基于脫硝系統(tǒng)改造的自動化優(yōu)化分析

摘要：某電廠脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR脫硝裝置），原吸收劑為純氨。現(xiàn)實施液氨改尿素項目，改為SCR聯(lián)合脫硝工藝，還原劑為尿素水解氨。通過對改造完成后的脫硝系統(tǒng)進行建模，針對脫硝系統(tǒng)調試過程中發(fā)現(xiàn)的對自動調節(jié)效果有影響的因素進行系統(tǒng)辨識，設計調節(jié)回路，使脫硝系統(tǒng)精準噴氨，保證機組經濟穩(wěn)定運行。

關鍵詞：300 MW機組；脫硝控制；NOx預測分析

中圖分類號：X773；TP273" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0060-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.016

0" " 引言

某電廠建設規(guī)模2×300 MW燃煤發(fā)電機組，采用一次再熱、雙缸雙排汽、直接空冷、抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機，配2×1 065 t/h國產亞臨界、四角切圓燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣爐。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR脫硝裝置），原吸收劑為純氨，在設計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況（BMCR）、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于92%；催化劑3層布置，氨的逃逸率≤3×10-6，SO2/SO3轉化率lt;1%；脫硝出口NOx折算值濃度lt;30 mg/Nm3。

本期工程規(guī)模：建設2×300 MW液氨改尿素項目，其中本工程智能噴氨及噴氨優(yōu)化系統(tǒng)所涉及的機組為1號機組，脫硝采用SCR聯(lián)合脫硝工藝，尿素水解氨作為脫硝還原劑，NOx排放濃度lt;30 mg/Nm3（標態(tài)，干基，基準氧含量6%）。

脫硝系統(tǒng)為本身明顯具備時滯性及很大慣性的自動化調節(jié)對象，在機組運行的實際生產過程中，煤質、煤量、氧量變化及變負荷過程中出現(xiàn)的啟停磨，尿素水解氨中尿素含量和供汽壓力的不穩(wěn)定，甚至調閥不同開度區(qū)間調閥線性的差異，都會對脫硝系統(tǒng)投入自動化控制造成非常大的影響。

1" " 脫硝系統(tǒng)自動化優(yōu)化中的影響因素

1.1" " 脫硝系統(tǒng)應用氨氮摩爾系數(shù)前饋替代傳統(tǒng)PID進行自動化調節(jié)

因為脫硝系統(tǒng)本身明顯具備時滯性及很大慣性的特性，運行人員在手動調節(jié)過程中只能依靠“壓低”調節(jié)使氨過量供給，這樣才能使凈煙氣的NOx含量不超標，但這會造成水解氨在空預器中的過量剩余，導致煙氣中的硫化物與氨氣反應，在空預器中合成具備黏性和不易清理的硫酸氫銨，造成空預器堵塞[1]。傳統(tǒng)的PID調節(jié)系統(tǒng)只能依靠被調量（凈煙氣或SCR反應器出口）的NOx目標值與設定值進行調節(jié)。但基于脫硝系統(tǒng)本身的時變性及滯后性，傳統(tǒng)PID控制方案這種依靠NOx目標值和設定值偏差來指導噴氨調閥開度的優(yōu)化措施會有很大的延遲，導致變負荷工況下或機組平穩(wěn)運行時如有其他因素對機組平穩(wěn)燃燒造成巨大影響，則SCR出口的NOx將發(fā)生劇烈波動，從而造成環(huán)保對電廠的考核[2]。

基于傳統(tǒng)方案的劣勢，針對機組變負荷及不平穩(wěn)燃燒的工況設計了氨氮摩爾比系數(shù)方案，此方案的核心是對不同負荷段的不同煙氣量中NOx含量及濃度進行計算，建立針對各個不同負荷段的入口NOx含量的氨氮摩爾系數(shù)，在不同負荷下針對不同的入口NOx計算噴氨量。這樣可以及時應對機組的不穩(wěn)定運行工況，弱化PID的作用，使PID控制器的輸出量僅作為被調量的修正量。圖1為氨氮摩爾系數(shù)邏輯SAMA圖。

1.2" " 機組運行中氧量對NOx的影響及針對性優(yōu)化

爐膛內的氧量對NOx的生成有非常大的影響，在穩(wěn)態(tài)燃燒過程中，運行人員可能會因為不同因素對爐膛進行加風或減風，或者煤量等其他因素的波動也會造成氧量變化。而氧量的增加會使燃燒更加充分，導致燃燒溫度升高，NOx的含量與燃燒溫度關系密切，溫度越高，氮氣（N2）和氧氣（O2）越容易反應生成NO和NO2。這種反應稱為熱力學NOx生成，因為高氧量往往伴隨著高溫，而高溫又會導致NOx含量的劇烈提升，燃料中的氮化合物（如氨或氨基化合物）在高氧條件下也會更容易轉化為NOx。但是爐膛氧量提升后NOx到出口還有一定的時間。

針對此種情況設計了氧量前饋，在氧量升高時，前饋會針對氧量升高幅度對噴氨量進行預測調整。即針對爐膛氧量的變化對入口的NOx進行預測并給出提前量，使被調量的變化趨勢更加平穩(wěn)。

1.3" " 啟停磨對NOx的影響及針對性優(yōu)化

在運行過程中發(fā)現(xiàn)，啟停磨會對入口NOx造成劇烈影響，導致被調量的劇烈波動，而啟停磨又是運行人員針對運行工況的操作，DCS系統(tǒng)并不能對啟停磨操作進行提前預測。啟磨過程中，運行人員先用一次風進行暖磨，會導致爐膛氧量提升[3]，空氣系數(shù)（O2量）的變化也會影響NOx的生成。當鍋爐氧量增加時，NOx濃度呈現(xiàn)正向變化趨勢。這是因為燃料中的氮化合物與大量的O2發(fā)生反應，產生大量的燃料型NOx。停磨時，因為磨煤機停止運行，造成爐膛內燃燒的煤粉量減少，這樣會對燃燒的效率和特性造成影響，進而導致煙氣中的NOx含量升高。首先，停磨后，因為燃料量的減少，爐膛內的燃燒氧量會相對增高，進而造成燃燒的局部升溫，熱力型NOx會在此種環(huán)境中急劇增加。其次，當一臺磨煤機停止后，某些區(qū)域的氧氣和燃料濃度比會發(fā)生變化，導致局部生成更多的燃料型NOx。另外，在磨煤機停運的情況下，運行人員可能會調整燃燒器的配風，以保持爐膛內的燃燒穩(wěn)定性。這種調整可能會導致更多的空氣進入燃燒區(qū)域，提高燃燒溫度或提供更多的氧氣，從而促進NOx的生成。因此，啟停磨對機組NOx的影響非常大，應基于磨煤機的運行狀態(tài)判斷是否在啟停磨。

本方案用計數(shù)塊對磨煤機運行臺數(shù)進行計數(shù)，在啟停磨時進行前饋預測，針對NOx含量提前進行噴氨閥門的調整，從而使被調量（出口NOx或凈煙氣NOx）趨勢更加平穩(wěn)。

2" " 應用上述針對性措施后效果展示

1）應用氨氮摩爾系數(shù)后，在變負荷及工況突然變化情況下不同負荷段被調量的曲線如圖2所示，可以看出被調量的變化始終在驗收規(guī)程允許的范圍內，且對NOx含量的突然變化，此方案能及時響應，并將被調量調至穩(wěn)態(tài)。此方案相較傳統(tǒng)PID控制方案對脫硝系統(tǒng)的調試更為合適。

2）應用氧量前饋后，在機組變負荷及非穩(wěn)態(tài)工況下，被調量曲線趨勢更加平穩(wěn)。在氧量變化時，氧量預測前饋可以提前預測入口NOx變化趨勢，并使噴氨調閥提前動作，使被調量曲線無大幅波動。圖3為應用氧量前饋前凈煙氣NOx折算值波動趨勢，圖4為應用氧量前饋后凈煙氣NOx折算值波動趨勢。

3）應用啟停磨前饋后，機組大幅升降負荷期間，凈煙氣NOx含量一直滿足環(huán)保要求。圖5為啟停磨擾動情況，圖6為應用前饋后被調量趨勢。

3" " 結束語

根據優(yōu)化前后曲線對比可以明顯得出，氧量和啟停磨對機組脫硝自動化調節(jié)影響非常大，而脫硝系統(tǒng)又是一個具有時變性和滯后性的系統(tǒng)，在環(huán)保要求日益嚴格的如今，運行人員手動調節(jié)時采用盡量壓低多噴的方法，會生成硫氫化合物粘附在空預器上，影響空預器壽命。而本文所用方案能實現(xiàn)對脫硝系統(tǒng)入口NOx含量的精準預測，針對啟停磨及機組工況變化進行提前噴氨，有效降低出口NOx含量的波動幅度，實現(xiàn)機組全負荷段100%自動化投入，且調節(jié)效果良好，從而減輕了運行人員操作負擔，維護了機組安全穩(wěn)定經濟運行。

[參考文獻]

[1] 樊泉桂.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 陳皓煒，賈新春，孫小明，等.SCR脫硝系統(tǒng)的強化學習復合串級控制[J].動力工程學報，2022，42（5）：421-428.

[3] 葉濤.熱力發(fā)電廠[M].4版.北京：中國電力出版社，2012.

收稿日期：2024-10-28

作者簡介：劉俊良（1997—），男，河南人，工程師，研究方向：機組協(xié)調運行。

高正東（1986—），男，甘肅人，工程師，研究方向：機組協(xié)調運行。