王 鎮(zhèn),薛姍姍,盛玉和

(1.華電濰坊發(fā)電有限公司,山東 濰坊 261204；2.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

火電廠SCR煙氣脫硝控制邏輯優(yōu)化

王 鎮(zhèn)1,薛姍姍1,盛玉和2

(1.華電濰坊發(fā)電有限公司,山東 濰坊 261204；2.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

為了解決火電廠脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍存在的震蕩、跟蹤慢、過調(diào)問題,闡述了脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫硝原理,并以華電濰坊發(fā)電公司二期2×670 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)為例,分析了其調(diào)節(jié)異常的原因,設(shè)計(jì)了脫硝出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式,通過對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和設(shè)備優(yōu)化,解決了出口氮氧化物(NOx) 濃度波動(dòng)大、超標(biāo)、氨逃逸升高等問題。實(shí)踐證明,采用脫硝出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式,不斷優(yōu)化脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠增強(qiáng)噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性,提高了脫硝系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及經(jīng)濟(jì)性。

火電廠;SCR;脫硝系統(tǒng);自動(dòng)調(diào)節(jié)

目前,中國各燃煤火力發(fā)電企業(yè)在對(duì)鍋爐脫硝裝置進(jìn)行建設(shè)和改造中,發(fā)現(xiàn)脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍存在自動(dòng)調(diào)節(jié)和整定問題,即脫硝出口和入口的煙氣流量、NOx濃度波動(dòng)幅度大、不規(guī)律、脫硝煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)定期,吹掃時(shí)CEMS測量數(shù)據(jù)變化幅度大等,造成了噴氨調(diào)節(jié)門跟蹤不及時(shí)、NOx濃度超標(biāo)[1]、噴氨量過大,氨逃逸升高,氨與煙氣中的三氧化硫結(jié)合生成硫酸氫銨,以致使其粘附在脫硝催化劑和空預(yù)器的換熱面上,堵塞了空預(yù)器[2]。為了確保煙氣脫硝效率,增強(qiáng)脫硝系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性以及經(jīng)濟(jì)性,需要配置可靠性較高的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本文以華電濰坊發(fā)電公司二期2×670 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)為例,分析了脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常的原因,設(shè)計(jì)了脫硝出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式,通過對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不斷優(yōu)化,加入PID控制前饋信號(hào)、動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制的上限和下限、CEMS吹掃屏蔽等方式,增強(qiáng)了噴氨調(diào)節(jié)自動(dòng)控制的穩(wěn)定性,取得了良好效果。

1 脫硝控制系統(tǒng)脫硝原理

中國目前新建大型火力發(fā)電機(jī)組脫硝系統(tǒng)大多數(shù)采用SCR(Selective Catalytic Reduction,選擇性催化還原法)工藝,SCR一般是將氨類(NH3)還原劑噴入煙氣中,利用金屬催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)?N2)和水(H2O)[3]。主要反應(yīng)方程式為

4NH3+4NO+O2→ 4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→ 2N2+3H2O

由于SCR沒有副產(chǎn)物,不形成二次污染,且裝置結(jié)構(gòu)簡單,脫硝效率高,因此它得到了廣泛應(yīng)用[4]。華電濰坊發(fā)電有限公司(簡稱濰坊公司)二期工程2×670 MW機(jī)組采用SCR工藝,設(shè)A、B兩側(cè)SCR反應(yīng)器,毎側(cè)安裝有聲波吹灰器、蒸汽吹灰器、噴氨調(diào)節(jié)門、噴氨快關(guān)門、噴氨流量計(jì)、CEMS進(jìn)出口NOx、氧氣(O2)儀表等設(shè)備。

脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)脫硝出口NOx濃度實(shí)時(shí)調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)門的開度,達(dá)到控制脫硝出口NOx濃度的目標(biāo)。其中,CEMS測量到的是煙氣中的一氧化氮(NO)濃度,而在實(shí)際計(jì)算和控制算法中用到的是NOx濃度,這就需要通過公式進(jìn)行換算和修正。煙氣中NOx濃度(干基、標(biāo)態(tài)、6%O2)的計(jì)算公式為

WNOx=WNO×1.53×(21-6)/(21-O2)

(1)

式中:WNOx為煙氣中NOx濃度;WNO為CEMS測量到的是煙氣中的NO濃度;O2為煙氣中的氧濃度。

2 脫硝控制系統(tǒng)存在的問題

濰坊公司脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)原有的控制方式為脫硝效率調(diào)節(jié)方式,根據(jù)脫硝入口NOx濃度、設(shè)定出口NOx濃度、實(shí)際出口NOx濃度,計(jì)算設(shè)定脫硝效率和實(shí)際脫硝效率;根據(jù)設(shè)定脫硝效率和實(shí)際脫硝效率的差值,實(shí)時(shí)調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)門的開度,來達(dá)到控制脫硝出口NOx濃度的目標(biāo)。

設(shè)定脫硝效率計(jì)算公式為K1=(W1-W2)/W1×100%

(2)

實(shí)際脫硝效率計(jì)算公式為K2=(W1-W3)/W1×100%

(3)

式中:W1為脫硝反應(yīng)器入口NOx濃度;W2為脫硝反應(yīng)器設(shè)定出口NOx濃度;W3為脫硝反應(yīng)器實(shí)際出口NOx濃度。

在實(shí)際運(yùn)行的過程中,通過對(duì)歷史趨勢進(jìn)行查詢研究,發(fā)現(xiàn)此種調(diào)節(jié)方式在負(fù)荷比較穩(wěn)定時(shí),自動(dòng)投入情況能夠滿足SCR反應(yīng)器運(yùn)行的要求,但當(dāng)負(fù)荷一旦變化時(shí),由于出入口NOx都將隨之大幅度變化,因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)擾動(dòng)較大,無法投入正常運(yùn)行,造成出口NOx濃度值時(shí)常超標(biāo)。

3 脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化

脫硝效率調(diào)節(jié)方式?jīng)]有直接以出口NOx濃度作為跟蹤量,因此在原有脫硝效率調(diào)節(jié)方式的基礎(chǔ)上,增加了出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式。PID控制器的設(shè)定值為出口NOx濃度,被調(diào)量為實(shí)際出口NOx濃度測量值,根據(jù)設(shè)定的出口NOx濃度和實(shí)際出口NOx濃度的偏差,經(jīng)PID運(yùn)算后生成噴氨調(diào)節(jié)門指令,實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)節(jié)門的開度,來達(dá)到控制脫硝出口NOx濃度的目標(biāo)。控制原理如圖1所示。由于直接跟蹤出口NOx濃度,因此調(diào)節(jié)更為直接有效。

由圖1可以看出,出口NOx濃度由設(shè)定值隨動(dòng)的單回路控制系統(tǒng)控制,控制回路簡單、易于調(diào)試和整定。在PID控制模塊中,PID具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際狀況來調(diào)整和優(yōu)化。積分時(shí)間宜設(shè)定在400 s左右,比例系數(shù)宜設(shè)定為0.1～0.2。

圖1 出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式控制原理圖

為了防止噴氨調(diào)節(jié)門過調(diào),在PID控制模塊中應(yīng)加入自動(dòng)調(diào)節(jié)的上限和下限,如設(shè)上限60、下限20,根據(jù)入口NOx濃度實(shí)時(shí)調(diào)整。具體方法為通過分析各種工況下的大量歷史數(shù)據(jù),記錄不同入口NOx濃度下調(diào)節(jié)門開度波動(dòng)的正常范圍,將入口NOx濃度引入分段函數(shù)功能塊,然后引入PID控制模塊的上限和下限。例如,在入口NOx濃度為300 mg/m3時(shí),調(diào)節(jié)門上限設(shè)為40、下限設(shè)為20;在入口NOx濃度為500 mg/m3時(shí),調(diào)節(jié)門上限設(shè)為60、下限設(shè)為30。

造成脫硝入口NOx濃度波動(dòng)的主要因素有機(jī)組負(fù)荷、磨煤機(jī)運(yùn)行方式、省煤器出口氧量、SOFA風(fēng)量、CCOFA風(fēng)量、偏置風(fēng)量等[5]。當(dāng)機(jī)組工況快速變化、入口NOx濃度大幅波動(dòng)時(shí),往往出現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)滯后。此外,煙氣在反應(yīng)器中有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程,CEMS測量儀表取樣管路通常較長,造成NOx測量存在明顯滯后,進(jìn)而造成自動(dòng)調(diào)節(jié)滯后。因此需要在PID控制模塊中加入前饋信號(hào),使用脫硝入口煙氣流量和入口NOx濃度的乘積得到的入口NOx含量作為前饋信號(hào),這樣有利于快速響應(yīng)工況變化,也進(jìn)一步增強(qiáng)了變負(fù)荷控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時(shí)性。

需要注意的是,由于出口和入口CEMS分析儀表需要進(jìn)行定期吹掃,吹掃時(shí)CEMS測量到的NOx濃度大幅變化,失去其真實(shí)性,不能再將此時(shí)測量到的NOx濃度作為PID控制模塊的跟蹤量,因此加入了吹掃狀態(tài)信號(hào),當(dāng)吹掃時(shí)跟蹤量保持吹掃前數(shù)值,保持時(shí)間可以根據(jù)吹掃后NOx濃度恢復(fù)正常所需時(shí)間來確定,通常在吹掃結(jié)束后3 min恢復(fù)實(shí)時(shí)跟蹤。用于跟蹤量的出口NOx濃度和用于前饋信號(hào)的入口NOx濃度都要引入吹掃狀態(tài)切換。

此外,還加入了自動(dòng)切手動(dòng)條件:調(diào)節(jié)門指令反饋偏差大、調(diào)節(jié)門反饋壞點(diǎn)、出口NOx濃度壞點(diǎn)、入口NOx濃度壞點(diǎn)、出口O2壞點(diǎn)、入口O2壞點(diǎn)等,切手動(dòng)。當(dāng)噴氨調(diào)節(jié)門切手動(dòng)時(shí),發(fā)出報(bào)警,及時(shí)提醒人員檢查處理。

在工況穩(wěn)定的情況下,進(jìn)行出口NOx濃度設(shè)定值階躍擾動(dòng)試驗(yàn),可以得到噴氨調(diào)節(jié)門開度響應(yīng)曲線,如圖2所示。

圖2 出口NOx濃度設(shè)定值擾動(dòng)曲線圖

由圖2可以看出,出口NOx濃度設(shè)定值由60 mg/m3調(diào)整為80 mg/m3后,噴氨流量由140 kg/h減小到120 kg/h,出口NOx濃度響應(yīng)曲線存在12 s純延遲,為大慣性控制對(duì)象,其調(diào)節(jié)過程較長,峰值時(shí)間為4 min,系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為10 min。出口NOx濃度測量值由60 mg/m3上升至第一峰值的88 mg/m3,超調(diào)為8 mg/m3,衰減率為75%,穩(wěn)態(tài)誤差<2 mg/m3,系統(tǒng)穩(wěn)定性、及時(shí)性和控制精度均為優(yōu)良。

在設(shè)定出口NOx濃度不變的情況下,通過鍋爐燃燒調(diào)整,進(jìn)行入口NOx濃度突升試驗(yàn),對(duì)比控制方式優(yōu)化前后出口NOx濃度變化曲線,如圖3所示。

圖3 入口NOx濃度突升試驗(yàn)曲線圖

由圖3可以看出,在設(shè)定出口NOx濃度為70 mg/m3的情況下,在3 min的時(shí)間里入口NOx濃度值由400 mg/m3上升到500 mg/m3,優(yōu)化后出口NOx濃度控制效果較優(yōu)化前大為改善?？刂菩阅軈?shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前后入口NOx濃度突升試驗(yàn)性能參數(shù)

4 脫硝控制系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高自動(dòng)調(diào)節(jié)效果,應(yīng)盡可能縮短CEMS儀表煙氣取樣管路的長度和減少彎曲,以保證煙氣分析儀表的快速反應(yīng)。定期對(duì)CEMS儀表進(jìn)行維護(hù)與校驗(yàn),對(duì)煙氣取樣管路進(jìn)行檢查,確保CEMS測量的準(zhǔn)確性[6]。

脫硝噴氨調(diào)節(jié)門和管道過濾網(wǎng)容易發(fā)生堵塞,會(huì)造成液氨供應(yīng)不足。液氨的純度通常很高,其濃度一般在99.5%以上,但還是會(huì)有少量雜質(zhì),這些雜質(zhì)帶有一定的粘性,粘附在調(diào)節(jié)門閥體和過濾網(wǎng)孔板處,長期積累后容易堵塞調(diào)節(jié)門閥體和過濾網(wǎng)孔板。因此,當(dāng)發(fā)現(xiàn)供氨流量異常時(shí),應(yīng)當(dāng)打開旁路閥手動(dòng)調(diào)整供氨,將噴氨調(diào)節(jié)門和管道過濾網(wǎng)拆下,清理雜物,用壓縮空氣將附著在調(diào)節(jié)門閥體和過濾網(wǎng)孔板處粘性雜質(zhì)清理干凈。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,應(yīng)加強(qiáng)聲波吹灰器和蒸汽吹灰器的檢修維護(hù),確保正常投運(yùn),防止出現(xiàn)催化劑表面掛灰或堵塞,避免影響催化劑活性。

5 結(jié) 論

1) 采用脫硝出口NOx濃度調(diào)節(jié)方式,不斷優(yōu)化脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠增強(qiáng)噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

2) 優(yōu)化PID控制參數(shù),能夠解決調(diào)節(jié)系統(tǒng)震蕩問題。

3) 使用脫硝入口煙氣流量和入口NOx濃度的乘積,得到入口NOx含量作為前饋信號(hào),能夠增強(qiáng)工況變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)的及時(shí)性,解決自動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤慢的問題。

4) 動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制的上限和下限,能夠改善自動(dòng)控制的超調(diào)問題。

5) 加入CEMS吹掃屏蔽能夠確保跟蹤量的有效性。

[1] GB 13223-2011,火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 武保會(huì),崔利.火電廠SCR煙氣脫硝控制方式及其優(yōu)化[J].熱力發(fā)電,2013,42(10):116-119. WU Baohui, CUI Li. SCR flue gas denitrification control and optimization in thermal power plants [J]. Thermal Power Generation, 2013,42(10):116-119.

[3] 羅子湛,孟立新.燃煤電站SCR煙氣脫硝噴氨自動(dòng)控制方式優(yōu)化[J].電站系統(tǒng)工程,2010,26(4):69-63. LUO Zizhan, MENG Lixin. Ammonia flow automatic control mode optimization of SCR flue gas DeNOxfor coal-fired power pla-nt [J]. Power System Engineering, 2010,26(4):69-63.

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Optimization of SCR flue gas denitrification control logic

WANG Zhen1, XUE Shanshan1，SHENG Yuhe2

(1.Huadian Weifang Power Generation Company, Weifang 261204, China；2.Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin 150030，China)

In order to solve the problems of ammonia flow automatic regulation of denitrification system in coal-fired power plant, including oscillation, slow tracking and over regulation, this paper expounded the working principle of ammonia flow automatic regulation of denitrification system, taking the denitrification system of the second-phase 2×670 MW unit in Huadian Weifang Power Generation Company as an example, analyzed the reasons for abnormal regulation, designs denitrification export NOxconcentration regulation mode, and solved the problems of export NOxconcentration, such as wide oscillation, over standard and increased escaped ammonia through the optimization of ammonia flow automatic regulation of denitrification system and equipment. The practice proved that denitrification export NOxconcentration control was able to optimize ammonia flow automatic regulation of denitrification system, strengthen its stability and enhance its reliability, continuity and economy.

thermal power plant; SCR; denitrification system; automatic regulation

2015-03-06。

王 鎮(zhèn)(1983—),男,碩士,助理工程師,從事火電廠熱工控制系統(tǒng)研究工作。

TK323

A

2095-6843(2015)05-0463-04