脫硝SCR噴氨自動控制策略分析及優化

程松黨（大唐國際發電股份有限公司下花園發電廠，河北 張家口 75300）

脫硝SCR噴氨自動控制策略分析及優化

程松黨（大唐國際發電股份有限公司下花園發電廠，河北 張家口 75300）

脫硝系統是燃煤電廠降低鍋爐出口煙氣NOx含量的必要設施，如何控制噴氨流量則成為控制NOX排放的關鍵因素，本文從脫硝系統原理、噴氨自動控制的策略等方面入手，深入淺出地論述了脫硝系統噴氨自動控制的概況，并依據先進和成熟的控制理論對此進行優化，對其他電廠脫硝項目的調試和運行也具有重要的借鑒意義。

脫硝系統；噴氨流量；自動控制

1 引言

下花園電廠#3爐為670t/h自然循環鍋爐，煙氣脫硝系統于2013年12月初竣工，采用SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原法）技術。根據GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求，燃煤電廠必須于2014年7月1日開始，NOx排放達到100mg/m3以下，下花園發電廠響應國家號召，提前半年多達到了排放限值。脫硝SCR區位于省煤器出口和空預器入口之間，接入DCS集控運行。鍋爐煙氣NOx控制先利用燃燒中的低氮燃燒技術，控制鍋爐出口NOx在450mg/Nm3以下，之后經過脫硝SCR反應區，使進入煙囪的NOx降低到90mg/Nm3以下。其中關鍵的脫硝步驟在SCR區的噴氨量控制，在其它影響因素不變時，直接關系到脫硝效率和氨逃逸量，本文重點討論如何更有效地應用噴氨自動控制。

2 下花園發電廠脫硝工藝概況

下花園發電廠#3爐配備一個氨區和兩臺SCR反應器，氨區包括液氨的存儲與蒸發系統，水浴槽溫度控制在80℃±2℃，壓力控制在0.2~0.4Mpa，但壓力必須要穩定，否則會對下游SCR區的噴氨自動控制造成影響，將氨氣加熱至41℃后輸送到SCR區氨氣（溫度7℃~8℃），SCR區進入稀釋風管前的氨氣壓力在0.12~0.08MPa之間，這里氨制備區不做重點論述，本節主要介紹SCR區的反應原理。每臺SCR反應器布置有兩層催化劑，同時預留一層備用空間（采用2+1方式），當運行的催化劑活性降低時，可以加裝新催化劑。煙氣中的NOx經過氨氣噴射格柵和煙氣/氨氣混合器與所噴入的氨氣混合均勻后在催化劑催化作用下發生催化還原反應，在一定煙氣溫度 (一般為300℃～400℃) 條件下生成無毒害的氮氣和水。煙氣流程為：省煤器出口（經過氣力除灰），催化反應器進口煙道，氨氣噴射格柵，煙氣/氨氣混合器，均流板，催化反應器（配備16臺聲波吹灰），催化反應器出口煙道，空預器。脫硝工藝流程圖如圖1所示。

圖1 脫硝工藝流程圖

主要化學反應方程式：

煙氣中的NOx主要有兩種成分：NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2，國家環保部門要求排放顯示為NOx含量。本工程中采用了ABB的EL3020在線紅外煙氣分析儀直接測量NO含量，然后通過乘以NO2/ NO摩爾比1.53，換算為NO2含量作為NOx顯示。

2.1 優化前基于固定摩爾比的單回路控制方式

本工程最初設計的氨流量調節是基于固定的摩爾比。氨的需求量是按進入催化劑反應器前的NOx的含量（由鍋爐負荷換算煙氣量）乘以固定的NH3/NOx摩爾比（根據計算大約在1.05~1.08）來計算的。氨流量的測定是由流量變送器和溫度、壓力補償后的信號決定的。補償后的氨流量與需求量進行比較。比較后的差值用作（通過P+I 控制器進行）流量調節閥的調節。NH3/NOx的實際摩爾比M公式如式（3）所示：

為保證脫硝效率和降低氨逃逸，固定摩爾比的數值控制在比設計脫硝效率值略高一點。（對于運行一定年限的催化劑，其活性有所下降，必要時要考慮其相對衰減率）。在固定摩爾比設定值下，進氨調節閥控制指令隨著SCR入口濃度的增加而增加，直到其進氨流量達到該設定值對應下的流量值時，進氨調節閥趨于穩定。實際脫硝運行中，NH3/NOx摩爾比控制在一個合理的范圍內，既能保證脫硝效率控制在一個較高的范圍，又能使SCR出口氨逃逸控制在較低的范圍。圖2為NH3/NOx與脫硝效率的關系。

圖2 NH3/NOx與脫硝效率關系圖

該控制方式作為設定值可調的單回路控制系統，PID參數容易整定。這種控制系統只考慮了脫硝效率，未考慮出口NOx濃度的變化，在入口NOx濃度比較低的時候容易使系統過度脫氮?；诠潭ò钡柋鹊恼{節原理圖如圖3所示。

圖3 基于固定氨氮摩爾比的調節原理圖

2.2 優化后基于出口NOX的串級控制方式

該串級控制回路是由主調和副調控制回路組成，現分別予以介紹。

主控制回路：由入口煙氣NOx濃度和煙氣流量的乘積得到入口NOx流量，計算出入口NOx流量；設定脫硝效率=（進口NOx濃度-出口NOx設定值）/進口NOx濃度；由函數f1(x)得到不同脫硝效率下對應的摩爾比；設定值與出口NOx濃度的比值經PID控制器輸出指令作為修正值疊加到固定摩爾比上，最終生成修正的NH3/ NOx摩爾比。生成副調節回路的需氨量給定值。如圖4所示。

圖4 基于出口NOx控制調節回路的主回路邏輯圖

圖5 基于出口NOx控制調節回路的副回路邏輯圖

副控制回路：根據修正的NH3/NOx摩爾比提供反應器所需要的氨氣流量，通過限速和限幅模塊對前饋量進行限制，防止系統過調：氨氣流量設定值=入口NOx流量×實際的NH3/NOx摩爾比。脫硝自動控制系統優化這種控制方式中，摩爾比不是固定不變，而是根據入口NOx濃度、出口NOx濃度設定值以及出口NOx濃度變化而變化的動態值，最終生成進氨流量設定值，與實際進氨流量進行比較后由控制系統形成進氨流量調節閥的控制指令，通過調節進氨流量，最終將出口NOx濃度控制設定值范圍內。在充分考慮脫硝效率和催化劑脫硝能力的基礎上，避免了固定摩爾比控制帶來的過度脫氮，又能將出口NOx濃度控制在合理范圍內。副回路控制原理如圖5所示。

2.3 噴氨自動控制優化分析及對策

（1）首先要保證噴氨自動的相關參數測量準確穩定及執行器動作靈活，如SCR出、入口NOx濃度、氧量、煙氣流量、氨氣流量、壓力、溫度，氨逃逸量等，現逐一進行分析。

· 由于脫硝CEMS采樣探頭采用直抽法，處于高溫、高含塵的煙氣中，雖然探頭采取了電加熱方式防止煙塵凝固堵塞取樣，但根據實際運行來看仍容易堵塞探頭，目前采取了縮短反吹間隔時間的辦法，另外加強探頭處的保溫。

· 氧量采用了氧電池測量原理，一旦取樣管路有泄露，氧量測量不準確，進而導致經過6%氧量折算的NOx異常，在資金允許時需增加4套氧化鋯測點，不但不受取樣管路影響，而且能夠進行濕度計算，對煙氣流量進行實際補償。

· 煙氣流量采用了皮托管差壓式測量，單點測量，由于A側測點靠近管道邊緣，導致流速場不穩定，因此波動較大。需要在檢修中更換位置，或改造為矩陣式多點測量方式，能夠提高測量精度和穩定性。

· 壓力和溫度測點對煙氣流量起到修正作用，如果異常后將導致流量不準確，目前A側有一點溫度偏低，主要是由于在CEMS取樣探頭內，DCS邏輯內只簡單進行了選中值進入補償回路，未進行壞點剔除判斷，檢修中需要對溫度判斷邏輯進行完善。

· 氣動執行器由于受氣源含水量較大的影響，到冬天數次發生壓縮空氣管路內空氣結冰斷氣現象，導致調門自動關閉，進而出口NOx超標。目前采取了定期對儲氣罐放水，壓縮空氣管路增加電伴熱及保溫，氣動門前的減壓閥常開放氣等措施，效果尚可。檢修中需對壓縮空氣進行治理，或將氣動執行器更換為電動執行器，可避免冬季凍管。

· 當反應器出口氨逃逸量超標時，應適當控制降低脫硝效率，減少噴氨量。

（2）進行必要的噴氨優化調整試驗，AIG噴射流量不均勻，會引起反應器出口NOx分布不均勻，進而導致出口NOx測量不準確，從而影響噴氨自動調節效果。主要有兩方面原因。

· 部分噴嘴積灰堵塞。主要是由于稀釋風機的非正常停運造成煙氣中的飛灰在噴嘴出口積灰堵塞，從而引發噴氨不均勻。因此要保證聲波吹灰器及SCR入口除灰設備的正常。

· AIG手動調節門未進行調整，可能造成SCR運行一段時間后反應器區域的NH3分布不均。在每個噴氨調節閥前設計安裝了的節流裝置，通過測量節流裝置的前后差壓可以反映出進氨量的大小。噴氨優化調整試驗主要是通過調整每路進氨支管手動調節閥的開度，動態的調整不同區域的噴氨量，觀察反應器出口水平煙道截面各點NOx濃度，最終實現SCR反應器出口NOx濃度的均勻分布。

（3）優化噴氨自動PI參數的比例帶、積分時間以及出口NOX前饋的微分參數，并根據時滯性的大小調整前饋參數。當被調量反映過慢時，適當增強增益作用，根據靜態偏差的大小調整積分時間，減少靜態偏差。一般應維持衰減率i≥0.75~0.9。

3 噴氨自動調節效果分析

根據2013年12月3日8時開始168試運的結果表明，脫硝系統能基本滿足機組各種參數運行工況的變化，自動調節有效，設計為出口NOx含量在設定值的±20mg/m3范圍內波動，噴氨自動控制能滿足運行要求，只是延遲性較大，還需要對前饋值進行優化。氨的逃逸率控制在限制范圍內（小于3.3ppm），沒有發生局部過噴氨使氨逃逸率超過控制標準。噴氨自動調節趨勢圖如圖6所示，從4:41:04開始投入脫硝噴氨自動控制，到4:59:32退出脫硝噴氨自動控制，期間最大的超調量為16mg/m3，低于設計值，其余點均維持在設定值附近波動。出口NOx在環保標準要求的100mg/m3以下，證明脫硝噴氨自動能夠滿足控制要求。

圖6 噴氨自動調節趨勢圖

4 結語

168小時試運期間共耗氨18.48噸，日均耗氨2.64噸左右。每噸按2500元計算，日運行費用為6600元，而日脫硝補償電費約4萬元，因此每日為廠里創造約3萬余元的經濟效益。脫硝系統經過近3個月的運行，目前還處于設備磨合階段。由于2014年7月1日即將實施新的排放標準（NOx小于100mg/m3），因此在這期間要繼續抓好設備維護及改造，防止由于設備缺陷造成排放長時間超標。從目前情況看脫硝系統總體正常，噴氨流量自動控制也能夠長期投入，一來減輕了運行人員監盤負擔，二來提高了噴氨效果，既將NOx控制在達標范圍內，又不浪費液氨原料，節省運行成本，并且控制氨逃逸量，減少對空預器等設備的腐蝕。

[1] 趙毅, 朱洪濤, 安曉玲, 等. 燃煤鍋爐SCR法煙氣脫硝技術[J]. 鍋爐技術，2009, 40 (2) : 76 - 80.

[2] 中華人民共和國環境保護部. GB13223-2011. 火電廠大氣污染物排放標準[S].

[3] 下花園發電廠脫硝工程調試報告[Z].

Analysis and Optimization of the Automatic Control Strategy for SCR Injection

The denitrification system is the necessary infrastructure to reduce NOx content in boiler flue gas at the outlet of the coal-fired power plants. How to control the ammonia injection flow become the key factors to control the NOx emission. In this paper, starting from the denitrification system principle, ammonia injection automatic control strategy, we survey the automatic control of denitrification system in simple terms, and propose an optimization strategy based on the mature and advanced control theory. It has an important reference for commissioning and operation of denitration project of other plants.

Denitrification system; Jet flow; Auto-Control

程松黨（1982-），男，河南漯河人，工程師，2006年畢業于東北電力大學，現就職于大唐國際發電股份有限公司下花園發電廠設備部，從事火電廠熱工自動化專業工作，主要研究方向為熱工自動及DCS邏輯優化。

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1003-0492(2015)09-0096-04

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