燃煤火力發電廠脫硝噴氨自動控制方案優化研究

大唐陜西發電有限公司 陳鎖宏

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燃煤火力發電廠脫硝噴氨自動控制方案優化研究

大唐陜西發電有限公司 陳鎖宏

【摘要】燃煤火力發電廠主要是利用脫硝裝置控制鍋爐脫硝出口氮氧化合物（NOx）的排放濃度，多數采用選擇性催化還原（Selective Cataletic Reduction，簡稱：SCR）法，利用液氨還原劑噴入鍋爐省煤器出口與空預器之間高粉塵區，產生化學反應，實現自動、精確控制出口NOx濃度的方案。大唐戶縣第二熱電廠（以下簡稱“戶二”）脫硝裝置投入前期，因自動控制方案不完善，控制參數調整不準確，多次造成鍋爐出口氮氧化合物（NOx）排放超標。通過對脫硝噴氨自動控制方案的改進和參數的精細化調整，解決了這一技術難題。本文詳細介紹了戶二脫硝自動控制優化后的方案。

【關鍵詞】脫硝；氮氧化合物；控制方案；優化調整

1　前言

脫硝工程的建設有利于提高企業社會形象和實現企業可持續發展，在認真履行社會責任方面起到模范作用，對改善周圍環境、促進地區社會穩定和經濟可持續發展起到積極作用。2014年國家發改委、國家環保部、國家能源局三部委聯合下發“關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》的通知”，要求燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量、濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米）。戶二2015年底1號機組超低排放改造工程完成并投入運行。為了達到安全、經濟、環保、精細化的噴氨量調整控制，在總結各種控制方式優缺點的基礎上，設計出一種雙回路串級預估值摩爾比的一種控制方式，有效滿足了鍋爐脫硝出口NOx濃度在不同運行工況下的控制指標要求，降低了氨逃逸，抑制了空預器堵塞，節能、環保效果明顯。

2　控制方案優化背景

目前行業內對脫硝噴氨自動控制方案，主要集中在單回路控制、單回路前饋控制、雙回路串級控制等方式。從目前使用情況來看，控制效果均不理想，尤其是CEMS表計反吹或校驗，測量信號失效時，噴氨調節長時間失去控制，造成脫硝出口NOx排放超標嚴重，氨逃逸偏大，空預器頻繁堵塞。分析不同的控制方案，單回路控制方式因生產工藝的特性，根本無法在各種燃燒工況下投入自動運行。單回路前饋控制方式下頻繁出現出口NOx超標或氨逃逸偏大。為了達到鍋爐脫硝出口NOx含量控制在國家環保的排放標準內，設計出一種既能達到環保指標要求，又能保證鍋爐設備安全、穩定、經濟運行的控制方案，顯得尤為重要和勢在必行。

3　控制方案優化設計

3.1信號測量預估值計算

戶二自低氮燃燒器改造投運以來，多次發生鍋爐脫硝兩側出口NOx瞬間超標。通過對脫硝出口NOx超標時的歷史數據分析，造成鍋爐脫硝兩側出口NOx瞬間超標因素，主要集中在鍋爐兩側NOx儀表反吹或儀表測量失效時，NOx測量信號失效，造成自動控制運算失效。要提高NOx測量的可靠性，最直接的辦法是增加冗余測量儀器，但因NOx測量儀表CEMS價格高、維護量大、對工作環境要求苛刻等因素，目前各廠無法實現通過增加冗余測量儀器的方法解決這一技術難題。

圖1　脫硝A、B出入口NOx變化波動趨勢

在機組運行期間，根據鍋爐脫硝工藝特性，通過歷史數據（如圖1）的分析，發現脫硝A、B兩側入口NOx值，在不同的運行工況下，兩側入口NOx數值雖不同，但變化波動趨勢相同。脫硝A、B兩側出口NOx數值，在A、B兩側噴氨調閥增量相同時，脫硝A、B出口NOx的變化趨勢相同。基于這種設備運行工況的特性，我們設計出不需要增加冗余測量儀器，通過鍋爐A、B兩側出、入口NOx數值冗余替換，替代失效信號的邏輯設計方案（如圖2），很好的解決了這一技術難題。

圖2　邏輯設計方案

當脫硝A、B兩側出、入口一側反吹或信號失效時，折算另一側值表征失效側的值，參與邏輯運算控制，達到出口NOx達標。在圖2邏輯切換器中，因在信號未失效時，信號實時跟蹤，由邏輯“0”切為邏輯“1”時，無需速率限制。在信號失效后恢復正常值時，因脫硝A、B兩側實際測量信號有偏差，由邏輯“1”切為邏輯“0”時，必須設置速率限制，防止引起調節系統震蕩。同時，通過調整鍋爐兩側NOx儀表設置，防止脫硝A、B兩側同時反吹，也可在邏輯切換器中增加“無兩側同時反吹”切換條件。

3.2脫硝噴氨自動控制調節方案設計

根據系統工藝流程（圖3）及特點，氨氣流量控制是SCR反應器控制最為重要和核心的部分。鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下，產生的化學反應存在復雜性和滯后性。同時結合CEMS表計測量的精確性和滯后性、氨氣逃逸率測量的不準確性這些諸多因素，我們設計出雙回路串級預估值摩爾比控制方案，很好的解決了因工藝特性引起的控制難點。下面闡述這一設計方案的設計思路。

圖3　系統工藝流程圖

3.2.1雙回路串級預估值摩爾比外環控制回路

鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下的反應，存在復雜性和滯后性；CEMS表計的測量，存在精確性和時間滯后性。要及時準確的在鍋爐燃燒工況變化，而脫硝出口NOx未變化時，提前預估判斷出下一時刻脫硝出口NOx變化幅度和趨勢，提前量的改變氨氣噴入量，才能保證鍋爐脫硝出口NOx的含量控制在需求范圍內。本文闡述的雙回路串級預估值摩爾比外環控制回路，設計了鍋爐燃燒工況變化時預估計算出噴入氨氣的量，其原理是將鍋爐總風量流量信號和同側脫硝入口NOx計算值，被用作預示下一時刻脫硝出口NOx的超前信號，再與通過脫硝入口和出口NOx計算出的效率，計算出當前運行工況下需要的氨氣噴入量信號，控制閥門動作，調節噴氨量，達到提前量的預估控制。控制設計方案外環控制部分。

SP2=0.5*（ηNOx/100+PID1OUT）*0.4869*C1NOx*?（∑Q）

PV2=WNH3

ηNOx=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx

式中，ηNOx為效率；PID1OUT為內環控制器輸出；C1NOx為入口NOx折算值；?（∑Q）為總風量信號的函數關系；WNH3為氨氣流量；C2NOx為出口NOx折算值。

3.2.2雙回路串級預估值摩爾比內環控制回路

由于受反應器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負荷穩定的情況下，脫硝出口NOx濃度波動也較為頻繁。因此當鍋爐負荷穩定，脫硝出口NOx濃度出現變化時，通過雙回路串級預估值摩爾比的內環控制回路，精確的調節噴氨的量，使脫硝出口NOx濃度穩定在需求值左右。另外，也可通過外環控制回路，精確校正鍋爐負荷變化后主回路控制的噴氨的量，降低氨逃逸率，減少氨氣對下游除塵、空預器等設備的損壞，防止除塵效率降低、空預器堵塞等現象。

SP1=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx PV1=100*（C1NOx-C2NOx）/C1NOx

式中，CNOx出口NOx設定值。

3.3氨氣流量限制、報警功能設計

前我國火力燃煤電廠，電網要求AGC負荷控制指標必須達到電網《兩個細則》的要求，鍋爐負荷響應必須迅速準確，才能滿足電網《兩個細則》的相關要求。當鍋爐荷變化快，燃燒工況變化大時，僅僅依靠噴氨量控制鍋爐出口NOx排放濃度，勢必造成出口下游氨逃逸率大大增加，不僅不利于經濟環保運行，還會造成電除塵設備損壞，降低除塵效果，甚至導致空預器頻繁堵塞。為了解決這一問題，根據運行經驗，控制方案里設計在不同的負荷段，噴氨量控制在一定的上限內。當噴氨量達到這一上限，雙回路串級預估值摩爾比外環控制回路限制輸出增加，保證噴氨量不過調。同時，DCS畫面告警提示運行人員，需要通過調整SOFA二次風量，控制鍋爐出口NOx的濃度。

圖4　CEMS表計反吹優化前后曲線對比圖

4　控制指標分析

通過信號測量失效時預估值計算控制方式的設計，很好的解決了燃煤火力發電廠的這一技術難題。從圖4不難看出，優化前，當脫硝CEMS表計反吹信號失效后，在鍋爐燃燒工況變化時，噴氨控制輸出保持不變，導致CEMS表計反吹結束后，脫硝出口NOx值大范圍階躍變化，不僅造成控制回路的調節振蕩，同時有可能使脫硝出口NOx濃度嚴重超標。優化后，當脫硝CEMS表計反吹信號失效，控制回路能根據預估值繼續調整，CEMS表計反吹結束后，脫硝出口NOx濃度控制在設定值的允許范圍內。

圖5是采用雙回路串級預估值摩爾比控制方案后，鍋爐出口NOx濃度控制曲線圖，分析各項數據，在鍋爐燃燒工況的劇烈變化過程中，鍋爐出口NOx排放濃度均在燃煤發電機組大氣污染物排放濃度限值范圍內。同時，氨逃逸率也得到了很好的控制，大大增強了戶二鍋爐安全、經濟、環保運行。

圖5　自動優化效果圖

5　結語

戶二2*300MW機組脫硝控制系統，設計的雙回路串級預估值摩爾比控制策略，不僅算法過程簡單、參數整定方式清晰，而且很好的解決了CEMS表計吹掃信號失效時的控制難點，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。經過一年多的運行參數的檢驗，達到各項環保要求控制指標，滿足了SCR脫硝自動化控制要求，為脫硝系統的安全、穩定和經濟運行提供了保障，對于SCR脫硝系統，具有較強的通用性和實用性。