600MW機組SCR脫硝系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

田有龍 張景旭

(華能國際電力股份有限公司上安電廠,河北石家莊 050310)

600MW機組SCR脫硝系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

田有龍 張景旭

(華能國際電力股份有限公司上安電廠,河北石家莊 050310)

介紹了華能上安電廠600MW超臨界機組SCR脫硝系統(tǒng)原始控制方案,分析了該方案存在的問題,根據(jù)物料守恒原理提出新的優(yōu)化方案?？刂七壿嫺倪M后,解決了煙氣出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。對實際運行參數(shù)檢驗表明,達到了各項控制指標,較好地滿足了脫硝自動化控制的要求,并具有較強的通用性和實用性。

600MW 超臨界機組 SCR 優(yōu)化控制

1 上安電廠三期SCR系統(tǒng)概述

上安電廠三期采用單爐體雙SCR結(jié)構(gòu)體布置，采用高灰型SCR布置方式，即SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間，氨噴射格柵放置在SCR反應(yīng)器上游的位置。煙氣在鍋爐出口處被平均分成兩路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應(yīng)器里，即每臺鍋爐配有兩個反應(yīng)器，在反應(yīng)器里煙氣向下流過均流板、催化劑層，隨后進入回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、靜電除塵器、引風機和FGD，最后通過煙囪排入大氣。

主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

煙氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO約占NOx總量的95%，NO2約占NOx總量的5%。

2 原控制方案的問題

原脫硝系統(tǒng)控制方法是僅用出口NOx含量與手動設(shè)置值比較來保持出口NOx恒定。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx，這種控制方式是設(shè)定值可調(diào)的單回路控制系統(tǒng)，控制回路簡單易于調(diào)試和整定，是這種控制方式的優(yōu)點，但其缺點是會過度脫氮，增加運行成本。

3 控制系統(tǒng)的改進

3.1 改進方案

SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)利用NH3/NOx摩爾比提供所需要的氨氣流量，使用煙氣進口NOx濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量，再乘以NH3/NOx摩爾比便可得到氨氣需求量，出口NOx濃度控制對NH3/NOx摩爾比加以修正(對氨氣需求量的修正)并參與控制，最終得到氨氣流量的目標設(shè)定值。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算得出的氨氣需求量信號通過控制氨氣閥開度，實現(xiàn)脫硝自動控制，

3.2 邏輯優(yōu)化措施

(1)鍋爐總煙氣流量主要采取以下兩種方式：直接測量和間接計算。

煙氣流量直接測量方式一般有兩種：一是采用皮托管配差壓變送器的常規(guī)風量測量方法，但是需要考慮煙氣固體顆粒對檢測元件的防磨防堵的要求，測點選取是否合適，能否代表整個流場分布。二是采用熱敏原理的測量元件。熱敏測量元件雖然解決了高溫、防磨、防堵的問題，但存在測量結(jié)果滯后、探頭易沾污等不足，影響測量結(jié)果。

由于測量受到的干擾較多，比如溫度場、流場均勻性、邊壁效應(yīng)、測量元件本身原因等等，測量煙氣流量測量誤差比較大、滯后嚴重。

煙氣間接測量是通過鍋爐給煤量計算獲得，具體步驟如下。

①理論干空氣量V0(空氣過剩系數(shù)a＝1)的計算：

V0＝(1÷0.21)×(1.866×Car÷100＋5.55×Har÷100＋0.7× Sar÷100－0.7×Oar÷100) ＝0.0889×(Car＋0.375×Sar)＋0.2643 ×Har－0.0333×Oar＝0.0889×Kar＋0.2643×Har－0.0333×Oar

其中Kar＝Car＋0.375×Sar，Car、Har、Sar、Oar均與燃煤煤質(zhì)有關(guān)，當鍋爐燃煤一定時，理論干空氣量V0為一常量，組態(tài)人員可根據(jù)以上公式通過DCS模塊實現(xiàn)理論干空氣量V0的計算，其單位為m3(標準)/kg。

②干煙氣容積Vgy的計算：

Vgy＝(1.866×Car÷100＋0.7×Sar÷100)＋(0.79×V0＋0.8× Nar÷100)＋(a-1)×V0＝1.866×(Car＋0.375×Sar)÷100＋(0.79× V0＋0.8×Nar÷100)＋(a-1)×V0＝1.866×Kar÷100＋(0.79×V0＋0.8×Nar÷100)＋(a-1)×V0

上式中Kar＝Car＋0.375×Sar，Car、Har、Sar、Oar、Nar均與燃煤煤質(zhì)有關(guān)，空氣過剩系數(shù)a取1.4(根據(jù)實際情況也可設(shè)定為其他值)，當鍋爐燃煤煤質(zhì)一定時，干煙氣容積Vgy可通過上式計算，組態(tài)人員可根據(jù)以上公式通過DCS模塊實現(xiàn)理論干煙氣容積Vgy的計算，其單位為m3(標準)/kg。

③根據(jù)給煤量(由機組DCS發(fā)出)可計算出一臺機組燃煤產(chǎn)生的干煙氣量：干煙氣量(m3(標準)/h)＝干煙氣容積(m3(標準)/kg)×給煤量(kg/h)。一臺反應(yīng)器的干煙氣量為一臺機組的干煙氣量除以2，調(diào)試時根據(jù)調(diào)試測得的兩臺反應(yīng)器的煙氣流量比進行修正。

此種方法適合煤種穩(wěn)定的電廠使用，但目前不少電廠為了降低燃料成本進行了經(jīng)濟煤種摻燒，導(dǎo)致煤質(zhì)變化很大，此種測量方法無法準確反映實際煙氣流量。上安電廠就存在此種情況，經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定通過負荷作為變量進行修正可以基本反映煙氣量變化，為系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)提供了可靠參數(shù)。

(2)計算出的煙氣流量乘以入口NOx濃度與設(shè)定值之差再乘以氨氮摩爾比，即是所需的氨氣流量。摩爾比是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的脫硝效率計算得出的，在固定摩爾比控制方法中為預(yù)設(shè)常數(shù)，一般為60左右。

(3)氨氣的質(zhì)量流量由在氨氣噴射母管測得的體積流量通過溫度和壓力修正后取得或者直接選用質(zhì)量流量計測得。流量控制系統(tǒng)的共同點是時間常數(shù)短、參數(shù)變化快，宜選擇比較穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，在本系統(tǒng)的回路選擇了比例積分控制器(PI)，避免了比例積分微分控制器(PID)中的微分環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)波動、嚴重調(diào)節(jié)閥頻繁動作的缺點，選用較小的比例度和較大的積分時間增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

(4)由于脫硝系統(tǒng)存在明顯的NOx反應(yīng)器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后的問題，控制回路中加入高低負荷變化調(diào)節(jié)變參數(shù)措施，高負荷NOx含量較高調(diào)節(jié)加快，低負荷NOx含量較低調(diào)節(jié)減弱以適應(yīng)各負荷段的不同需求。

經(jīng)過改進后的控制方案，反大慣性作用明顯增強，穩(wěn)態(tài)時出口NOx基本可控制在設(shè)定點±15mg/Nm3，動態(tài)±30mg/Nm3。由于受脫硝反應(yīng)器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負荷已確定的條件下，出口NOx濃度也將會波動較大，由于環(huán)保壓力超標時間不能太長，因此在副調(diào)設(shè)定點加入出口NOx濃度超標較大時(大于110mg/ Nm3)并經(jīng)過一定時間(大于20秒，避免頻繁調(diào)整)則逐步增大噴氨流量設(shè)定值，距控制設(shè)定點越遠增加量越多，以此加大調(diào)門輸出增加噴氨量快速將其拉回。

4 改進建議

噴氨調(diào)閥流量線性對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，目前現(xiàn)場使用調(diào)門質(zhì)量線性一般，無法實現(xiàn)流量的精準控制，因此調(diào)閥控制誤差成為調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法更加穩(wěn)定內(nèi)擾因素，今后可以考慮改造為線性精度更好的進口調(diào)閥。

對于燃燒產(chǎn)生的NOx控制方法除了燃燒后控制，還有燃燒中控制，加裝脫硝裝置為燃燒后控制。燃燒中控制則通過改進燃燒方式和生產(chǎn)工藝，采用低NOx燃燒技術(shù)，降低爐內(nèi)NOx生成量。經(jīng)過試驗觀察總風量對出口NOx影響較大尤其是二次風中的頂層燃盡風對入口NOx含量影響較大，但同時對主蒸汽溫度控制也會造成較大影響，兩者有耦合作用并有一定的矛盾性，如何改進燃燒優(yōu)化技術(shù)，做到二次配風和燃盡風精準控制降低NOx的產(chǎn)生，還需進一步探索實踐。

5 結(jié)語

華能上安電廠SCR脫硝控制系統(tǒng)的控制策略經(jīng)過改進后參數(shù)選擇全面、參數(shù)整定方式清晰、對象識別速度快，而且充分利用隨動關(guān)系對NH3/NOx摩爾比，并用比例控制方式的優(yōu)勢，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。經(jīng)過實際運行調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化的檢驗，系統(tǒng)魯棒性強，達到各項控制指標，較好地滿足了SCR脫硝自動化控制要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行提供了保障。隨著我國環(huán)境保護法律、法規(guī)和標準的日趨嚴格及執(zhí)法力度的加大，采用此種脫硝控制方案的火力發(fā)電廠可在確保煙氣排放達標的同時增強脫硝系統(tǒng)運行的可靠性、連續(xù)性和經(jīng)濟性，減少氨逃逸確?？疹A(yù)器長周期穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

[1]華能上安電廠#5、#6機組煙氣脫硝改造SCR控制邏輯描述.東方鍋爐股份有限公司,2012.

[2]脫硝DCS系統(tǒng)組態(tài)圖,上安電廠.

[3]馬孝純,等.鍋爐脫硝SCR法的控制策略研究[J],電站系統(tǒng)工程[J], 2013,(1):65-66.

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