SCR脫硝自動控制智能噴氨優(yōu)化

摘要：隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)步，自動化水平進(jìn)一步提高，對火電機(jī)組的自動化水平也提出了更高的要求，自動控制技術(shù)在火電機(jī)組中的應(yīng)用極大的減少了人力資源，降低了勞動者的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。近幾年，國家對燃煤電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)日益趨嚴(yán)，超低排放后的深度減排，使燃煤機(jī)組的一些設(shè)備不堪重負(fù)，脫硝噴氨的自動控制技術(shù)有待提高。本文主要介紹了脫硝自動噴氨的控制技術(shù)以及提高噴氨均勻性的改造措施，詳細(xì)分析了生產(chǎn)過程中自動噴氨控制存在的問題，產(chǎn)生的原因，提出了有效的解決方案，并應(yīng)用到實踐中，取得了良好的效果。

關(guān)鍵字：自動控制 ? 噴氨均勻性 ?氨逃逸 ?空預(yù)器堵塞

1 ?引言

國家環(huán)保形式趨于嚴(yán)峻，隨著國家大氣污染法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，冀氣領(lǐng)辦〔2018〕156號《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案》要求：電廠燃煤鍋爐（除層燃爐、拋煤機(jī)爐外）在基準(zhǔn)氧含量6%的條件下，燃煤電廠氮氧化物排放濃度不高于30mg/m3。目前我公司執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為國家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局聯(lián)合下發(fā) “《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》（發(fā)改能源[2014]2093號），明確要求現(xiàn)役30萬千瓦及以上公用燃煤發(fā)電機(jī)組，實施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，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度限值分別不高于50mg/m3、35 mg/m3、10 mg/m3）。

隨著國家大氣環(huán)境治理的力度逐步加大，燃煤電廠NOX濃度已降至小時均值不超過30mg/m?，加之國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整各電廠受燃煤成本壓力，入廠煤采購形式多樣，入爐煤均采用多種煤摻燒入爐，造成鍋爐脫硝入口NOX大幅波動，SCR脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍存在震蕩、延遲大、跟蹤慢、過調(diào)或欠調(diào)等問題，同時由于我公司SCR脫硝噴氨格柵設(shè)計不合理，導(dǎo)致SCR脫硝入口NOX與HN3混合不充分，SCR脫硝出口NOX采用直線型三點取樣，使SCR脫硝出口NOX濃度值不具備代表性，導(dǎo)致SCR脫硝噴氨自動控制投入率低、氨逃逸增大、空預(yù)器堵塞嚴(yán)重等問題。為了應(yīng)對更加嚴(yán)格的排放指標(biāo)，滿足國家及地方環(huán)保排放政策要求，實現(xiàn)深度減排條件下脫硝裝置安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行，需要提升氨噴射系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，提高NH3/NOx分布的均勻性，減少局部過噴引起的氨逃逸濃度高值，減輕空預(yù)器堵塞，對原有噴氨系統(tǒng)及整體流場進(jìn)行噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化改造。

我公司兩臺2×330MW機(jī)組，鍋爐是DG1110/17.4-Ⅱ12，為亞臨界、中間一次再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐，單爐膛Π型布置，四角切圓燃燒，尾部雙煙道，固態(tài)排渣，平衡通風(fēng)，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，制粉系統(tǒng)采用三臺雙進(jìn)雙出MGS4062鋼球磨。脫硝裝置原采用東方凱特瑞選擇性催化還原法（SCR）全煙氣脫硝。脫硝裝置催化劑采用蜂窩式、兩層布置（預(yù)留一層）高溫布置，反應(yīng)器布置于鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間;采用氨氣作為還原劑。2015年兩臺機(jī)組均進(jìn)行了超低排放改造，主要將原兩層燃燼風(fēng)改為三層并上移約3米左右，脫硝入口煙道進(jìn)行了均流優(yōu)化，催化劑更換為遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保18孔催化劑，2017年檢修時加裝了第三層催化劑。2019年對SCR脫硝噴氨格柵、噴氨母管、煙氣分布均流性進(jìn)行改造。改造后SCR脫硝入口NOX分布相對比較均勻，而且SCR脫硝出口增加了網(wǎng)格式取樣測點，SCR脫硝出口NOX濃度值更具有代表性，對SCR脫硝自動調(diào)整打下了良好的基礎(chǔ)。

SCR脫硝自2010年投運后，一直沿用普通單級PID調(diào)節(jié)方式，根據(jù)設(shè)定及脫硝出口實時NOX值調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)門開度，來控制噴氨量，確保達(dá)標(biāo)排放。2015年實行超低排放以來，在工況穩(wěn)定的情況下可滿足SCR脫硝NOX排放標(biāo)準(zhǔn)要求;一旦機(jī)組負(fù)荷波動大、工況調(diào)整頻繁，煤質(zhì)發(fā)生較大的變化，出入口NOX也將大幅波動，瞬時超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能充分發(fā)揮作用。只能改為手動控制調(diào)節(jié)門開度，完全依賴于運行人員的經(jīng)驗，達(dá)標(biāo)排放和經(jīng)濟(jì)性很難平衡，運行人員發(fā)現(xiàn)和調(diào)整不及時將造成出口NOX值超高限，運行人員為了控制NOX值小時均值不超標(biāo)，只能盲目開大調(diào)節(jié)門開度，造成氨蒸汽過噴現(xiàn)象，用氨量增加，氨逃逸變大，繼而引發(fā)空預(yù)期堵塞，空預(yù)器及下游設(shè)備腐蝕。各種不確定因素的存在給系統(tǒng)的正常運行造成了隱患。

2 ?SCR脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 ?SCR脫硝入口煙氣流速分布不均

SCR脫硝入口截面上NOx/NH3混合不均勻、噴氨格柵無法進(jìn)行分區(qū)調(diào)整噴氨，脫硝反應(yīng)器NOX與NH3反應(yīng)不均衡，導(dǎo)致出口NOX值偏差較大，分布均勻性差。A側(cè)NOX值最大值40.9 mg/Nm?，最小值21.5 mg/Nm?，B側(cè)最大值91.4 mg/Nm?，最小值33.4 mg/Nm?。

2.2 ?SCR脫硝出口取樣測點不具代表性

SCR脫硝出口測點呈直線布置，僅3個NOx取樣測點，測點布置少，不能代表整個截面上的NOx分布，出口取樣測點不具代表性，對運行人員運行操作判斷和運行參數(shù)比對及運行經(jīng)濟(jì)分析都沒有參考價值， 更不具備SCR脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)被調(diào)量的條件。

2.3 ?SCR脫硝噴氨自動投入率低

引起SCR脫硝噴氨自動投入率低的原因：SCR脫硝噴氨原自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲大、跟蹤慢、過調(diào)或欠調(diào)等問題，針對這些問題引起的原有SCR脫硝系統(tǒng)噴氨自動控制的不足，對噴氨流量控制進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)。引起SCR脫硝噴氨自動控制的擾動因素很多，主要有：1）機(jī)組負(fù)荷快速變化、驟升驟降;2）第三臺磨煤機(jī)啟停（C磨的啟停），3）煤粉的層投和層停; 4）風(fēng)量的變化，5）入爐煤質(zhì)變化，6）分析儀表本身的波動;7）CEMS儀表定期吹掃問題等，這些因素都會引起SCR脫硝入口NOX的變化，有時會劇烈大幅波動，從而影響SCR脫硝噴氨自動控制的穩(wěn)定性。

3 ?控制系統(tǒng)優(yōu)化

通過對影響SCR脫硝噴氨自動控制的穩(wěn)定性原因的分析，發(fā)現(xiàn)單純的PID控制已無法滿足現(xiàn)在的控制要求。由于受HOLLISYS軟件功能的限制，SCR脫硝自動無法實現(xiàn)模糊及預(yù)測控制，針對以上種種問題，對SCR脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)策略提出以下方針：以SCR噴氨自動控制為主，鍋爐燃燒配風(fēng)自動控制為輔的策略，同時對SCR脫硝系統(tǒng)噴氨母管、噴氨格柵、及出口NOX的取樣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 ?SCR脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)方面的優(yōu)化

在新的控制邏輯中，對CEMS吹掃、PID調(diào)節(jié)、手動控制方面做了調(diào)整，并且還加入了機(jī)組負(fù)荷前饋、凈煙氣隨動修正邏輯，滿足變工況運行的調(diào)節(jié)需要。

3.1.1針對CEMS儀表定期吹掃問題

在控制系統(tǒng)中加入吹掃信號，對CEMS采集到的測量信號進(jìn)行品質(zhì)判斷確定所得信號是否是處于吹掃狀態(tài)。吹掃時，保持前一狀態(tài)數(shù)值，以保證系統(tǒng)的正常運行。持續(xù)時間以NOX濃度恢復(fù)正常來確定，在反吹期間脫硝入、出口NOX濃度值保持原值不變持續(xù)6分鐘，為了避免反吹結(jié)束NOX濃度值有大幅變化造成脫硫出口NOX濃度值突升，在自動邏輯中添加反吹期間調(diào)節(jié)門稍微開大，保證脫硫出口NOX濃度值穩(wěn)定，為進(jìn)一步提高儀表測量準(zhǔn)確性和及時性，應(yīng)盡量減小CEMS儀表的取樣管路的長度及彎曲度，同時進(jìn)行定期校驗。

3.1.2前饋控制

在控制邏輯中引入SCR脫硝入口煙氣流量和入口NOX濃度的乘積作為前饋信號，用于快速響應(yīng)各種工況突變的對NOX擾動現(xiàn)象的發(fā)生，彌補(bǔ)反應(yīng)器和煙氣分析儀的滯后，增強(qiáng)調(diào)節(jié)效果。同時對SCR脫硝入口NOX值和對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門的開度值建立數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，形成SCR脫硝入口NOX值和對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥門的開度值的FX折線函數(shù)，直接作用在手操器上。當(dāng)煤質(zhì)摻燒不均，SCR脫硝入口NOX值大幅變化時，不經(jīng)PID計算，直接快速控制閥門動作，及時使氨蒸汽與煙氣中的NOX值混合，快速反應(yīng)，控制NOX值，避免SCR脫硝出口NOX值超標(biāo)，影響煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)煤質(zhì)單一或摻燒均勻時，SCR脫硝入口NOX值較穩(wěn)定，此函數(shù)值不參與SCR脫硝PID自動控制。

3.1.3 ?PID調(diào)節(jié)

查閱歷史曲線，檢查控制邏輯，實時觀察，動態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，根據(jù)實際工況對PID參數(shù)進(jìn)行完善。在原有PID控制的基礎(chǔ)上，一是：加快調(diào)節(jié)頻率，擾動發(fā)生時調(diào)節(jié)閥快速動作，為了避免過調(diào)發(fā)生震蕩，對PID的輸出做了限幅，使調(diào)節(jié)閥在適當(dāng)?shù)挠邢薹秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)，把被控參數(shù)的震蕩控制在可控范圍之內(nèi);二是：對給定值增加了隨動控制（被調(diào)量的給定值是時間的未知函數(shù)），把過程值與預(yù)期控制值的偏差做成折線函數(shù)疊加到給定值上。偏差為正時，給定自動增值調(diào)節(jié)閥開大;偏差為負(fù)時，給定自動減值調(diào)節(jié)閥關(guān)小，使被調(diào)量（脫硫出口NOX濃度值）接近預(yù)期控制值;三是：加入機(jī)組負(fù)荷前饋，機(jī)組負(fù)荷變動時（升負(fù)荷、降負(fù)荷）經(jīng)過函數(shù)FX進(jìn)行閥門開度的修正，針對SCR脫硝入口NOX隨著負(fù)荷的變化而變化的情況，我們對歷史趨勢進(jìn)行了研究統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)荷降低的時候入口NOX先升高后降低，當(dāng)負(fù)荷升高的時候入口NOX先降低后升高;基于此種情況我們加入了負(fù)荷前饋調(diào)節(jié)，利用機(jī)組實際負(fù)荷和AGC指令之間的差值進(jìn)行閥門開度的修正，尤其是在降負(fù)荷較大時，通過閥門迅速動作減少瞬時超標(biāo)的現(xiàn)象。提高變工況的適應(yīng)性;四是：加入脫硫凈煙氣隨動系統(tǒng)，SCR脫硝系統(tǒng)由于其工藝特性和煙道長度，SCR脫硝煙氣測點和凈煙氣測點安裝位置不同，會存在“倒掛”或取樣測點不具備代表性的現(xiàn)象，存在較大延遲和滯后，針對這個特性加入了凈煙氣出口NOX隨動修正，在限定值內(nèi)通過隨動FX函數(shù)，不斷修正閥門開度，一定程度上抵消了大延遲對自動調(diào)節(jié)造成的干擾。

3.3 ?SCR脫硝系統(tǒng)噴氨母管、噴氨格柵、及出口NOX的取樣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

3.3.1 ?SCR脫硝噴氨母管、噴氨格柵的優(yōu)化

通過合理設(shè)計母管直徑，采用分段變徑的方式使各分支管處的靜壓均衡，可實現(xiàn)個分支管內(nèi)流量一致?；诖嗽韺姲惫艿啦捎玫葔毫υO(shè)計，使得噴氨管道長度方向各處的流速基本一致，保證噴氨支管的流速基本一致，進(jìn)而使得噴氨格柵截面氨氣分布均勻.將現(xiàn)有噴氨格柵改為單側(cè)SCR的噴氨格柵分為2×7個分區(qū)，能實現(xiàn)煙道寬度和深度雙向精細(xì)化調(diào)節(jié)功能。

3.2新噴氨格柵在SCR入口煙道的位置34.945米。

每個分區(qū)設(shè)置36噴嘴，共設(shè)置504個噴嘴。SCR入口煙道截面積為2.28m×10.7m=24.396㎡，平均每平方米設(shè)置約21個噴嘴。為增強(qiáng)噴嘴噴射擴(kuò)散效果和防堵灰性能，使噴嘴Y形錯列布置.

3.3.2 ?SCR脫硝入口煙道加裝混合器

在SCR脫硝入口煙道的垂直段布置1層煙氣預(yù)混合器，標(biāo)高36.67米。煙氣預(yù)混合器采用圓盤式結(jié)構(gòu)，每個混合器模塊上布置2個圓盤，單側(cè)共8組，

3.3.3 ?SCR脫硝出口加裝全截面均布式取樣系統(tǒng)

將SCR出口網(wǎng)格布置截面平均分成3×3個區(qū)域，在每個區(qū)域中心布置煙氣取樣測點。每個測點采用取樣控制閥單獨控制分析、采用煙氣在線分析儀進(jìn)行檢測。取樣管上方布置防磨角鋼（導(dǎo)流防護(hù)板）。取樣管接入集管，集管上布置熱一次風(fēng)吹掃接口，熱一次風(fēng)從空預(yù)器一次風(fēng)出口管道處接，每根取樣管上設(shè)置一個氣動球閥控制，吹掃管設(shè)置一個氣動蝶閥控制。集管下接氣動蝶閥，再接往電除塵入口煙道。

四、優(yōu)化后的效果

SCR脫硝自動控制優(yōu)化后氨需求量減少，氨逃逸顯著下降，空預(yù)器運行阻力下降，有利于機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行。

4.1 ?優(yōu)化后SCR脫硝出口NOX分布情況

機(jī)組帶熱負(fù)荷運行，負(fù)荷為240MW，主汽流量為931t/h，SCR脫硝出口取樣

通過以上表格可以看出：SCR脫硝出口NOX濃度分布相對較均勻，取樣系統(tǒng)顯示A側(cè)SCR脫硝出口NOx平均值為30.0 mg/Nm?，B側(cè)SCR脫硝出口NOx平均值為26.9mg/Nm?。優(yōu)化后對 NH3/NOx 的混合、分布效果進(jìn)一步提高，通過噴氨自動調(diào)整，可滿足燃煤電廠NOx深度減排后達(dá)到 30mg/Nm3 以下的要求。

改造后手動測試孔測量出口NOX值，A側(cè)出口最大值36.1 mg/Nm?，最小值20.5 mg/Nm?。B側(cè)出口最大值29.8 mg/Nm?，最小值18.9 mg/Nm?。見表4-2。

4.2 ?優(yōu)化后SCR脫硝噴氨量及氨逃逸的情況

在不同運行工況下，優(yōu)化后尿素溶液濃度50%，需氨量減少40kg/h，SCR脫硝氨逃逸量大大降低，可較大程度改善空預(yù)器堵塞問題。優(yōu)化前空預(yù)器煙氣側(cè)阻力最高約達(dá)3kpa，平均阻力為2.7kpa，優(yōu)化后運行空預(yù)器阻力一直穩(wěn)定在1.3kpa以下，空預(yù)器阻力大幅下降。

五、優(yōu)化后所帶來的經(jīng)濟(jì)效益

優(yōu)化后尿素溶液濃度50%，需氨量減少40kg/h，按年運行時間7000小時計，一年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益127.6萬元。

優(yōu)化后氨逃逸下降，空預(yù)器阻力降低，按照空預(yù)器阻力至少下降300pa計算，三大風(fēng)機(jī)每年可節(jié)約運行電量103萬kw.h，上網(wǎng)電價按0，34元/kw.h計算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益35萬元。SCR脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益162.6萬元。

結(jié) ?論

通過SCR脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制策略及其參數(shù)的整定以及噴氨系統(tǒng)的優(yōu)化后，氨需求量減少，氨逃逸顯著下降，空預(yù)器運行阻力下降，有利于機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行，使被控參數(shù)（脫硫出口NOX濃度）控制在30mg/Nm?之下，在穩(wěn)定工況下可以控制在25mg/Nm?左右，可滿足燃煤電廠NOx深度減排后達(dá)到 30mg/m3 以下的要求。

提高了自動控制系統(tǒng)的自動投入率，提高了SCR脫硝系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，增強(qiáng)了噴氨自動調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。同時大大降低了運行操作人員的勞動強(qiáng)度。

氨逃逸的降低減少了對SCR脫硝下游設(shè)備空預(yù)器的影響，降低了三大風(fēng)機(jī)的能耗，提高了燃煤電廠運行的經(jīng)濟(jì)性。

姓名：張秀敏，出生年月：1976，12，女，籍貫：河北省石家莊市，職稱：助工，學(xué)歷：本科，研究方向：電廠環(huán)保 ?自動控制