咸士龍

（華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

0 引言

氮氧化物是指對 NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱，其中NO和NO2是造成環(huán)境污染的主要因素。氮氧化物的危害主要包括：感染呼吸道，引發(fā)氣管、肺的慢性中毒；形成酸雨，地表水酸化，富營養(yǎng)化；形成光化學煙霧，當?shù)趸锱c碳氫化物共存于空氣中時，經陽光紫外線照射，發(fā)生光化學反應產生光化學煙霧，它是一種有毒性的二次污染物，其產生的溫室效應約是CO2的200～300倍；NOx還可轉化為硝酸鹽顆粒，形成PM2.5，增加顆粒物的污染濃度、毒性和酸性。

據(jù)統(tǒng)計，70%的氮氧化物來自于煤炭的直接燃燒，為減少氮氧化物的排放改善大氣環(huán)境，2012年新修訂的《火電廠大氣污染物排放標準》要求，到2015年國內已運行和新建火電機組要全部安裝煙氣脫硝設施，以實現(xiàn)“十二五”規(guī)劃綱要中要求的氮氧化物減排10%的總體目標。為有效控制電站鍋爐NOx排放，適應國內日益嚴格的環(huán)保政策要求，滄東電廠3號機組于2008年安裝了脫硝系統(tǒng)，采用了選擇性催化還原法煙氣脫硝技術。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的控制策略不僅要保障工藝設備的穩(wěn)定運行，還要滿足脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)工藝流程

1.1 選擇性催化還原（SCR）脫硝技術

SCR（Selective Catalytic Reduction）——選擇性催化還原法是目前國際上技術最成熟、應用最廣泛的煙氣脫硝技術，反應流程如圖1所示。SCR法是指在催化劑及氧氣存在的條件下，向溫度約280～420℃的煙氣中噴入氨，NOx與氨發(fā)生反應，將NOx還原成無害的N2和H2O。我國首例SCR脫硝工程于1999年投運，目前國內約300家電廠已采用該工藝。SCR煙氣脫硝效率較高，可達80%～90%，但SCR脫硝技術投資和運營成本相對較高。其基本的反應方程式為：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O；6NO2+8NH3→7N2+12H2O；NO+4NH3→6H2O+5N2。

1.2 液氨存儲及供應系統(tǒng)

此系統(tǒng)為脫硝反應提供氨氣。液氨車運送的液氨，經過卸料壓縮機將液氨送至液氨儲存槽內，液氨在蒸發(fā)槽內蒸發(fā)為氣氨，然后進入氣氨儲罐，氣氨通過稀釋風機稀釋后，分別經過兩2臺機組的噴氨格柵送入SCR反應器。按（NOx/NH3）1∶1的比例噴入鍋爐煙氣中的NH3在SCR反應器中催化劑的作用下與煙氣中NOx進行反應，從而達到降低排煙中NOx含量的目的。液氨儲存和供應系統(tǒng)的控制在主體機組的DCS上實現(xiàn)，就地也同時安裝了MCC手操。

1.3 SCR反應器

圖1 SCR煙氣脫硝流程圖

脫硝反應器布置在鍋爐的省煤器與空預器之間，每臺鍋爐設2個反應器，每個反應器設三層催化劑，其中一層備用。煙氣在省煤器出口處被分為兩路，并行進入SCR反應器，經過反應器入口的氨噴射格柵，向下流經均流板、催化劑，反應完成后進入空預器、電除塵器、引風機、脫硫系統(tǒng)，從煙囪排入大氣。

2 SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)

脫硝自動控制系統(tǒng)儀表及設備選型應能滿足國家和國際相關的規(guī)范標準。所有控制儀表及設備具有高的可用性、穩(wěn)定性、可操性和可維護性，并滿足系統(tǒng)控制功能的要求。脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)（含聲波吹灰系統(tǒng)）的控制均納入本機組DCS，能實現(xiàn)以DCS操作員站顯示器為中心對脫硝系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。氨制備區(qū)的控制系統(tǒng)由獨立的MODICONQUANTUM冗余的PLC及調試工程師站組成，最終通過以太網，在除灰集控中心完成對氨制備區(qū)的監(jiān)控。脫硝控制系統(tǒng)能夠完成對相關參數(shù)的掃描與數(shù)據(jù)處理、參數(shù)越限自動報警、系統(tǒng)輔機程序啟停等功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以利用保護、聯(lián)鎖、人為干預的方式讓系統(tǒng)安全運行或停止。

脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)及氨區(qū)監(jiān)控的所有顯示器畫面（包括模擬圖、操作畫面、趨勢圖、報警畫面及操作指導等），集成在主機DCS操作員站上，實現(xiàn)對脫硝工藝系統(tǒng)進行遠方監(jiān)視和控制的功能。滄東公司二期DCS控制系統(tǒng)，使用的是南京西門子公司SPPA-T3000控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的一套自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總線采用工業(yè)以太網結構，總線冗余通過虛擬環(huán)網實現(xiàn)，虛擬環(huán)網是通過光纖和OSM連接組成的。T3000系統(tǒng)中有2條虛擬環(huán)網，它們是Automation Highway、Application Highway。每臺機組DCS控制系統(tǒng)包括8臺操作員站、1臺工程師站、1對冗余服務器及17對AP控制器，硬件主要由操作站、應用服務器、自動控制服務器及其網絡等組成。

3 SCR煙氣脫硝控制策略

3.1 氨氣壓力與溫度控制

氨氣溫度控制為單回路控制，主要通過調整蒸汽入口調節(jié)門的開度來控制氨氣出口溫度。氨氣壓力也是單回路控制方式，通過調整氨液蒸發(fā)器入口調節(jié)門來控制氨氣壓力穩(wěn)定在一定范圍內。由于在實際運行中，負荷波動變化較為頻繁，因此氨氣流量變化也較大，為維持壓力穩(wěn)定，將流量指令信號作為前饋加入到控制回路中，可提前進行壓力調節(jié)。

3.2 稀釋風量控制

稀釋風流量的控制目的是要保證氨氣在滿足一定稀釋比的條件下進入SCR反應器。將稀釋風量信號與氨流量信號相比得出稀釋比，稀釋比必須要控制在爆炸極限范圍內，根據(jù)空氣流量與氨氣流量稀釋比不超過5%，可以確定稀釋風量大小，稀釋風量確定后，并不隨鍋爐負荷改變而變化。稀釋風流量是通過稀釋風機調節(jié)擋板來控制的，在低負荷或低NOx值時，氨氣將低于5%。

3.3 氨氣流量控制

氨氣流量是通過NOx流量信號乘以NH3/NOx摩爾比得到的。NH3/NOx摩爾比是固定的，NOx流量為煙氣入口NOx濃度與煙氣流量的乘積。同時煙氣出口NOx濃度對NH3需求量加以修正，最終得出所需要的氨氣流量值。脫硝控制系統(tǒng)根據(jù)計算得出的氨氣流量值，通過控制氨氣調節(jié)門的開度，可以實現(xiàn)氨氣流量的自動控制。

3.4 脫硝率

脫硝率是通過反應器進出口煙氣中氮氧化物含量計算得出的脫銷效率，計算公式如下：

式中，NOxe為脫硝系統(tǒng)運行時反應器入口煙氣中NOx含量（mg·m-3）；NOx1為脫硝系統(tǒng)運行時反應器出口煙氣中NOx含量（mg·m-3）。

在SCR脫硝過程中，氨氮比、混合氣體流速和溫度是脫硝率的3個主要影響因素。

（1）氨氮比。氨氮比是脫硝率最直接的影響因素，煙氣入口的NOx含量隨著實際工況的改變而不斷變化著，這就要求作為控制變量的入口NH3必須根據(jù)NOx的變化而不斷調整，以特定的氨氮比來實現(xiàn)所要求的脫硝率。經過機組運行數(shù)據(jù)，脫硝率與氨氮比的關系如圖2所示。氨氮比不均勻性會導致SCR系統(tǒng)脫硝效率下降；氨氮比不均勻性越大，系統(tǒng)脫硝效率下降得越多。隨著SCR系統(tǒng)脫硝效率的上升，氨氮比不均勻性會導致更大程度上的脫硝效率下降。

（2）混合氣體流速。煙氣與氨氣混合均勻后，混合氣體流經催化劑床層的時間就是反應時間，反應時間的長短決定著反應能否充分進行。混合氣體的流速決定著反應時間的長短，通過機組實際運行數(shù)據(jù)，流速與脫硝率的關系如圖3所示。

（3）溫度。根據(jù)實際運行情況看，溫度對催化劑的影響很大，在溫度較低的情況下反應速度十分緩慢，而當達到合適的反應溫度區(qū)間（250～450℃）時，反應速率很快。通過機組實際運行數(shù)據(jù)，溫度與脫硝率的關系如圖4所示。

圖2 氨氮比—脫硝效率曲線

較低溫度的環(huán)境下催化劑的反應非常緩慢，然而當溫度介于250～450℃時，催化劑的反應速率急劇加快，脫銷效率也隨之急速增加，當溫度超過450℃時，催化劑的反應速率變化不大，脫銷效率也達到穩(wěn)定。

圖3 流速—脫硝效率曲線

圖4 溫度—脫硝效率曲線

4 脫硝控制系統(tǒng)報警

4.1 氨氣泄漏檢測

氨區(qū)共設在線固定式氨泄漏報警器4臺，分別設在液氨槽車卸料處1臺、液氨貯罐處2臺及2套蒸發(fā)器、緩沖器處1臺。氨泄漏報警器距設備最小頻率風向的上風側不大于2 m且離地面約0.3～0.6 m處，并在此設備附近各設有自動噴淋裝置。氨氣泄漏檢測儀器通過現(xiàn)場采樣氣體，通過分析處理輸出4～20mA信號。當檢測到空氣里的氨氣含量達到2×10-5時，就發(fā)出噴淋信號給稀釋噴淋閥，直到空氣里的氨氣含量小于安全值以下，稀釋噴淋閥停止噴淋。

4.2 儲氨罐液位高聲光報警

當卸氨時，儲氨罐液位到達高位時，由控制裝置發(fā)出聲光報警信號。就地操作箱設有消音按鈕，當液位回落后，按復位按鈕可熄滅光報警信號。

5 結語

SCR脫硝控制系統(tǒng)可以整體提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，利用NH3/NOx摩爾比函數(shù)實現(xiàn)脫硝效率的精確控制，而且控制策略簡單，有利于熱工人員整定各個自動系統(tǒng)的參數(shù)。最后通過多次實際應用，得出結論是控制系統(tǒng)能達到結構無靜差性或是靜差很小，可以忽略，能有效地控制脫銷系統(tǒng)各項控制指標，滿足自動化控制SCR脫硝系統(tǒng)的要求，為SCR脫硝系統(tǒng)提供了有效參考，有力地保障了整個系統(tǒng)的安全、高效運行。

［1］李銳.氮氧化物排放控制技術的現(xiàn)狀.第五屆火電廠排放控制技術研討會，2008

［2］廖正球.超臨界機組SCR脫硝技術特點.湖南電力，2008（4）

［3］西門子公司.西門子SPPA-T3000手冊，2006

［4］李宏.寧海電廠煙氣脫硝控制技術介紹.電力環(huán)境保護，2008，24（4）

［5］李鋒，王立，高富春.SCR煙氣脫硝自動控制系統(tǒng)及其在國華三河電廠的應用.熱力發(fā)電，2009，38（5）