劉韜

（浙江省能源集團有限公司，杭州 310007）

火電機組脫硝系統(tǒng)測量與控制策略問題分析及優(yōu)化

劉韜

（浙江省能源集團有限公司，杭州 310007）

大型火電機組的氮氧化物排放已受到多方關注，分析了SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)存在測量和控制策略方面的問題，根據SCR脫硝的原理和工藝流程提出了優(yōu)化措施，提高了脫硝系統(tǒng)運行的可靠性，已取得較好效果。

火電機組；脫硝；測量；控制策略

0 引言

隨著國家環(huán)保戰(zhàn)略的推進，火電機組的排放標準也在提高，到2020年前，我國的燃煤機組將全面實施超低排放。目前，主要通過低氮燃燒和煙氣脫硝相結合的方式降低煙氣中的氮氧化物含量[1]。低氮燃燒又可分為低氮氧化物燃燒器、低過量空氣燃燒技術、空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術和煙氣再循環(huán)燃燒技術等[2]。煙氣脫硝分為SNCR（選擇性非催化還原技術）、SCR（選擇性催化還原技術）及EBA（電子束法）等[3]，其中，SCR因脫硝效率較高而被廣泛應用。

在對SCR脫硝系統(tǒng)運行情況進行調研和資料整理的基礎上，從熱控的角度對脫硝系統(tǒng)目前存在的問題進行了分析和總結，并根據SCR脫硝的原理和工藝流程從測量、控制策略等方面提出優(yōu)化措施，以提高脫硝系統(tǒng)運行的可靠性。

1 測量與控制策略問題分析

1.1 問題的提出

SCR脫硝的基本原理是在催化劑的作用下，將液氨噴入煙氣，通過化學反應將NOX轉變?yōu)榈獨夂退倪^程。因此，噴氨量的合適與否是影響整個脫硝流程效率的關鍵。噴氨量的計算，常常受到機組運行工況、周圍環(huán)境、控制策略等多方面的影響，而任一環(huán)節(jié)波動造成的誤差對于最終的控制效果都可能產生較大影響。

為找到影響系統(tǒng)正常運行的原因，對大型火電機組脫硝系統(tǒng)的運行情況進行了深入分析，并發(fā)現幾個存在于測量、控制等環(huán)節(jié)中的普遍性問題，會對系統(tǒng)的正常運行產生不利影響。

1.2 測量回路問題

測量回路是整個脫硝控制的基礎，通過各種測量回路對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行表征，并為控制量的計算提供依據。測量信號的失真將直接造成控制結果的不準確，從而導致噴氨量不合適，產生脫硝效率不佳、空預器堵灰和出口NOX不穩(wěn)定等問題。噴氨量的計算是由煙氣流量、脫硝效率、進/出口煙氣NOX含量等參數計算得到，其中任一測量環(huán)節(jié)的誤差都可能影響噴氨量計算的準確性。

（1）SCR進、出口煙氣NOX測量不準。從目前已投運的脫硝系統(tǒng)看，機組SCR進、出口煙氣的分析儀表CEMS除少部份機組采用多點取樣方式，其余均采用單點取樣方式，測量信號無法真實、有效反映出所測煙氣實際值，極大地影響噴氨自動控制的準確性。

（2）脫硝煙氣流量測量不準。脫硝煙氣流量是計算噴氨總量的重要信號，其測量準確性直接與控制效果相關。目前煙氣流量的測量準確率普遍不高，不能直接用于噴氨量的計算，在脫硝控制中一般采用煤量和風量折算出的煙氣量作為煙氣流量信號。該方式通過經驗將機組當前的煤量和風量折算為煙氣流量，在折算過程中存在誤差，且不體現脫硝反應器兩側的流量偏差，影響噴氨自動控制的準確性。

（3）分析儀表反吹或校正時的測量不準確。為避免采樣回路堵灰，分析儀表采樣系統(tǒng)每小時須自行反吹1次，持續(xù)時間約5 min。在反吹的過程中，參與噴氨控制的NOX信號保持吹灰前的值，會導致噴氨控制不準確。

（4）氨逃逸測量失準。氨逃逸量是脫硝控制的重要指標，其雖然不直接參與NOX含量的控制，但氨逃逸量過高會產生大量的硫酸氫銨，進一步則可能導致空預器堵塞等問題，故需運行人員在運行過程中密切關注該數值并據此對噴氨量進行調整。但目前該信號的測量效果不佳，測量準確性較差，對調整不具有參考價值。

1.3 控制策略問題

控制策略將采集到的信號依照一定的規(guī)則進行處理和計算，并輸出噴氨量指令，實現對出口NOX含量的控制。目前脫硝的控制策略一般采用串級控制方式，主回路是根據SCR進口NOX含量、設定的脫硝率得出SCR出口NOX的設定值，SCR出口NOX測量作為反饋，兩者偏差引入PI控制得到氨、氮摩爾比系數。副回路是根據計算的煙氣流量、SCR進口NOX含量、設定的脫硝率和主回路的PI輸出（氨、氮摩爾比系數），得出需要的氨量設定，實際測量的液氨流量作為反饋，兩者偏差引入PI控制得到噴氨調節(jié)閥的開度指令。部份機組脫硝系統(tǒng)投運后做了一定的優(yōu)化，在氨量設定值計算回路中引入了機組負荷信號作為運算前饋，以加快回路的響應。

串級控制回路的控制特點是：副回路作為粗調回路，要求是快速、隨動，能夠快速抑制擾動；主回路是細調回路。在脫硝系統(tǒng)中，副回路的主要擾動量是煙氣流量、SCR進口NOX含量和主回路的輸出，回路實際目的是控制出口的NOX，而煙氣流量、SCR進口NOX含量對被控量的影響要快于噴氨對出口NOX的影響，2個主要擾動量和副回路的控制結果并沒有相關性，其主要取決于煤量、煤種含氮量和煙氣氧含量，因此副回路實際所起的粗調作用非常有限。氨量變化引起SCR出口NOX變化有一定滯后（約120 s，不同機組會有所差別），而且該過程還取決于反應器催化劑有沒有反應飽和遲滯等因素。同時，煙氣流量是計算得出，兩側SCR煙氣流量偏差無法體現，低負荷時煙氣計算量偏大，這些問題都影響噴氨量的自動控制。

2 優(yōu)化建議

2.1 測量回路優(yōu)化

（1）SCR進、出口煙氣NOX測量不準：SCR進、出口煙氣NOX測量取樣采用煙道截面多點混合取樣方式，提高測量信號有效性。在SCR進、出口煙道中布置橫向貫通煙道的多點煙氣取樣管，考慮煙道縱向流場的差異，上、下部各布置1支單獨取樣管，迎著煙氣流向、結合脫硝煙氣導流板的布置在取樣管上設置一定數量的進煙孔，將煙氣引出煙道外混合，混合煙氣于空預器前回流到煙道。分析儀表的煙氣樣取自煙道外混合后的煙氣。為確保取樣可靠，多點取樣回路須設計可靠的空氣吹灰裝置，防止管路堵。

（2）脫硝煙氣流量測量不準：為確保SCR脫硝煙氣流量測量的準確性，采用多點陣列式風量測量裝置，發(fā)煙氣流量信號參與噴氨自動控制。而采用折算方法獲得的煙氣流量信號僅作為參考值在控制畫面顯示。

（3）分析儀表反吹或校正時測量不準確：為避免分析儀表采樣系統(tǒng)反吹過程對噴氨自動控制的影響，有條件實施的機組可在 SCR進、出口煙氣CEMS再加裝1套采樣探頭，2套采樣設計切換回路，確保任一路采樣反吹時，信號測量仍然準確有效；或是根據歷史數據，結合鍋爐燃料量、煤種、磨煤機組合方式設計相應的軟測量信號，系統(tǒng)反吹時引入軟測量信號替代。

（4）氨逃逸測量失準：鑒于目前氨逃逸信號測量的效果，不宜將氨逃逸信號引入噴氨自動調節(jié)，根據現場實際的測量效果，可以用作報警取信；已安裝氨逃逸計的機組，應積極聯(lián)系廠家從裝置安裝、設備調試、校驗等方面進行有效調整，提高氨逃逸信號的真實性。

2.2 控制策略優(yōu)化

如上所述，在脫硝系統(tǒng)中采用串級控制模式會受到脫硝系統(tǒng)分析儀表取樣檢測的滯后、煙氣流場存在偏差等因素的影響，實際的控制效果并不理想，宜采用單回路加前饋的控制模式。

該方式以控制脫硝率為目標，根據SCR進口NOX含量和脫硝率設定值得出SCR出口NOX定值。SCR出口NOX測量值作為反饋，兩者偏差引入控制器；為有效控制氨逃逸量，在滿足環(huán)保排放要求情況下，應盡量降低脫硝率的控制定值；引入鍋爐燃料指令和煙氣流量信號作為前饋信號，并適當加強前饋信號的作用強度，以克服系統(tǒng)的遲延，適當減弱PI控制回路的作用。

同時，脫硝系統(tǒng)經長時間運行后由于催化劑活性下降以及低負荷時煙溫下降，引起反應遲緩，為減少氨逃逸量，控制輸出可設計低選回路。低選比較值根據脫硝初投時（認為催化劑活性最優(yōu)）試驗的調閥開度加一定的偏置作為高限，或根據現場實際運行時噴氨調節(jié)閥的實際開度，在就地設計調節(jié)閥開度高限值（機械卡位），避免系統(tǒng)異常時過量噴氨。

此外，控制回路中的前饋信號還應根據不同的工況做相應的處理。主要包括：

（1）針對前后墻對沖燃燒方式的鍋爐，磨煤機啟停過程對爐膛NOX的生成有較大的影響，在前饋回路中引入磨煤機啟停過程的超弛作用。

（2）入口NOX含量和絕對量的變化主要是因鍋爐燃料量的變化引起，針對不同氧含量定值和爐膛NOX生成特性的差異，前饋回路影響設計曲線函數；鍋爐燃料量的變化會引起進口NOX的變化，存在遲延，前饋信號設計慣性環(huán)節(jié)以匹配噴氨的特性。

（3）機組RB（輔機故障減負荷）工況時燃料量和配風量會快速下降，設計噴氨自動RB超弛作用，當RB觸發(fā)時，調節(jié)閥開度超弛關到瞬間開度的60%。

2.3 其他優(yōu)化措施

除測量和控制環(huán)節(jié)外，還針對脫硝系統(tǒng)的運行環(huán)節(jié)提出以下優(yōu)化措施，幫助運行人員對脫硝系統(tǒng)的狀況進行監(jiān)視。

（1）隨著脫硝系統(tǒng)改造的進展，各機組已逐步配置氨逃逸表計并引入控制系統(tǒng)，根據正常運行是現場氨逃逸信號的值，設計合理的氨逃逸量大和氨逃逸增加過快的報警。

（2）由于煤種特性的差異，當煤種變化時，SCR入口的NOX含量會有較大變化，根據正常運行情況的NOX信號，設計進出口NOX偏差小的報警，以便于煤種變化時，運行能夠適度干預，減少氨逃逸。

（3）設計增加SCR進口折算后的NOX濃度高、低的大屏報警，達到報警值后，運行人員及時做好調整。

（4）加強測量儀表的維護和校驗，確保氧量、進出口NOX、噴氨流量等信號測量的準確性。

3 結語

在對機組脫硝系統(tǒng)運行情況調研的基礎上，針對目前脫硝系統(tǒng)運行存在的普遍性問題進行了分析，并根據SCR脫硝原理和工藝流程提出了相應的優(yōu)化措施，為機組脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供保障。本文中的一些優(yōu)化措施目前已在部分機組上得到了應用，取得了較好的效果。

[1]吳碧君.燃燒過程中氮氧化物的生成機理[J].電力環(huán)境保護，2003，19（4）:9-12.

[2]趙衛(wèi)星，肖艷云，林親鐵，等.煙氣脫硝技術研究進展[J].廣東化工，2007，34（5）:59-61.

[3]祝社民，李偉峰，陳英文，等.煙氣脫硝技術研究新進展[J].環(huán)境污染與防治，2005，27（9）:699-703.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Measurement and Control Strategy for Denitration System of Thermal Power Generating Units and Its Optimization

LIU Tao
（Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China）

NOXemission of large thermal power generating units has been brought into sharp focus.The paper analyzes problems in measurement and control strategy of SCR（selective catalytic reduction）denitration system and presents some optimization and improvement measures in accordance with the principle and technical process of SCR denitration system.With the implementation of the measures，favorable effect has been achieved，and operation reliability of denitration system is improved.

thermal power units；denitration；measurement；control strategy

TK227.1

B

1007-1881（2016）06-0042-03

2016-03-30

劉 韜（1982），男，工程師，從事電力環(huán)保工程管理工作。