660MW機組SCR法煙氣脫硝控制策略分析

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，引發氣管、肺的慢性中毒；形成酸雨，地表水酸化，富營養化；形成光化學煙霧，當氮氧化物與碳氫化物共存于空氣中時，經陽光紫外線照射，發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。

據統計，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“十二五”規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保政策要求，滄東電廠3號機組于2008年安裝了脫硝系統，采用了選擇性催化還原法煙氣脫硝技術。SCR煙氣脫硝系統的控制策略不僅要保障工藝設備的穩定運行，還要滿足脫硝系統的安全穩定運行。

1 SCR煙氣脫硝系統工藝流程

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

此系統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，液氨在蒸發槽內蒸發為氣氨，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的控制在主體機組的DCS上實現，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，從煙囪排入大氣。

2 SCR煙氣脫硝控制系統

脫硝自動控制系統儀表及設備選型應能滿足國家和國際相關的規范標準。所有控制儀表及設備具有高的可用性、穩定性、可操性和可維護性，并滿足系統控制功能的要求。脫硝系統SCR區（含聲波吹灰系統）的控制均納入本機組DCS，能實現以DCS操作員站顯示器為中心對脫硝系統進行監視和控制。氨制備區的控制系統由獨立的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的監控。脫硝控制系統能夠完成對相關參數的掃描與數據處理、參數越限自動報警、系統輔機程序啟停等功能。當系統出現故障時，可以利用保護、聯鎖、人為干預的方式讓系統安全運行或停止。

脫硝系統SCR區及氨區監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，實現對脫硝工藝系統進行遠方監視和控制的功能。滄東公司二期DCS控制系統，使用的是南京西門子公司SPPA-T3000控制系統，該系統是基于Windows操作系統開發的一套自動控制系統，系統總線采用工業以太網結構，總線冗余通過虛擬環網實現，虛擬環網是通過光纖和OSM連接組成的。T3000系統中有2條虛擬環網，它們是Automation Highway、Application Highway。每臺機組DCS控制系統包括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，通過調整氨液蒸發器入口調節門來控制氨氣壓力穩定在一定范圍內。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。

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。脫硝控制系統根據計算得出的氨氣流量值，通過控制氨氣調節門的開度，可以實現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為脫硝系統運行時反應器入口煙氣中NOx含量（mg·m-3）；NOx1為脫硝系統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NOx的變化而不斷調整，以特定的氨氮比來實現所要求的脫硝率。經過機組運行數據，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系統脫硝效率下降；氨氮比不均勻性越大，系統脫硝效率下降得越多。隨著SCR系統脫硝效率的上升，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據，流速與脫硝率的關系如圖3所示。

（3）溫度。根據實際運行情況看，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間（250～450℃）時，反應速率很快。通過機組實際運行數據，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 脫硝控制系統報警

4.1 氨氣泄漏檢測

氨區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脫硝控制系統可以整體提高控制系統的穩定性和可靠性，利用NH3/NOx摩爾比函數實現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的參數。最后通過多次實際應用，得出結論是控制系統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各項控制指標，滿足自動化控制SCR脫硝系統的要求，為SCR脫硝系統提供了有效參考，有力地保障了整個系統的安全、高效運行。

［1］李銳.氮氧化物排放控制技術的現狀.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及其在國華三河電廠的應用.熱力發電，2009，38（5）