火電廠SCR煙氣脫硝控制邏輯優化

王 鎮,薛姍姍,盛玉和

(1.華電濰坊發電有限公司,山東 濰坊 261204；2.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030)

火電廠SCR煙氣脫硝控制邏輯優化

王 鎮1,薛姍姍1,盛玉和2

(1.華電濰坊發電有限公司,山東 濰坊 261204；2.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030)

為了解決火電廠脫硝噴氨自動調節系統普遍存在的震蕩、跟蹤慢、過調問題,闡述了脫硝噴氨自動調節系統脫硝原理,并以華電濰坊發電公司二期2×670 MW機組脫硝系統為例,分析了其調節異常的原因,設計了脫硝出口NOx濃度調節方式,通過對脫硝噴氨自動調節系統和設備優化,解決了出口氮氧化物(NOx) 濃度波動大、超標、氨逃逸升高等問題。實踐證明,采用脫硝出口NOx濃度調節方式,不斷優化脫硝噴氨自動調節系統,能夠增強噴氨自動調節的穩定性,提高了脫硝系統的可靠性、連續性及經濟性。

火電廠;SCR;脫硝系統;自動調節

目前,中國各燃煤火力發電企業在對鍋爐脫硝裝置進行建設和改造中,發現脫硝噴氨自動調節系統普遍存在自動調節和整定問題,即脫硝出口和入口的煙氣流量、NOx濃度波動幅度大、不規律、脫硝煙氣連續監測系統(CEMS)定期,吹掃時CEMS測量數據變化幅度大等,造成了噴氨調節門跟蹤不及時、NOx濃度超標[1]、噴氨量過大,氨逃逸升高,氨與煙氣中的三氧化硫結合生成硫酸氫銨,以致使其粘附在脫硝催化劑和空預器的換熱面上,堵塞了空預器[2]。為了確保煙氣脫硝效率,增強脫硝系統的可靠性、連續性以及經濟性,需要配置可靠性較高的自動調節系統。本文以華電濰坊發電公司二期2×670 MW機組脫硝系統為例,分析了脫硝系統調節異常的原因,設計了脫硝出口NOx濃度調節方式,通過對脫硝噴氨自動調節系統不斷優化,加入PID控制前饋信號、動態調整PID控制的上限和下限、CEMS吹掃屏蔽等方式,增強了噴氨調節自動控制的穩定性,取得了良好效果。

1 脫硝控制系統脫硝原理

中國目前新建大型火力發電機組脫硝系統大多數采用SCR(Selective Catalytic Reduction,選擇性催化還原法)工藝,SCR一般是將氨類(NH3)還原劑噴入煙氣中,利用金屬催化劑將煙氣中的NOx轉化為氮氣(N2)和水(H2O)[3]。主要反應方程式為

4NH3+4NO+O2→ 4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→ 2N2+3H2O

由于SCR沒有副產物,不形成二次污染,且裝置結構簡單,脫硝效率高,因此它得到了廣泛應用[4]。華電濰坊發電有限公司(簡稱濰坊公司)二期工程2×670 MW機組采用SCR工藝,設A、B兩側SCR反應器,毎側安裝有聲波吹灰器、蒸汽吹灰器、噴氨調節門、噴氨快關門、噴氨流量計、CEMS進出口NOx、氧氣(O2)儀表等設備。

脫硝噴氨自動調節系統的基本原理是根據脫硝出口NOx濃度實時調整噴氨調節門的開度,達到控制脫硝出口NOx濃度的目標。其中,CEMS測量到的是煙氣中的一氧化氮(NO)濃度,而在實際計算和控制算法中用到的是NOx濃度,這就需要通過公式進行換算和修正。煙氣中NOx濃度(干基、標態、6%O2)的計算公式為

WNOx=WNO×1.53×(21-6)/(21-O2)

(1)

式中:WNOx為煙氣中NOx濃度;WNO為CEMS測量到的是煙氣中的NO濃度;O2為煙氣中的氧濃度。

2 脫硝控制系統存在的問題

濰坊公司脫硝自動調節原有的控制方式為脫硝效率調節方式,根據脫硝入口NOx濃度、設定出口NOx濃度、實際出口NOx濃度,計算設定脫硝效率和實際脫硝效率;根據設定脫硝效率和實際脫硝效率的差值,實時調整噴氨調節門的開度,來達到控制脫硝出口NOx濃度的目標。

設定脫硝效率計算公式為K1=(W1-W2)/W1×100%

(2)

實際脫硝效率計算公式為K2=(W1-W3)/W1×100%

(3)

式中:W1為脫硝反應器入口NOx濃度;W2為脫硝反應器設定出口NOx濃度;W3為脫硝反應器實際出口NOx濃度。

在實際運行的過程中,通過對歷史趨勢進行查詢研究,發現此種調節方式在負荷比較穩定時,自動投入情況能夠滿足SCR反應器運行的要求,但當負荷一旦變化時,由于出入口NOx都將隨之大幅度變化,因此調節系統擾動較大,無法投入正常運行,造成出口NOx濃度值時常超標。

3 脫硝控制系統優化

脫硝效率調節方式沒有直接以出口NOx濃度作為跟蹤量,因此在原有脫硝效率調節方式的基礎上,增加了出口NOx濃度調節方式。PID控制器的設定值為出口NOx濃度,被調量為實際出口NOx濃度測量值,根據設定的出口NOx濃度和實際出口NOx濃度的偏差,經PID運算后生成噴氨調節門指令,實時調整調節門的開度,來達到控制脫硝出口NOx濃度的目標。控制原理如圖1所示。由于直接跟蹤出口NOx濃度,因此調節更為直接有效。

由圖1可以看出,出口NOx濃度由設定值隨動的單回路控制系統控制,控制回路簡單、易于調試和整定。在PID控制模塊中,PID具體參數應根據設備運行實際狀況來調整和優化。積分時間宜設定在400 s左右,比例系數宜設定為0.1～0.2。

圖1 出口NOx濃度調節方式控制原理圖

為了防止噴氨調節門過調,在PID控制模塊中應加入自動調節的上限和下限,如設上限60、下限20,根據入口NOx濃度實時調整。具體方法為通過分析各種工況下的大量歷史數據,記錄不同入口NOx濃度下調節門開度波動的正常范圍,將入口NOx濃度引入分段函數功能塊,然后引入PID控制模塊的上限和下限。例如,在入口NOx濃度為300 mg/m3時,調節門上限設為40、下限設為20;在入口NOx濃度為500 mg/m3時,調節門上限設為60、下限設為30。

造成脫硝入口NOx濃度波動的主要因素有機組負荷、磨煤機運行方式、省煤器出口氧量、SOFA風量、CCOFA風量、偏置風量等[5]。當機組工況快速變化、入口NOx濃度大幅波動時,往往出現自動調節滯后。此外,煙氣在反應器中有一個化學反應過程,CEMS測量儀表取樣管路通常較長,造成NOx測量存在明顯滯后,進而造成自動調節滯后。因此需要在PID控制模塊中加入前饋信號,使用脫硝入口煙氣流量和入口NOx濃度的乘積得到的入口NOx含量作為前饋信號,這樣有利于快速響應工況變化,也進一步增強了變負荷控制系統調節的及時性。

需要注意的是,由于出口和入口CEMS分析儀表需要進行定期吹掃,吹掃時CEMS測量到的NOx濃度大幅變化,失去其真實性,不能再將此時測量到的NOx濃度作為PID控制模塊的跟蹤量,因此加入了吹掃狀態信號,當吹掃時跟蹤量保持吹掃前數值,保持時間可以根據吹掃后NOx濃度恢復正常所需時間來確定,通常在吹掃結束后3 min恢復實時跟蹤。用于跟蹤量的出口NOx濃度和用于前饋信號的入口NOx濃度都要引入吹掃狀態切換。

此外,還加入了自動切手動條件:調節門指令反饋偏差大、調節門反饋壞點、出口NOx濃度壞點、入口NOx濃度壞點、出口O2壞點、入口O2壞點等,切手動。當噴氨調節門切手動時,發出報警,及時提醒人員檢查處理。

在工況穩定的情況下,進行出口NOx濃度設定值階躍擾動試驗,可以得到噴氨調節門開度響應曲線,如圖2所示。

圖2 出口NOx濃度設定值擾動曲線圖

由圖2可以看出,出口NOx濃度設定值由60 mg/m3調整為80 mg/m3后,噴氨流量由140 kg/h減小到120 kg/h,出口NOx濃度響應曲線存在12 s純延遲,為大慣性控制對象,其調節過程較長,峰值時間為4 min,系統調節時間為10 min。出口NOx濃度測量值由60 mg/m3上升至第一峰值的88 mg/m3,超調為8 mg/m3,衰減率為75%,穩態誤差<2 mg/m3,系統穩定性、及時性和控制精度均為優良。

在設定出口NOx濃度不變的情況下,通過鍋爐燃燒調整,進行入口NOx濃度突升試驗,對比控制方式優化前后出口NOx濃度變化曲線,如圖3所示。

圖3 入口NOx濃度突升試驗曲線圖

由圖3可以看出,在設定出口NOx濃度為70 mg/m3的情況下,在3 min的時間里入口NOx濃度值由400 mg/m3上升到500 mg/m3,優化后出口NOx濃度控制效果較優化前大為改善。控制性能參數如表1所示。

表1 優化前后入口NOx濃度突升試驗性能參數

4 脫硝控制系統設備優化

為了進一步提高自動調節效果,應盡可能縮短CEMS儀表煙氣取樣管路的長度和減少彎曲,以保證煙氣分析儀表的快速反應。定期對CEMS儀表進行維護與校驗,對煙氣取樣管路進行檢查,確保CEMS測量的準確性[6]。

脫硝噴氨調節門和管道過濾網容易發生堵塞,會造成液氨供應不足。液氨的純度通常很高,其濃度一般在99.5%以上,但還是會有少量雜質,這些雜質帶有一定的粘性,粘附在調節門閥體和過濾網孔板處,長期積累后容易堵塞調節門閥體和過濾網孔板。因此,當發現供氨流量異常時,應當打開旁路閥手動調整供氨,將噴氨調節門和管道過濾網拆下,清理雜物,用壓縮空氣將附著在調節門閥體和過濾網孔板處粘性雜質清理干凈。在系統實際運行過程中,應加強聲波吹灰器和蒸汽吹灰器的檢修維護,確保正常投運,防止出現催化劑表面掛灰或堵塞,避免影響催化劑活性。

5 結 論

1) 采用脫硝出口NOx濃度調節方式,不斷優化脫硝噴氨自動調節系統,能夠增強噴氨自動調節的穩定性。

2) 優化PID控制參數,能夠解決調節系統震蕩問題。

3) 使用脫硝入口煙氣流量和入口NOx濃度的乘積,得到入口NOx含量作為前饋信號,能夠增強工況變化時自動調節的及時性,解決自動調節跟蹤慢的問題。

4) 動態調整PID控制的上限和下限,能夠改善自動控制的超調問題。

5) 加入CEMS吹掃屏蔽能夠確保跟蹤量的有效性。

[1] GB 13223-2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2] 武保會,崔利.火電廠SCR煙氣脫硝控制方式及其優化[J].熱力發電,2013,42(10):116-119. WU Baohui, CUI Li. SCR flue gas denitrification control and optimization in thermal power plants [J]. Thermal Power Generation, 2013,42(10):116-119.

[3] 羅子湛,孟立新.燃煤電站SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優化[J].電站系統工程,2010,26(4):69-63. LUO Zizhan, MENG Lixin. Ammonia flow automatic control mode optimization of SCR flue gas DeNOxfor coal-fired power pla-nt [J]. Power System Engineering, 2010,26(4):69-63.

[4] 楊冬,徐鴻.SCR煙氣脫硝技術及其在燃煤電廠的應用[J].電力環境保護,2007,23(1):49-51. YANG Dong, XU Hong. Discussion on the application of the SCR technology in coal-fired power plants [J]. Electric Power Environmental Protection, 2007,23(1):49-51.

[5] 張偉,于麗新.鍋爐燃燒調整對NOx排放影響的研究[J].東北電力技術,2011,32(12):38-40. ZHANG Wei, YU Lixin. Research for NOxemission of boiler by combustion regulation [J]. Northeast Electric Power Technology, 2011,32(12):38-40.

[6] 莊建華.SCR煙氣脫硝技術的應用[J].發電設備,2010,24(2):142-145. ZHUANG Jianhua. Application of SCR flue gas denitrificati-on [J]. Electric Power Equipment, 2010,24(2):142-145.

(責任編輯 侯世春)

Optimization of SCR flue gas denitrification control logic

WANG Zhen1, XUE Shanshan1，SHENG Yuhe2

(1.Huadian Weifang Power Generation Company, Weifang 261204, China；2.Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin 150030，China)

In order to solve the problems of ammonia flow automatic regulation of denitrification system in coal-fired power plant, including oscillation, slow tracking and over regulation, this paper expounded the working principle of ammonia flow automatic regulation of denitrification system, taking the denitrification system of the second-phase 2×670 MW unit in Huadian Weifang Power Generation Company as an example, analyzed the reasons for abnormal regulation, designs denitrification export NOxconcentration regulation mode, and solved the problems of export NOxconcentration, such as wide oscillation, over standard and increased escaped ammonia through the optimization of ammonia flow automatic regulation of denitrification system and equipment. The practice proved that denitrification export NOxconcentration control was able to optimize ammonia flow automatic regulation of denitrification system, strengthen its stability and enhance its reliability, continuity and economy.

thermal power plant; SCR; denitrification system; automatic regulation

2015-03-06。

王 鎮(1983—),男,碩士,助理工程師,從事火電廠熱工控制系統研究工作。

TK323

A

2095-6843(2015)05-0463-04