煙氣脫硝控制系統(tǒng)研究分析

谷俊杰，賈明印, 海熱提

（1. 中國(guó)大唐集團(tuán)科技工程有限公司, 北京 100097； 2. 北京化工大學(xué)， 北京 100029）

在我國(guó)一次能源和發(fā)電能源構(gòu)成中，燃煤占據(jù)了主導(dǎo)地位，在已探明的一次能源儲(chǔ)備中，煤炭仍是主要能源。燃煤在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來大力發(fā)展的同時(shí)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，有效控制煤燃燒產(chǎn)生的大氣污染物是現(xiàn)階段我們進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的主要目標(biāo)。目前新建大型燃煤機(jī)組都同期設(shè)計(jì)有煙氣脫硝系統(tǒng)[1]。以前的老機(jī)組由于對(duì)環(huán)境保護(hù)關(guān)注不夠，未設(shè)置脫硝裝置，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的日益重視，有必要對(duì)原有的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行污染物的排放控制，達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求，因此需對(duì)原有火電廠機(jī)組增加脫硝裝置，其脫硝控制系統(tǒng)要根據(jù)具體電廠及具體機(jī)組的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

控制技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷發(fā)展，目前脫硝系統(tǒng)存在有幾種不同的控制方案，選用何種控制方案是需要我們?cè)O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行認(rèn)真考慮的。選用的控制方案，既要保證控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，又要考慮運(yùn)行人員的操作方便。本文從實(shí)際出發(fā)簡(jiǎn)單介紹了脫硝系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀，介紹了目前幾種常用的控制方案各自的特點(diǎn)，為今后設(shè)計(jì)人員進(jìn)行控制方案選擇時(shí)提供一些參考。

1 火電廠脫硝控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

通常脫硝工藝系統(tǒng)包含兩方面：脫硝SCR區(qū)部分和脫硝還原劑制備區(qū)部分。SCR區(qū)通常布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間；脫硝還原劑制備區(qū)通常布置在廠區(qū)內(nèi)，距離主機(jī)集控樓距離較遠(yuǎn)[2]。

根據(jù)燃煤電廠運(yùn)行特點(diǎn)和脫硝系統(tǒng)與鍋爐的關(guān)系，通常有以下幾種控制方式。

1.1 控制方式一

脫硝SCR區(qū)控制設(shè)備納入機(jī)組DCS系統(tǒng)，控制站布置于主機(jī)機(jī)組電子設(shè)備間內(nèi)，還原劑制備區(qū)采用DCS遠(yuǎn)程站或DCS遠(yuǎn)程IO站，布置于還原劑制備區(qū)就地控制設(shè)備間內(nèi)，通過冗余網(wǎng)絡(luò)連接至主機(jī)兩臺(tái)機(jī)組DCS公用網(wǎng)絡(luò)中。

該控制方式的主要特點(diǎn)是：（1）該控制方式可實(shí)現(xiàn)無需新增 DCS操作員站，直接利用主機(jī) DCS操作員站對(duì)整個(gè)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。（2）脫硝系統(tǒng)對(duì)應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)組之間互相獨(dú)立。（3）還原劑制備區(qū)作為兩爐公用接入主機(jī)DCS公用網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰。（4）脫硝系統(tǒng)運(yùn)行與鍋爐關(guān)系更緊密。（5）脫硝控制系統(tǒng)需與主機(jī)DCS需保持完全一致，實(shí)施起來較為困難。（6）脫硝DCS與主機(jī)DCS要實(shí)現(xiàn)無縫連接，實(shí)施起來存在一定風(fēng)險(xiǎn)[3]。

1.2 控制方式二

脫硝SCR區(qū)控制設(shè)備仍納入機(jī)組DCS系統(tǒng)，控制站布置于主機(jī)機(jī)組電子設(shè)備間內(nèi)。還原劑制備區(qū)采用采用以PLC加上位機(jī)的控制方式，設(shè)置一套完整的PLC控制系統(tǒng)。控制盤柜布置在脫硝還原劑儲(chǔ)存和制備區(qū)電子設(shè)備間內(nèi),運(yùn)行人員通過 PLC上位機(jī)對(duì)被控對(duì)象及工藝參數(shù)進(jìn)行控制和監(jiān)視。同時(shí)，脫硝劑制備區(qū)域控制系統(tǒng)與全廠輔控網(wǎng)設(shè)有冗余雙向通訊接口，運(yùn)行人員也可通過輔控網(wǎng)對(duì)還原劑儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)被控對(duì)象及工藝參數(shù)進(jìn)行控制和監(jiān)視，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制，就地?zé)o人值班。

該控制方式的主要特點(diǎn)是：（1）還原劑制備區(qū)設(shè)置就地操作員站，操起更方便快捷。（2）還原劑制備區(qū)相對(duì)獨(dú)立，接入輔控網(wǎng)，方便電廠對(duì)輔助系統(tǒng)的集中控制。（3）脫硝SCR區(qū)控制系統(tǒng)需與主機(jī)DCS需保持完全一致，脫硝還原劑制備區(qū)PLC控制系統(tǒng)需與輔控網(wǎng)保持一致，實(shí)施起來較為困難。

1.3 控制方式三

脫硝控制系統(tǒng)與原主控制系統(tǒng)沒有聯(lián)系，是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，設(shè)置獨(dú)立的設(shè)備間及控制室。該獨(dú)立的控制系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的要求設(shè)計(jì)為DCS、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線任意一種形式，也可以設(shè)計(jì)成三個(gè)系統(tǒng)技術(shù)的綜合控制系統(tǒng)。

該方案特點(diǎn)為：脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行、維護(hù)及檢修上相對(duì)獨(dú)立，與主機(jī)關(guān)聯(lián)性小，便于實(shí)際實(shí)施，但SCR平臺(tái)與主機(jī)控制系統(tǒng)脫離，系統(tǒng)劃分不清晰[4]。

三種控制系統(tǒng)各具有優(yōu)缺點(diǎn)，它們?cè)谠S多電廠中都得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在具體脫硝設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式；控制系統(tǒng)的資金投入；現(xiàn)場(chǎng)與控制室的距離等選擇最合適的控制系統(tǒng)。

2 脫硝系統(tǒng)控制策略分析

SCR脫硝裝置不管采用何種控制系統(tǒng)，其目標(biāo)是在保證脫硝效率的前提下，使氨逃逸量最小、催化劑的壽命最長(zhǎng)、對(duì)空預(yù)器的腐蝕最小。因此采用合理的控制策略就成為 SCR系統(tǒng)提高可用率的關(guān)鍵，脫硝系統(tǒng)主要控制下面這三個(gè)方面：保證適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度、保證適當(dāng)?shù)腘H3的噴入量、保持催化劑具有一定的活性。其中控制合適的NH3輸入量又是其中的重中之重。

最常用的 SCR反應(yīng)器氨氣噴射量控制系統(tǒng)是依賴于一個(gè)簡(jiǎn)單的前饋環(huán)（帶反饋調(diào)整），這個(gè)前饋環(huán)的基礎(chǔ)是煙道NOX排放量和隨負(fù)荷而變的NOX所需氨注入量的實(shí)驗(yàn)曲線。即加氨量由催化劑上游NOX濃度和煙氣量所給出的正向信息控制，SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的氨需求信號(hào)去定位氨氣流量調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硝的自動(dòng)控制，通過在不同負(fù)荷下的對(duì)氨氣流的調(diào)整，找到最佳的噴氨點(diǎn)。同時(shí)將SCR后實(shí)際氨氣流量值和計(jì)算出的氨氣流值進(jìn)行比較，用反饋信號(hào)來修正噴氨量。SCR反應(yīng)器氨氣噴射量控制原理圖如圖1所示。

圖1 SCR反應(yīng)器氨氣噴射量控制原理圖Fig.1 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by SCR reactor

此種控制方案控制系統(tǒng)利用固定NH3/NOX摩爾比來提供所需要的氨氣流量，一旦脫硝效率確定，則 NH3/NOX摩爾比通過實(shí)驗(yàn)曲線即可得知，進(jìn)口NOX濃度和煙氣流量的乘積產(chǎn)生NOX流量信號(hào)，此信號(hào)乘上所需NH3/NOX摩爾比就是基本氨氣流量信號(hào)。脫硝效率控制在設(shè)定值，當(dāng)實(shí)測(cè)進(jìn)出口NOX濃度通過計(jì)算未達(dá)到設(shè)定值，而且其他條件沒有達(dá)到限定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)給氣氨調(diào)節(jié)閥信號(hào)開大閥門。當(dāng)進(jìn)出口NOX濃度通過計(jì)算達(dá)到設(shè)定值，而且其他條件沒有達(dá)到限定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)給氣氨調(diào)節(jié)閥信號(hào)關(guān)小閥門。

采用此種控制方案需要保證入口NOX值在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，否則容易引起脫硝效率的劇烈震蕩，鍋爐的燃燒溫度在1 200 ℃左右，在這個(gè)溫度下正是產(chǎn)生NOX的最敏感區(qū)域，NOX的波動(dòng)是比較大的，因此此種控制方案的穩(wěn)定性不高。而且如果入口NOX濃度超過設(shè)計(jì)值，則控制系統(tǒng)會(huì)給氣氨調(diào)節(jié)閥開大閥門的信號(hào)，而實(shí)際參與反應(yīng)的NH3小于供給的NH3,這樣就造成反應(yīng)器出口大量的氨逃逸。

而另一種經(jīng)過改進(jìn)的控制方案是控制反應(yīng)器出口NOX排放濃度，通過操作人員首先給定一個(gè)SCR反應(yīng)器出口NOX值，將SCR反應(yīng)器出口設(shè)定NOX值帶入公式計(jì)算得到設(shè)定脫硝效率，則設(shè)定NH3/NOX摩爾比通過實(shí)驗(yàn)曲線即可得知，此信號(hào)乘上入口NOX流量信號(hào)就是基本氨氣流量信號(hào)，根據(jù)計(jì)算出的氨氣流量信號(hào)去定位氨氣流量調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硝的自動(dòng)控制。改進(jìn)后的SCR反應(yīng)器氨氣噴射量控制原理圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的SCR反應(yīng)器氨氣噴射量控制原理圖Fig.2 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by the improved SCR reactor

此外，為了實(shí)現(xiàn)更為高效的控制，另外一種對(duì)控制系統(tǒng)的改進(jìn)是利用基于人工智能、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的控制和優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)化程序組。這一改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)是基于NOX排放量是個(gè)多個(gè)變量的函數(shù)，其中包括鍋爐爐型、燃燒溫度、燃料的化學(xué)成分、低氮燃燒控制方式的設(shè)計(jì)和運(yùn)行、煤/空氣分配、煙氣含氧量、煤粉的顆粒尺寸等等，所有這些因素都對(duì)NOX的形成有影響。而來自煙道的NOX信號(hào)和分析指令延遲往往使氨注入量不夠準(zhǔn)確，這就導(dǎo)致控制性能變壞，其結(jié)果是造成NOX脫除率下降或氨的逃逸增加。而高的氨用量增加了硫酸銨和硫酸氫銨的生成，它們?cè)诖呋瘎┥系某练e又減少了催化劑的壽命和空氣預(yù)熱器效率下降等一系列問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)通用的函數(shù)逼近器，用它可以表示任何物理模型，而這些物理模型可以很容易地由試驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)或者將二者相結(jié)合來得到。這就使得人們能夠兼顧多個(gè)目標(biāo)，比如既減少NOX排放又改進(jìn)鍋爐的熱耗率等，而與此同時(shí)仍可保持電廠的其它參數(shù)如蒸汽溫度、CO等在所希望的范圍之內(nèi)。在閉環(huán)監(jiān)控模式下，通過測(cè)量關(guān)鍵的過程參數(shù)，由軟件優(yōu)化系統(tǒng)中各裝置的性能或達(dá)到它所希望的目標(biāo)。運(yùn)用這樣的軟件組可以使熱力系統(tǒng)和SCR的性能獲得整體提升。系統(tǒng)設(shè)置到動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)最佳偏離或基于當(dāng)前裝置運(yùn)行條件和所希望目標(biāo)的設(shè)置點(diǎn)。

3 結(jié) 論

在火電機(jī)組排放的多種大氣污染物中，氮氧化物是最近 30多年來受到世界極大關(guān)注的一種污染物。氮氧化物的排放對(duì)人體的致毒作用、對(duì)植物的損害以及在酸雨和光化學(xué)煙霧的形成、對(duì)臭氧層的破壞中所起的作用已經(jīng)得到了科學(xué)的證明。隨著今后電力工業(yè)的發(fā)展，國(guó)家會(huì)對(duì)NOX的排放進(jìn)行越來越嚴(yán)格的限制，今后國(guó)家必然要求像脫硫一樣新上機(jī)組必須同期建設(shè)煙氣脫硝裝置，當(dāng)前我們就要先做好技術(shù)上的準(zhǔn)備。

本文針對(duì)目前常用的脫硝控制系統(tǒng)及控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，以供設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行脫硝設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參考，選擇合適的脫硝控制方案，保證脫硝控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)行人員的操作方便。

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