燃煤電廠SCR系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化提升

李志軍

（浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

2015年環(huán)保部等三部委發(fā)布《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，進(jìn)一步明確要求：東、中、西部地區(qū)分別于2017年、2018年、2020年前實現(xiàn)超低排放，其中NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于50mg/m3?！熬G水青山就是金山銀山”，國家對環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理越來越重視。近年來，北京周邊及河北地區(qū)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于30mg/m3，江蘇省發(fā)布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，在2023年7月1日起，單臺300MW及以上燃煤機(jī)組的顆粒物、SO2、NOx排放濃度限值調(diào)整為5mg/m3、25mg/m3、30mg/m3，未來燃煤電廠煙氣超低排放系統(tǒng)將面臨更加嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，這對脫硝系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 目前SCR運(yùn)行狀況

SCR脫硝技術(shù)因技術(shù)成熟、效率高在燃煤電廠得到廣泛應(yīng)用，但由于NOx測量的時變性和滯后性，傳統(tǒng)PID控制依靠NOx目標(biāo)值和設(shè)定值偏差來調(diào)節(jié)噴氨量，特別是在負(fù)荷快速變化時，脫硝效率波動大，個別時段會超出排放極限標(biāo)準(zhǔn)，為避免環(huán)?？己?，運(yùn)行人員只能通過加大噴氨來達(dá)到要求，但是脫硝效率的提升與氨逃逸的增加呈指數(shù)形式，勢必造成氨逃逸增多、噴氨的浪費(fèi)以及空預(yù)器堵塞問題的突出，并威脅引風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。

（1）噴氨主回路的常規(guī)控制無法消除出口NOx的劇烈波動

噴氨主回路一般采用PID控制器。脫硝系統(tǒng)入口和出口NOx測量滯后巨大，使得控制回路無法適應(yīng)脫硝過程非線性、大滯后和快時變的特點(diǎn)，出口NOx波動大。為了保證NOx不超限，出口NOx往往遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，浪費(fèi)了大量的氨，并且使得氨逃逸大大提高，影響下游設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）缺乏精細(xì)的分區(qū)調(diào)節(jié)手段，出口NOx分布不均勻

每個煙道只有一個自動氨量調(diào)節(jié)閥，在入口煙氣NOx濃度分布不均勻、以及催化劑性能偏差較大的時候，使得出口NOx分布偏差很大，進(jìn)一步浪費(fèi)了大量的氨，并使得氨逃逸大大提高。

綜合而言，目前的脫硝系統(tǒng)控制手段無法消除出口NOx在時間上和空間上的不均勻性。

（3）SCR催化劑缺乏精細(xì)化的分區(qū)性能管控

目前只能根據(jù)脫硝的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到催化劑整體的平均性能，但事實上催化劑的性能分布是不均勻的。建立精細(xì)化的分區(qū)性能管控系統(tǒng)，能夠更加及時準(zhǔn)確地掌握催化劑的性能分布場，有利于電廠的智能化管理。

2 優(yōu)化提升技術(shù)方案

以降低波動幅度和未來NOx排放濃度限值為25mg/m3技術(shù)準(zhǔn)備作為優(yōu)化提升目標(biāo)，通過對爐膛燃燒變化進(jìn)行噴氨量預(yù)測的提前干預(yù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨來解決SCR出口NOx波動幅度過大，需要從NOx測量滯后、煙氣流場的均勻性、設(shè)備可靠的自動調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行優(yōu)化提升，大致可分為四個部分：流場模擬及優(yōu)化、先進(jìn)測量系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和噴氨管路改造。

2.1 流場模擬及優(yōu)化

從省煤器出口至空預(yù)器入口的煙道建立1:1的流場模型，如圖1所示，分析不同工況下的脫硝系統(tǒng)流場，確定最佳分區(qū)及測點(diǎn)位置；然后對原煙道進(jìn)行合理分區(qū)，通過在合適位置布置分區(qū)導(dǎo)流板或混合器，首先提高噴氨格柵前流場均勻性，并結(jié)合脫硝NOx分區(qū)多點(diǎn)同步測量及主回路的前饋預(yù)測控制等技術(shù)手段對噴氨量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，然后通過分區(qū)內(nèi)的進(jìn)一步混合，實現(xiàn)還原劑與氮氧化物的充分接觸，從而實現(xiàn)氮氧化物的高效脫除。

圖1 流場模型

2.2 先進(jìn)測量系統(tǒng)

稀釋取樣法具有高可靠性、低成本、準(zhǔn)確的濕法測量，并解決了煙氣含塵量高而引起的堵塞問題，化學(xué)發(fā)光法在測定低濃度時準(zhǔn)確性最好。利用各自優(yōu)點(diǎn)，兩者相結(jié)合的取樣測量系統(tǒng)，具有不用除水、系統(tǒng)簡單的特點(diǎn)，大大降低了故障停運(yùn)概率和維護(hù)成本，尤其適合超低排放后的NOx測量，其精度最高可達(dá)1.0mg/m3。

在各區(qū)安裝“稀釋法”取樣裝置，將煙氣同步抽取后通過樣氣管傳輸至共用的“化學(xué)發(fā)光法”煙氣分析儀。實現(xiàn)一臺分析儀可以分時測量同一時刻不同區(qū)域煙氣的濃度。通過氣路設(shè)計使得每一路樣氣同時取樣后到達(dá)分析儀的時間存在順序差。每一路樣氣進(jìn)入分析儀前設(shè)置有控制電磁閥，同一時刻只打開一路電磁閥。各區(qū)域樣氣按照順序到達(dá)分析儀后，順序打開對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行測量，每測試完最后一路樣氣為一輪，同時更新顯示一組濃度場的數(shù)據(jù)，以此得到同一時刻、同一煙道界面濃度分布數(shù)據(jù)組。具體原理如圖2所示。

圖2 NOx分區(qū)同步測量技術(shù)方案

2.3 先進(jìn)控制系統(tǒng)

脫硝精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)主要分為噴氨總量先進(jìn)控制算法和智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法兩部分。

2.3.1 總量控制系統(tǒng)

噴氨總量預(yù)測控制算法是通過入口NOx軟測量技術(shù)，預(yù)測入口NOx濃度變化情況，并作為噴氨前饋的重要參數(shù)，參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，解決了入口NOx測量滯后的問題，同時利用氨逃逸對主回路進(jìn)行校正控制。另一方面，通過試驗得到不同負(fù)荷下的SCR反應(yīng)器的傳遞函數(shù)，進(jìn)而有針對性地實施控制算法模型。該算法能逐步累積測試得到的數(shù)據(jù)，自動學(xué)習(xí)，與燃燒器工況相組合在燃料變化時能夠快速判斷和調(diào)整。并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢及時發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞和磨損失效等問題，采取措施調(diào)整運(yùn)行方式，最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)化控制。控制策略如下：

1）目標(biāo)被控對象為環(huán)?？己酥笜?biāo)NOx濃度；

2）調(diào)節(jié)手段為原噴氨總管上的氨流量調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)噴氨總流量的多少，來保證CEMS儀表測得的NOx濃度不超標(biāo)；

3）在原有單PID控制回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測控制算法優(yōu)化改造，主要引入了鍋爐ULD指令、各臺磨的冷熱一次風(fēng)和煤量、省煤器出口O2、各大風(fēng)機(jī)指令以及SCR區(qū)域出入口NOx、O2、煙氣量等數(shù)據(jù)，通過以上數(shù)據(jù)對鍋爐、SCR區(qū)域的總體工況進(jìn)行預(yù)測和反饋控制，盡可能降低出口NOx濃度波動性，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。噴氨總量控制柜圖如圖3所示。

圖3 噴氨總量控制框圖

2.3.2 智能噴氨格柵均衡脫硝控制

采用均衡控制算法，優(yōu)化并在線控制各個分區(qū)的噴氨比例，從而實現(xiàn)出口NOx空間上的分布均勻，具體策略如下：

1）將原有噴氨格柵處的手動噴氨格柵進(jìn)行自動化改造，通過流場模擬技術(shù)對噴氨格柵進(jìn)行網(wǎng)格法劃分，每側(cè)煙道劃分成為8個網(wǎng)格，分別由新改造的8個自動調(diào)閥進(jìn)行控制，并與SCR出口新增的8個NOx分區(qū)測點(diǎn)對應(yīng)；

2）分區(qū)閥門主要調(diào)節(jié)手段是對氨空混合器后的混合還原劑進(jìn)行分配調(diào)節(jié)，使得進(jìn)入噴氨格柵各個區(qū)域的還原劑濃度相對關(guān)系發(fā)生變化，而不對總噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)，總噴氨量調(diào)節(jié)由噴氨總管上的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行；

3）分區(qū)調(diào)節(jié)的目標(biāo)是使得SCR出口各個NOx分區(qū)測點(diǎn)濃度趨于一致，即調(diào)平作用；

4）在調(diào)試階段，會通過試驗方式確定每個調(diào)節(jié)閥的閥位-流量-NOx濃度的對應(yīng)關(guān)系，用于閥門調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定參考；

5）分區(qū)調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)時，主要參考各個NOx分區(qū)濃度的歷史趨勢、其相對關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對較高的分區(qū)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往高閥位動作，相對較低的分區(qū)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往低閥位動作；

6）分區(qū)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時，主要保護(hù)參數(shù)為SCR區(qū)稀釋風(fēng)流量，總體所有分區(qū)調(diào)節(jié)閥會保證一定開度，以防止SCR區(qū)域稀釋風(fēng)流量過低導(dǎo)致SCR退出事件發(fā)生。同時，會結(jié)合每個分區(qū)的氨氣流量值和對應(yīng)出口NOx測量值，對脫硝層的局部活性進(jìn)行診斷，并在局部催化劑失活狀態(tài)下，不出現(xiàn)分區(qū)噴氨急劇過量的情況。

分區(qū)噴氨均衡控制算法，原理如圖4所示，會充分考慮到各個噴氨分區(qū)和出口NOx測量分區(qū)事實上并不能達(dá)到100%完全對應(yīng)，且調(diào)整單個噴氨閥門時也會對其他管路中的噴氨量產(chǎn)生影響等因素。

圖4 均衡噴氨控制算法原理

2.4 噴氨管路分區(qū)改造

噴氨管路分區(qū)改造是指噴氨管路的分區(qū)改造與自動化控制，通過更改噴氨格柵前噴氨分支管道，在分支管道加裝氣動調(diào)節(jié)蝶閥，原來手動閥門保留移位，根據(jù)實際情況將單側(cè)煙道劃分為多個分區(qū)，與脫硝出口NOx測點(diǎn)對應(yīng)，實現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制，如圖5所示。

圖5 噴氨管路分區(qū)改造

3 實施效果

通過建立鍋爐燃燒工況與入口NOx含量的模型預(yù)測控制，精確預(yù)測出NOx變化的趨勢和數(shù)值，在原有PID閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入前饋信號，克服燃燒系統(tǒng)慣性，大幅度降低NOx波動，增強(qiáng)控制穩(wěn)定性，杜絕因波動引起的NOx超標(biāo)，減少氨逃逸和噴氨量機(jī)組脫硝系統(tǒng)的噴氨量快速準(zhǔn)確地跟隨入口NOx波動，使出口NOx濃度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，減少欠噴和過噴的問題。

實施噴氨總量先進(jìn)控制后，能夠更加及時的進(jìn)行噴氨，所以能夠在全負(fù)荷工況下有效降低出口NOx和總排口NOx的波動性，有利于運(yùn)行采取壓線運(yùn)行的方式操盤。尤其是針對目前火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行、靈活性調(diào)峰的特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)通過不同負(fù)荷下建立多模型，增強(qiáng)了對于低負(fù)荷運(yùn)行情況下SCR出口NOx的控制適應(yīng)性，能夠有效保證低負(fù)荷下SCR自動的投入率。

某電廠應(yīng)用后，在總量控制和均衡控制調(diào)試完成正式投入使用后，A/B側(cè)出口NOx濃度25mg/Nm3±3mg/Nm3，長期處于穩(wěn)定水平，總排出口NOx保持25mg/Nm3以下不超標(biāo)。脫硝出口設(shè)定值調(diào)整為20mg/m3，持續(xù)運(yùn)行24h，A/B側(cè)硝出口與總排出口實測值20mg/Nm3±3mg/Nm3，實施效果圖如圖6～圖9所示。

圖6 脫硝總量優(yōu)化穩(wěn)定負(fù)荷工況效果

圖7 脫硝總量優(yōu)化變負(fù)荷工況效果

圖8 調(diào)閥自動投運(yùn)前測點(diǎn)曲線圖

圖9 調(diào)閥自動投運(yùn)后測點(diǎn)曲線圖

4 結(jié)束語

通過精準(zhǔn)噴氨的SCR系統(tǒng)，在噴氨總量的波動和SCR出口NOx不均勻性有了很大的改善，在設(shè)定總排出口設(shè)定在25 mg/m3的情況下，實測值在20～30 mg/m3附近，全工況下氨逃逸未出現(xiàn)超標(biāo)情況，符合環(huán)保要求；同時降低了操作人員的工作強(qiáng)度，為燃煤電廠污染物近零排放提供技術(shù)支持。