倪新宇

（中國華電集團(tuán)公司望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155）

火電廠脫硝系統(tǒng)控制分析及優(yōu)化

倪新宇

（中國華電集團(tuán)公司望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155）

介紹了選擇性催化還原法（SCR）脫硝的原理及工藝流程，論述了脫硝系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的處理原則，針對原控制邏輯的不足進(jìn)行了優(yōu)化，找到了一個既能控制NOx脫除，又能控制氨逃逸的控制策略，使調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯提高。

煙氣脫硝；噴氨控制；前饋控制；氨逃逸率；調(diào)節(jié)品質(zhì)

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0 引言

自2006年開始，我國燃煤機(jī)組已逐步投運(yùn)脫硝系統(tǒng)，典型火電機(jī)組具有脫硝、除塵、脫硫三大煙氣凈化環(huán)保設(shè)施。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，從2012年1月1日起，新建火電機(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度控制在100mg／m3以下；在環(huán)保重點(diǎn)地區(qū)，要求2013年完成火電機(jī)組脫硝改造，機(jī)組NOx排放質(zhì)量濃度不超過100mg／m3。鑒于治霾形勢嚴(yán)峻，有的機(jī)組已設(shè)定50mg／m3的排放目標(biāo)。

選擇性催化還原法（SCR）脫硝是目前國內(nèi)外火電機(jī)組應(yīng)用比較廣泛的一種煙氣脫氮技術(shù)，但在應(yīng)用上還有諸多不完善的地方，本文將根據(jù)工作實(shí)踐提出控制方面的優(yōu)化建議。

1 SCR脫硝工藝

SCR脫硝系統(tǒng)按設(shè)備所在區(qū)域和功能，分為儲氨區(qū)（氨站）和脫硝區(qū)（反應(yīng)器），脫硝系統(tǒng)在燃煤電廠中的布置情況如圖1所示。

圖1 脫硝系統(tǒng)在燃煤電廠中的布置示意

1.1 脫硝原理

氨氣先與20倍于自己體積的空氣混合，再與320～420℃的煙氣混合，然后通過催化劑完成脫硝反應(yīng)。影響反應(yīng)的主要因素為活性區(qū)域因子（比表面積、孔體積和活性成分濃度的函數(shù)）、煙氣溫度和反應(yīng)物濃度。

脫硝過程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：

反應(yīng)（1）為主要反應(yīng)，煙氣中氧量為2%即可滿足反應(yīng)需求。但在實(shí)際反應(yīng)中，為達(dá)到所要求的NO脫除率，需要多噴入適量NH3來補(bǔ)償混合的不均勻性。

1.2 儲氨站生產(chǎn)工藝流程

儲氨站主要生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。除主要工藝流程外，還設(shè)置了事故氨吸收及液氨儲罐降溫冷卻水循環(huán)等輔助系統(tǒng)。液氨儲罐設(shè)置了液位高低報(bào)警裝置并與卸氨壓縮機(jī)聯(lián)鎖，控制卸氨壓縮機(jī)的啟停；氣化緩沖系統(tǒng)根據(jù)蒸發(fā)的氨氣溫度控制電加熱器或加熱蒸汽，應(yīng)對供應(yīng)氨氣流量的變化設(shè)置壓力自動調(diào)節(jié)閥，整個工藝流程自控化水平較高，可以實(shí)現(xiàn)無人值守。

圖2 儲氨站生產(chǎn)工藝流程

1.3 SCR脫硝裝置各系統(tǒng)的作用

（1）氨的噴射系統(tǒng)。來自儲氨站的氨氣經(jīng)過氨氣流量調(diào)節(jié)閥和鼓風(fēng)機(jī)的空氣以1∶20以下的比例進(jìn)入混合器混合，混合均勻后經(jīng)氨氣噴嘴均勻噴入SCR入口煙道。

（2）煙氣系統(tǒng)。包括省煤器出口煙道到SCR反應(yīng)器入口和SCR出口到空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙道，要保證煙氣流速的均勻性。

（3）SCR反應(yīng)器。包含反應(yīng)器殼體、催化劑、殼體內(nèi)部所包含的支撐結(jié)構(gòu)、煙氣整流裝置、密封裝置、反應(yīng)器的平臺扶梯等，是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場所。

（4）吹灰系統(tǒng)。包括吹灰系統(tǒng)所有設(shè)備部件、相關(guān)閥門管路系統(tǒng)、控制設(shè)備等，采用聲波吹灰器清灰。

1.4 氨氣逃逸控制要求

1.4.1 氨氣逃逸的危害

氨氣逃逸后與 SO3反應(yīng)生成 NH4HSO4，在150～200℃時為黏性殘余物，在空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）冷端沉積，造成堵塞和腐蝕。以空預(yù)器為例，國外經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)氨氣殘余量大于0.010‰時，必須1～2周對其進(jìn)行一次全面清洗，否則空預(yù)器許多部件的壽命只有2個月左右。但應(yīng)用氨氣殘余分析儀之后，可將氨氣殘余量控制在0.003‰以內(nèi)，這樣每年只要進(jìn)行一次清洗就可保證空預(yù)器正常使用。

1.4.2 控制氨氣逃逸量的作用

（1）準(zhǔn)確的氨氣逃逸率讀數(shù)是監(jiān)控脫硝系統(tǒng)正常工作的一個重要參數(shù)，可用來控制脫硝系統(tǒng)正常工作，避免增加空預(yù)器阻力，甚至造成腐蝕。

（2）氨氣逃逸率的精準(zhǔn)計(jì)量可用來延長SCR中催化劑的使用時間，從而經(jīng)濟(jì)地更換下一批催化劑。

（3）預(yù)估催化劑的更換和再生時間。由于催化劑的制造和交貨周期都比較長，可采用SCR以外的方法提高脫硝能力，延長催化劑壽命。

2 脫硝系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的處理

由于一般采用抽取冷凝干燥后煙氣進(jìn)行分析的方法，所以儀表輸出數(shù)值已為干標(biāo)態(tài)濃度，不需換算。標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的大氣污染物濃度均指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣的數(shù)值，簡稱“干標(biāo)態(tài)”。

在SCR反應(yīng)器前后煙道上測量NOx濃度時，一般煙氣在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）可測量出采樣氣體中NO的濃度，或者測量出NO+NO2的濃度。在脫硝工藝中，NO占NOx的大多數(shù)，測量前者即可，如果是排放檢測，就要求測全氮，即NO+NO2。為了方便環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳比較，我國統(tǒng)一以干標(biāo)態(tài)的NO2計(jì)算濃度代表NOx濃度。由于大氣污染物排放指標(biāo)是以基準(zhǔn)氧含量折算后的濃度，所以，在脫硝工藝的監(jiān)控中還需將干標(biāo)態(tài)的濃度進(jìn)行基準(zhǔn)氧含量折算。

煙氣脫硝過后的氮氧化物，在現(xiàn)有空預(yù)器、除塵器、脫硫工藝中只有少量損失，絕大部分由煙囪排放。為了控制排放濃度，應(yīng)使SCR工藝統(tǒng)一以環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量NOx。

3 脫硝系統(tǒng)順序控制邏輯

3.1 控制設(shè)備

（1）稀釋風(fēng)機(jī)A／B。

（2）反應(yīng)器氨氣速關(guān)閥。

3.2 設(shè)備控制

鍋爐送風(fēng)機(jī)啟動后，手動啟動稀釋風(fēng)機(jī)；鍋爐引風(fēng)機(jī)停止后，手動停止稀釋風(fēng)機(jī)。

3.2.1 稀釋風(fēng)機(jī)

啟動允許條件（AND）：（1）無故障信號；（2）稀釋風(fēng)機(jī)A遠(yuǎn)程啟動允許。

聯(lián)鎖開（OR）（以稀釋風(fēng)機(jī)A作為備用為例）∶（1）稀釋風(fēng)機(jī)B運(yùn)行且A／B兩側(cè)任一空氣流量小于x1（定值x1為單臺反應(yīng)器8%氨額定體積濃度下稀釋風(fēng)量，m3／h）；（2）稀釋風(fēng)機(jī)B故障停運(yùn)。

聯(lián)鎖停（OR）：（1）稀釋風(fēng)機(jī)任一軸承溫度大于95℃，延時3 s（溫度壞點(diǎn)除外）；（2）稀釋風(fēng)機(jī)運(yùn)行且稀釋風(fēng)機(jī)進(jìn)任一氨／空氣混合器流量小于x2，延時10 s（定值x2為單臺反應(yīng)器16%氨額定體積濃度下稀釋風(fēng)量，m3／h）；（3）稀釋風(fēng)機(jī)電氣故障。

3.2.2 反應(yīng)器氨氣速關(guān)閥

啟動允許條件（AND）：（1）反應(yīng)器入口煙氣溫度大于315℃的3取2邏輯（定值為脫硝運(yùn)行溫度下限）；（2）稀釋風(fēng)進(jìn)14A側(cè)混合器流量正常，即大于x3（定值x3為混合氣體5%氨額定體積濃度下稀釋風(fēng)量，m3／h）；（3）鍋爐無主燃料跳閘（MFT）；（4）至少1臺稀釋風(fēng)機(jī)在運(yùn)行；（5）至少1臺引風(fēng)機(jī)在運(yùn)行；（6）無聯(lián)鎖關(guān)條件；（7）反應(yīng)器氨氣供應(yīng)壓力大于120 kPa。

聯(lián)鎖關(guān)（OR）：（1）引風(fēng)機(jī)均未運(yùn)行；（2）稀釋風(fēng)機(jī)均未運(yùn)行；（3）稀釋風(fēng)機(jī)混合器流量小于x4（定值x4為混合氣體10%氨額定體積濃度下稀釋風(fēng)量，m3／h）；（4）反應(yīng)器入口煙氣溫度小于310℃，延時5 s（3取2任一溫度低于315℃報(bào)警）；（5）反應(yīng)器入口煙氣溫度大于430℃，延時5 s（3取2任一溫度高于420℃報(bào)警）；（6）鍋爐MFT。

3.2.3 其他

（1）反應(yīng)器脫硝后煙氣 NH3體積分?jǐn)?shù)高于0.003‰高報(bào)警、高于0.005‰高高報(bào)警。

（2）脫硝CEMS數(shù)據(jù)的處理。CEMS在自動吹掃、維護(hù)、故障時NOx和O2濃度信號不做保持；在噴氨自動回路中可根據(jù)需要做必要保持，以不影響脫硝運(yùn)行為準(zhǔn)。

4 SCR脫硝控制

氨站的氨氣緩沖罐壓力由蒸發(fā)器出口調(diào)節(jié)閥控制，保證供氣母管壓力穩(wěn)定在0.2MPa；反應(yīng)器的氨氣流量由控制閥調(diào)節(jié)，目標(biāo)是控制好煙囪排放口NOx的濃度。由于煙氣中難溶于水的NO占NOx的95%以上，所以，只要控制了SCR出口的NO濃度就能保證排放達(dá)標(biāo)。

噴氨控制的兩個目標(biāo)：一是控制SCR出口的NOx濃度不超標(biāo)，二是控制氨氣逃逸率不超標(biāo)。

根據(jù)脫硝原理，噴氨自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)越好，氨氣逃逸率越接近SCR固有的最小量，這樣可使空預(yù)器冷端產(chǎn)生的硫酸氫銨最少，最大限度地減少空預(yù)器阻力增加，從而減少檢修和廠用電率，提高機(jī)組發(fā)電效率。

4.1 單回路控制

單回路控制系統(tǒng)如圖3所示，假設(shè)在鍋爐輸出NOx總量穩(wěn)定的情況下，單回路控制可以滿足要求。由于測量儀表及實(shí)際工況的影響，NOx濃度的變化速率和幅度隨著時間的推移變化較大，這時比例增益不能適應(yīng)，微分作用不能用，控制效果很不理想。

圖3 單回路控制原理

4.2 單回路變參數(shù)控制

在單回路控制的基礎(chǔ)上做了如圖4所示的改進(jìn)，增加與負(fù)荷變化相適應(yīng)P，D參數(shù)。隨著負(fù)荷的減小，NOx濃度增加，系統(tǒng)產(chǎn)生了等幅振蕩，還是不能適應(yīng)50%～100%的負(fù)荷變化，控制效果無明顯好轉(zhuǎn)。

圖4 單回路變參數(shù)控制原理

4.3 前饋控制

在300MW燃煤供熱機(jī)組的脫硝改造中，采用SCR入口NOx濃度為干擾信號（如圖5所示），取消了PID變參數(shù)功能，采用干擾信號作為控制器前饋，直接調(diào)整噴氨調(diào)門大小，通過開環(huán)控制，快速響應(yīng)NOx的濃度變化，噴氨閥位、流量隨入口NOx濃度變化而調(diào)節(jié)，SCR出口NOx質(zhì)量濃度控制在（45± 7.5）mg／m3，基本消除了振蕩，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制，脫硝氨逃逸率也能穩(wěn)定在0.0015‰左右。

圖5 前饋控制原理

4.4 物質(zhì)平衡前饋控制

在前饋控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用脫硝選擇性還原方程，得到噴氨流量與SCR入口NOx總量相匹配的原理（如圖6所示），采用測量相對穩(wěn)定可靠的鍋爐總風(fēng)量乘以SCR入口的NOx濃度，作為前饋控制器的輸入信號，使得前饋控制的量既能夠適應(yīng)燃燒質(zhì)量的變化，又能適應(yīng)燃燒負(fù)荷的變化，使SCR出口濃度過調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高，脫硝氨逃逸率也能穩(wěn)定在0.0015‰左右，控制總體平穩(wěn)。

圖6 物質(zhì)平衡前饋控制原理

4.5 適應(yīng)全工況的控制

由于CEMS維護(hù)頻繁，通常的辦法是改為手動控制，當(dāng)儀表發(fā)出故障時，自動切到手動控制。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時，這種方式可維持脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行。但由于燃燒工況突變，NOx濃度在短時間內(nèi)的變化較大，運(yùn)行人員難以控制，來不及應(yīng)對，致使排放濃度超標(biāo)或氨逃逸率超限。

為此，設(shè)計(jì)了如圖7所示的特殊控制方式，作為正?？刂频难a(bǔ)充，采用條件切換實(shí)現(xiàn)?？蓾M足2014年5月新考核辦法的要求，在脫硝CEMS維護(hù)、消缺中也能實(shí)現(xiàn)正常的脫硝運(yùn)行，達(dá)到既能控制氨逃逸，又能減排的目的。

圖7 特殊控制方式設(shè)計(jì)

當(dāng)SCR入口NOx濃度儀表故障或定期維護(hù)時，可以切除前饋控制功能；當(dāng)SCR出口NOx濃度儀表故障或定期維護(hù)時，可以切換到氨逃逸率閉環(huán)控制（如圖7所示的脫硝系統(tǒng)），將氨逃逸率設(shè)定在0.0015‰，再加上機(jī)組排放口煙囪處NOx的大延遲閉環(huán)控制，當(dāng)氨逃逸率檢測儀表工作不穩(wěn)定時，可僅用煙囪處NOx的大延遲閉環(huán)控制。

5 結(jié)束語

實(shí)踐表明，優(yōu)化前饋控制可使調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯提高。為了使NOx進(jìn)一步減排，在保證氨逃逸率在允許范圍內(nèi)的情況下，大幅降低SCR出口NOx濃度，需以SCR性能測試為前提，實(shí)踐以SCR出口NOx閉環(huán)控制為主、NH3逃逸參與閉環(huán)控制的運(yùn)行方式，優(yōu)化得到一套行之有效的控制策略。

（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 621.7

：B

：1674-1951（2015）

倪新宇（1970—），男，江蘇蘇州人，工程師，從事熱工測量與控制技術(shù)方面的工作（E-mail：chdwdnxy＠163.com）。

2014-06-05；

2014-10-10