主流的控制策略有兩種，一種是固定摩爾比，即控制脫硝效率，這種方式在入口濃度變化很大時，無法有效將出口NOx濃度控制在限值范圍之內(nèi)，不能完全滿足本地環(huán)保要求，在此就不贅述；另一種方式是固定出口濃度控制，即將出口NOx濃度控制在限值范圍之內(nèi)，這種方式既能滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，又可以減少氨耗量，有效控制脫硝運行成本。

SCR法脫硝是將氨類還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O。由于NOx主要是以NO和NO2的形式存在（其中NO約占總量的95%），SCR法的主要化學(xué)方程式為：

根據(jù)上面兩式可以得出SCR脫硝化學(xué)反應(yīng)中NH3和NOx的摩爾比值為：K=1/1×95%+2/1×5%=105/100?？紤]到化學(xué)反應(yīng)的不完全充分性，其比值K取約數(shù)1，即1 mol的NH3和1 mol的NOx進(jìn)行反應(yīng)（實踐中通過經(jīng)驗修正可以得到更為精確的比值K）。

通過以上分析，可以建立如下自控模型：出口NOx濃度設(shè)定和入口濃度（折算后）的差值與煙氣流量的乘積，可以看作是需要脫除的NOx流量信號；出口NOx濃度的過程值（折算值）和出口濃度設(shè)定值進(jìn)行比較，修正噴氨調(diào)門的輸出值來調(diào)節(jié)噴氨流量。由此可得到一個類似于串級控制的數(shù)學(xué)模型，其邏輯框圖如圖1所示。

圖1 邏輯框圖

2 現(xiàn)場優(yōu)化改進(jìn)

上述控制策略在DCS組態(tài)運行一段時間，經(jīng)觀察，雖然噴氨自動效果得到了一定改善，但還是存在一些問題，無法達(dá)到理想的控制效果。經(jīng)過不斷的分析、總結(jié)和嘗試，對自控系統(tǒng)做出如下改進(jìn)：

（1）為了克服CEMS取樣測點反吹帶來的擾動，將原來的反吹頻次由每2 h/次改為每4 h/次，同時設(shè)置儀表反吹保持功能并同步到DCS濃度測量邏輯上，即：反吹時濃度保持在反吹前一刻，至反吹完畢后恢復(fù)實際測量。另外，在保證反吹效果的同時盡量縮短反吹時間，有效地減小了反吹對自動的影響。

（2）為了克服負(fù)荷變化、燃燒變化、濃度變化等擾動以及由于取樣分析延遲造成的遲滯，將負(fù)荷根據(jù)運行經(jīng)驗折算成流量與實際檢測的流量進(jìn)行加權(quán)處理，既能減小流量測量波動帶來的干擾，又可作為一個前饋信號輸入；通過比較鍋爐排煙溫度與入口濃度的關(guān)系，尋找合適的溫度信號作為前饋等手段讓調(diào)門動作具有“預(yù)見性”；同時，為縮短取樣分析時間，在滿足工藝的前提下對CEMS取樣管路進(jìn)行了最大限度地縮短，并適當(dāng)調(diào)節(jié)采樣流速來克服因取樣分析過程造成的系統(tǒng)延遲。

（3）針對入口濃度單點測量不具備代表性，在脫硝每側(cè)入口煙道增加取樣測點并進(jìn)行混合，以提升抽取測量的代表性；加強(qiáng)對CEMS的巡檢（每天兩次）和對濃度、流量等表計的維護(hù)，確保測量準(zhǔn)確可靠。

3 取得的效果

（1）自控品質(zhì)提升。

穩(wěn)態(tài)時，從CEMS監(jiān)測日報可以看出：出口NOx濃度參數(shù)平穩(wěn)且趨近于設(shè)定值（濃度控制在設(shè)定值±10 mg/Nm3之間）。

擾動時，根據(jù)DCS歷史趨勢顯示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動后能在2～3個周期之內(nèi)調(diào)整回來，趨近于設(shè)定值，如圖2所示。

（2）基于自控品質(zhì)的提升，除設(shè)備異常外，投入自動時可以確保不發(fā)生NOx均值超標(biāo)情況，從一定程度上解放了運行人員，降低了勞動強(qiáng)度。

圖2 DCS歷史趨勢圖

（3）項目實施完成后，脫硝運行經(jīng)濟(jì)性得到顯著提升：2015年全年電能產(chǎn)品56.88億kW·h，脫硝氨耗0.852 g/kW·h；2016年全年電能產(chǎn)品43.06億kW·h，脫硝氨耗0.775 g/kW·h，脫硝氨耗有明顯的下降。按年發(fā)電量50億kW·h核算，可節(jié)約液氨成本50×108×（0.852-0.775）×10-6×3 000=1 155 000元。

（4）過量噴氨的危害是在反應(yīng)過程中生成硫酸銨或硫酸氫銨，并在下游設(shè)備沉淀，導(dǎo)致腐蝕，存在安全隱患，但無法定量分析；本項目實施完成后，還未發(fā)生過因過量噴氨造成空預(yù)器堵塞、尾部煙道腐蝕的情況。

（5）確保粉煤灰的品質(zhì)。過量噴氨會增加飛灰中的NH3化合物，改變飛灰品質(zhì)，當(dāng)含量大于80 mg/kg就會影響飛灰的銷售和利用。

4 結(jié)語

SCR脫硝噴氨自動優(yōu)化是對脫硝運維的摸索和總結(jié)，我們利用脫硝化學(xué)反應(yīng)物料平衡的原理，綜合考慮并確定了NH3和NOx的摩爾比，結(jié)合傳統(tǒng)的偏差控制，來建立模型；將流量測量結(jié)合機(jī)組負(fù)荷（指令）來確定NOx流量，進(jìn)一步核算總量，其優(yōu)點在于一定程度上克服了流量測量可能存在的不準(zhǔn)確性和波動干擾，并具有一定的前饋功能；針對濃度控制系統(tǒng)的遲滯性（主要是煙氣取樣分析延遲），在鍋爐側(cè)尋找前饋信號，追求濃度變化與噴氨流量變化在反應(yīng)區(qū)的時間一致性；充分考慮CEMS的測量、控制對自動的影響，并將相關(guān)信息組態(tài)到自動邏輯中，克服或盡可能地減小了干擾。通過該項目的實施，有效解決了鴨溪電廠噴氨自動效果不好的問題，一定程度上解放了運行人員，更重要的是對于機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運行有顯著的提升效果，而且為煙氣達(dá)標(biāo)排放提供了可靠的技術(shù)保障。