火電機組脫硝噴氨自動控制優(yōu)化

楊文倫

（華潤電力（宜昌）有限公司，湖北 宜昌 443007）

近年來，電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，在新的電力供需環(huán)境下，火電機組深度調(diào)峰、熱電解耦、智能控制、運行優(yōu)化、儲能輔助等要求越來越高，努力提升火電機組靈活性、自動化水平和設(shè)備可靠性，參與電力輔助服務(wù)市場，增強市場競爭力和生存能力，增加與市場和社會的粘合度等非常必要。

目前，大部分火力發(fā)電廠采用SCR法脫硝，對脫硝系統(tǒng)的設(shè)備可靠性、在線監(jiān)測連續(xù)性和控制經(jīng)濟性的改善一直是各電廠研究的方向和難點。其中，脫硝噴氨自動在各負荷段的投入效果，既是保證脫硝環(huán)保參數(shù)達標的前提，也是對機組參與深調(diào)和空預(yù)器長周期安全運行的保障。

1 系統(tǒng)概況

此脫硝采用SCR法常規(guī)布置，設(shè)計一臺總調(diào)閥完成反應(yīng)器的噴氨控制。同側(cè)進出口設(shè)計一套一拖二CEMS分析儀進行煙氣取樣、處理、分析、計算，并具備自動反吹（進出口同時反吹）功能。CEMS取樣方式：入口單點取樣、出口多點取樣（見圖1）。

脫硝自動控制策略設(shè)計為：串級PID控制，前饋信號采用脫硝入口NOx和機組負荷函數(shù)擬合，可實現(xiàn)手自動無擾切換。當脫硝入口NOx變化較小時，自動投入正常，出口NOx控制平穩(wěn)，滿足環(huán)保要求；當脫硝入口NOx變化較大時，自動調(diào)節(jié)滯后，且呈發(fā)散趨勢，易造成脫硫出口NOx超標。

2 脫硝噴氨控制存在問題及原因分析

對原脫硝系統(tǒng)流場進行CFD數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果分析原導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)布置的合理性。從結(jié)構(gòu)上看，原脫硝系統(tǒng)的煙道布置有以下特點：

圖1 原脫硝系統(tǒng)CEMS布置圖和控制原理圖Fig.1 CEMS Layout and control principle diagram of the original denitration system

1）豎直段煙道較短，噴氨格柵布置在豎直段煙道中部，氨與煙氣混合距離不足。

2）上下彎頭處導(dǎo)流板設(shè)置稀疏，對煙氣的導(dǎo)流作用有限。

3）反應(yīng)器內(nèi)整流格柵低位布置，反應(yīng)器罩體內(nèi)導(dǎo)流板設(shè)置不合理，無法有效導(dǎo)流。

根據(jù)模擬計算，結(jié)果顯示原脫硝系統(tǒng)濃度場偏差較大。BMCR工況下，第一層催化劑來流速度與豎直方向最大夾角為73.64°，噴氨格柵前截面和催化劑上游截面流速相對標準偏差為53.38%和26.01%，催化劑上游截面NOx和NH3相對標準偏差分別為4.81%和36.72%，NH3/NOx摩爾比相對標準偏差為39.43%。

通過模擬結(jié)果可匯總脫硝系統(tǒng)存在如下主要問題，見表1。

表1 脫硝系統(tǒng)存在的主要問題及原因分析Table 1 Main problems and causes analysis of denitrification system

圖2 SCR反應(yīng)器CEMS布置圖Fig.2 CEMS Layout of SCR reactor

3 脫硝噴氨控制優(yōu)化方案

針對脫硝系統(tǒng)存在的問題，現(xiàn)從脫硝流場優(yōu)化、CEMS分區(qū)取樣、分區(qū)精準噴氨、控制策略優(yōu)化等方面進行改進，最大程度消除內(nèi)外擾動，保證脫硝參數(shù)平穩(wěn)變化與控制。

3.1 脫硝流場優(yōu)化

根據(jù)原脫硝系統(tǒng)流場數(shù)值模擬計算結(jié)果，對原導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和布置進行重新設(shè)計優(yōu)化：

1）混合器1安裝于傾斜煙道位置（旁路煙道前）、混合器2安裝于新噴氨格柵上部位置。

2）舊噴氨格柵全部拆除，新噴氨格柵下移至豎直煙道下彎頭位置。

3）導(dǎo)流板1安裝于省煤器出口位置、導(dǎo)流板2安裝于傾斜煙道位置（旁路煙道后）。

4）導(dǎo)流板3安裝于豎直煙道下彎頭位置、導(dǎo)流板4、5安裝于豎直煙道上彎頭位置、導(dǎo)流板6安裝于反應(yīng)器入口位置。

3.2 脫硝反應(yīng)器進出口CEMS取樣優(yōu)化

受測點布置、煙氣流場分布等影響，采用單測點或多點混合測量數(shù)值不具有代表性，難以真實反映脫硝出口煙氣NOx濃度分布，無法為脫硝運行提供準確、及時的數(shù)據(jù)參考。為配合脫硝分區(qū)精準噴氨需求，保留原進出口CMES采樣系統(tǒng)情況下，在脫硝反應(yīng)器出口煙道橫截面進行NOx濃度分區(qū)（分4區(qū)）實時巡測，指導(dǎo)各分區(qū)的噴氨調(diào)整。同時配套一拖四多點巡測CEMS分析儀，對脫硝反應(yīng)器出口各分區(qū)NOx濃度的分布進行實時測量。

在脫硝出口增設(shè)采用激光多次反射-抽取檢測技術(shù)原理的NH3檢測儀。準確有效地監(jiān)測脫硝出口氨逃逸量，判斷脫硝系統(tǒng)運行狀況及催化劑狀態(tài)，輔助進行精確調(diào)整，防止空預(yù)器堵塞。

3.3 脫硝分區(qū)精準噴氨

為使脫硝出口各分區(qū)NOx控制均勻，對脫硝進行分區(qū)噴氨設(shè)計，以煙道截面平均布置4根噴氨分區(qū)管路和調(diào)閥，與分區(qū)巡測CEMS分析儀一一對應(yīng)，可實現(xiàn)分區(qū)精準噴氨功能。

3.4 新型控制策略

3.4.1 分區(qū)調(diào)閥控制

分區(qū)調(diào)閥的控制目的：讓A、B兩側(cè)分區(qū)NOx值盡可能趨于本側(cè)母管的設(shè)定值，并配備偏置功能，從而達到對噴氨格柵各分區(qū)“細調(diào)”的目的。首先，根據(jù)脫硝流場數(shù)據(jù)分析煙道內(nèi)部NOx濃度分布規(guī)律，對各區(qū)域調(diào)節(jié)閥給出基本開度指令；其次，根據(jù)脫硝出口各區(qū)域NOx濃度值與均值的偏差修正各區(qū)域閥門開度，保證脫硝各噴氨分區(qū)氨氮摩爾比均勻。

具體而言，各分區(qū)調(diào)閥采用單回路PID控制，設(shè)定值為本側(cè)各分區(qū)平均值，但具有偏置功能，反饋值使用本分區(qū)的NOx濃度，前饋包括變增益后的母管調(diào)閥前饋和帶映射的母管調(diào)閥反饋。另外，為保證首臺稀釋風機啟動時脫硝混合管道的暢通，采用任一稀釋風機首次啟動信號加脈沖的形式，使各分區(qū)閥門超馳全開，第二臺稀釋風機啟動，不會超馳全開分區(qū)分門，并設(shè)置分區(qū)閥門的PID控制調(diào)整下限為20%，防止分區(qū)調(diào)閥全關(guān)。

3.4.2 總閥控制

母管調(diào)閥的控制目的：讓A、B兩側(cè)脫硝出口NOx值快速跟隨設(shè)定值，并在設(shè)定值沒有變化時保持在其最小偏差范圍內(nèi)。母管調(diào)閥控制邏輯采用串級+前饋的控制策略，思路如下：

以脫硝出口NOx設(shè)定濃度或脫硝效率作為主調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，出口NOx濃度的測量值作為被調(diào)量（出口NOx濃度設(shè)置多個切換，包括分區(qū)NOx濃度均值、煙囪入口NOx濃度等，便于反吹時采用），經(jīng)主調(diào)節(jié)器運算，得到的噴氨量再作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，氨流量計的測量信號作為副調(diào)節(jié)器的被調(diào)量，最終控制氨氣流量調(diào)節(jié)總閥。

由于脫硝CEMS系統(tǒng)測量存在明顯滯后，且反應(yīng)器和催化劑均為滯后環(huán)節(jié)，因而控制回路必須設(shè)置前饋：根據(jù)總風量、燃料量和入口NOx濃度（含氨逃逸折算）等預(yù)測出需脫除的NOx量，進而計算出需要的噴氨量，該流量直接作用于副調(diào)節(jié)器的給定值，用于對負荷、燃料量、熱量需求或主蒸汽流量的變化做出快速反應(yīng)。

4 脫硝噴氨控制系統(tǒng)優(yōu)化效果及展望

脫硝流場優(yōu)化后，在新的控制策略下，各分區(qū)調(diào)閥控制脫硝出口對應(yīng)分區(qū)NOx，使其分布均勻，避免分區(qū)NOx偏差大造成脫硝總出口NOx波動大，影響母管主調(diào)閥控制；母管主調(diào)閥根據(jù)機組各項參數(shù)和設(shè)定值控制脫硝總出口NOx。當機組負荷和入口NOx發(fā)生變化后，閥門提前動作，避免工況變化時造成脫硝出口NOx波動大，最終影響煙囪NOx排放值波動超標。同時在氨逃逸量超過3ppm時，主調(diào)閥閉鎖，避免了過量噴氨，造成空預(yù)器堵塞。

4.1 流場優(yōu)化效果

經(jīng)過脫硝流場優(yōu)化后，在BMCR工況下，第一層催化劑來流速度與豎直方向最大夾角為8.75°，催化劑上游截面流速相對標準偏差為6.02%；催化劑上游截面NOx和NH3相對標準偏差分別為1.44%和3.42%，NH3/NOx摩爾比相對標準偏差2.50%，各指標滿足要求。

4.2 分區(qū)調(diào)閥控制效果

當擾動發(fā)生時，分區(qū)調(diào)閥提前動作，使各分區(qū)NOx趨向統(tǒng)一，各分區(qū)NOx均可控制在10mg/Nm3，保證煙道內(nèi)NOx分布均勻，為脫硝總出口NOx控制創(chuàng)造條件。

4.3 主調(diào)閥控制效果

機組負荷穩(wěn)定時，單側(cè)NOx可控制在設(shè)定值±5mg/Nm3內(nèi)，煙囪總出口NOx波動可控制在±2mg/Nm3內(nèi)；升降負荷過程中，單側(cè)NOx可控制在設(shè)定值±10mg/Nm3內(nèi)，煙囪總出口NOx波動可控制在±5mg/Nm3內(nèi)，滿足環(huán)保要求，且自動投入率可達98%以上。

4.4 日常維護注意事項

由于脫硝進出口的NOx、O2等測量儀表取樣管路復(fù)雜，粉塵較高，容易出現(xiàn)堵塞、漏氣等情況，需合理設(shè)定定期吹掃、標定周期和數(shù)據(jù)保持時間，防止出現(xiàn)吹掃后數(shù)據(jù)突變情況；同時增強定期工作，保證設(shè)備處于良好的運行環(huán)境，減少設(shè)備故障時間，保證設(shè)備長期可靠運行。

5 結(jié)論

經(jīng)過對脫硝噴氨系統(tǒng)的優(yōu)化，將脫硝出口分區(qū)NOx與總出口NOx解耦控制，既解決了NOx分布不均，又解決了控制系統(tǒng)大慣性問題，使得在各類工況下NOx控制平穩(wěn)，減少了運行人員監(jiān)盤及操作干預(yù)的工作量，提高了噴氨自動的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了機組運行的安全性和經(jīng)濟性，使得機組參與深調(diào)更加靈活。