火電脫硝CEMS預處理和控制系統優化及應用研究

孟　坦　李　峰

1 國華徐州發電有限公司

2 美國博純有限公司上海代表處

節能論壇Energy Conservation Forum

火電脫硝CEMS預處理和控制系統優化及應用研究

孟坦1李峰2

1 國華徐州發電有限公司

2 美國博純有限公司上海代表處

分析了脫硝CEMS系統和脫硝控制系統主要存在的問題，針對這些問題進行了優化改造研究，提出了對脫硝CEMS系統和脫硝控制策略的優化方案，并對優化方案進行了實施與評估，獲得了成功的應用。

脫硝；CEMS；預處理；控制；優化

大型火電機組目前均安裝了脫硝系統，但是脫硝CEMS系統和脫硝控制系統從現場實際使用中看還存在一些問題，脫硝CEMS系統主要存在銨鹽結晶和冷凝水的問題，嚴重影響了脫硝CEMS的正常運行和使用壽命。脫硝控制系統由于控制策略設計不完善、控制目標不明確等問題，系統的自動投入率和投入效果均較差，使得整個脫硝系統的運行性能受到明顯影響。本文根據某電廠百萬機組脫硝系統實際改造情況，分析了脫硝CEMS系統和脫硝控制系統主要存在的問題，并針對問題結合優化改造進行分析研究。

1　存在問題

火電廠的煙氣連續排放監測系統（CEMS）最令人頭疼的是氣體采樣中存有大量的氣體塵埃、腐蝕性和潮濕的氣體。目前火電CEMS系統預處理通用的做法是采用過濾、取樣管線加熱、壓縮機冷凝，對于安裝脫硝系統的機組，由于氨不可避免過量投加且其為堿性氣體，且煙氣中總是含有明顯的SO2、SO3和NO2等酸性氣體，它們會自然發生氣溶膠反應。而在SCR的CEMS系統中，也會有因氨逃逸而導致的硫酸氫銨鹽結晶。CEMS中氣溶膠的發生，或凝結下來的銨鹽結晶，會導致監測分析結果出現誤差，另外，銨鹽結晶會堵塞取樣管線，降低CEMS冷凝器的冷凝效率，導致CEMS出現諸多問題。因SCR煙氣沒有經過脫硫，SO2含量很高（設計值大體在2 200 mg/Nm3左右），會溶于冷凝水而生成相應的酸，具有較強的腐蝕性，會腐蝕薄膜抽氣泵的膜片，以及取樣管線及元件，嚴重時還會嚴重腐蝕分析儀的氣室，導致分析儀的損壞。

目前國內的SCR脫硝閉環控制策略，基本設計為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。該控制方式下的設定值為氨氮摩爾比或者脫硝效率，控制系統根據當前的煙氣流量、SCR入口NOx濃度和設定氨氮摩爾比計算出NH3流量需求，最終通過流量PID改變氨氣閥開度來調節NH3實際流量，這種控制方式近似于開環控制，脫硝系統的NH3需求量僅根據靜態物理特性計算得出；部分電廠總結固定摩爾比控制方式的不足，采取了固定SCR出口NOx濃度控制方式，此時系統設定值為SCR出口NOx濃度，并根據其與實際出口NOx濃度的偏差來動態修正氨氮摩爾比，達到閉環控制SCR出口濃度的效果。但對于煤種多變、機組負荷受AGC頻繁調度、測量儀表存在失真的國內脫硝運行環境，不論上述何種控制方案，在正常運行中均表現出如下問題：NOx濃度也將受影響而反復波動，會出現因脫硝控制品質差出現NOx排放超標，噴氨量大、氨逃逸大，生成的銨鹽對下游設備損壞大。

2　問題分析

某電廠100 MW機組初裝的脫硝CEMS在實際運行中也存在諸多問題，主要為冷凝水析出及衍生出來的腐蝕等問題、銨鹽結晶等，給系統運行維護帶來了很多困擾。脫硝控制系統為傳統的控制策略，采取了固定SCR出口NOx濃度控制方式，此時系統設定值為SCR出口NOx濃度，并根據其與實際出口NOx濃度的偏差來動態修正氨氮摩爾比，但仍存在無法精準控制NH3的投加，SCR出口NOx波動大。主要表現為：

2.1冷凝水問題

機組脫硝CEMS采用的是一級壓縮機冷凝，冷凝器顯示出口溫度為4℃，但冷凝器之后至分析儀間樣氣管線內有時有明顯的冷凝水滴析出，易發生樣氣攜帶冷凝水進入分析儀的情況。

因SCR煙氣沒有經過脫硫，SO2含量很高（設計值大體在2 200 mg/Nm3左右），會溶于冷凝水而生成相應的酸，具有較強的腐蝕性，會腐蝕薄膜抽氣泵的膜片，以及取樣管線及元件，嚴重時還會嚴重腐蝕分析儀的氣室，導致分析儀的損壞。

2.2銨鹽結晶問題

該機組SCR的CEMS投產1年已經發現明顯的銨鹽結晶問題，主要發生在空壓機冷凝器的冷腔中。

2.3時間滯后問題

時間滯后的問題分析，主要為以下4方面。

（1）取樣和氣體傳輸引起的滯后。

（2）預處理系統（二次過濾及冷凝）的滯后時間約5 s。

（3）儀器的滯后時間，約3 s。

（4）儀器的電氣時間常數1 s，二號機SCR出口處直接抽取法CEMS分析滯后時間約需要24s。

2.4控制特性不佳

在線分析數據滯后時間長，控制系統性能不好，無法控制NH3的精確投加，過量投加NH3，造成了成本升高，SCR出口NOx波動大，并帶來了銨鹽下設備腐蝕、催化劑失效等問題。

3　優化措施分析研究

3.1脫硝CEMS存在問題分析研究

針對以上SCR用CEMS中冷凝水和銨鹽的問題，如采用傳統的二級冷凝法雖然可以緩解CEMS系統樣氣中冷凝水的問題，但解決不了銨鹽和氣溶膠對取樣管線和分析儀表的影響。經過分析研究，擬采用一種原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣GASS預處理系統。該系統直接安裝在就地取樣裝置后面，主要特點是在煙氣取樣裝置后面增加了除氨裝置和灰塵過濾裝置、在氣相狀態下除濕裝置等。系統煙氣處理流量可達25 LPM，處理煙氣濕度可超過65%，可同時除去樣氣中的酸霧和氨氣。

圖1　傳統冷干和原位直抽冷干CEMS比較圖

原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統包括整體式煙氣取樣探頭。樣氣從探頭出來先進入第一溫區—熱交換器，在這里，高溫的煙氣經熱交換器降溫到第二溫區所需控制的溫度。然后煙氣通過凝聚式過濾器（過濾精度0.1 μm），還有一個專利除氨器除去氨（CEMS系統要除氨，否則發生氣溶膠和銨鹽結晶）。第二溫區是Nafi on管干燥器溫控區，其頭部被動加熱到樣氣露點以上，以避免樣氣出現水而引起Nafi on管故障，一般控制到120℃,防止煙氣中的水分冷凝。樣氣在通過Nafi on管干燥器的其余部分后，樣氣露點進一步降低到-10℃。Nafi on管脫水技術，在直接抽取法采樣的一開始，在氣相狀態下除去水分，避免樣氣冷凝形成酸，同時由于不產生冷凝水，因此不會造成任何易溶于水的成分的流失，如SO2、NOx等。加裝整體式取樣探頭后，整套裝置可直接安裝在煙道壁上，所以，該脫硝樣氣處理系統本質上是具有完整性的“原位預處理法”設計，其后的采樣管線可以不伴熱，因為樣氣已經是非常潔凈和干燥的，粉塵＜0.1 μm，露點-10℃。（Nafi on管是由美國博純有限公司生成的氣態除濕管，目前主要應用在醫療領域，它具有高選擇性的除水性能，水通過Nafi on膜壁移動，隨后蒸發進入周圍空氣中，管內外的濕度差驅動了這個過程，在氣體連續排放監測應用中，Nafi on不會與其中的常規氣體和蒸氣反應。）

圖1為傳統冷干直抽法CEMS和擬使用的原位冷干直抽法CEMS的不同：

傳統冷干直抽法CEMS：采用高溫伴熱管+冷凝器除濕。

原位冷干直抽法CEMS：系統采用Nafi on管除濕，并內置除氨器、可去除酸霧的絮凝過濾器，因此不需要高溫伴熱管和冷凝器。

總之，該冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統具有如下特點。

（1）避免了冷凝水的發生，因此保證了后續管線及分析儀無任何酸性腐蝕；避免了冷凝水和易溶解酸性氣態的接觸，保證了待分析酸性樣氣的完整保留，確保了分析的準確性。

（2）提前以氣態的形式去除煙氣中的氨氣，確保了后續過程中無硫酸氫銨氣溶膠及銨鹽結晶的發生，避免了CEMS系統內發生銨鹽結晶，導致管路堵塞等問題的發生。

（3）因系統在樣氣取樣處，即原位進行了預處理，就可以省掉伴熱管和冷凝器，這樣，分析儀可在該系統后進行原位安裝，其分析滯后時間可以大大縮減，就可以精確控制氨氣的投加量。

3.2脫硝控制策略優化

（1）硝裝置氨消耗量計算優化

原設計為進口NOx濃度和煙氣流量的乘積為NOx流量信號，然后此信號與所要求的NH3/NOx摩爾比（取決于脫硝效率）相乘得到氨耗量信號。根據脫硝反應方程式，1摩爾NH3與1摩爾NOx進行反應。理論上所有氨參與反應，NH3/NOx摩爾比為0.8 時的脫硝效率可達到80%。根據所要求的脫硝效率為80%，氨逃逸率3 ppm，則相應的摩爾比約為0.820 5。摩爾比可由程序決定或在現場調試時設定。NOx控制回路的PID輸出控制值限幅在±20%以內，PID輸出值和理論氨/氮摩爾比之和作為修正摩爾比與進口NOx流量信號的乘積作為流量調節回路的設定值，并通過PI調節回路調整氨氣氣動調節閥的開度。原設計所計算的氨消耗量來自廠家的一些經驗公式，實際使用中，部分區段準確度差，現根據行業標準重新優化計算，提高了氨消耗量計算的準確度。

重新優化計算過程如下：煙氣流量是通過總風量計算采用質量流量（t/h），而氨氣流量是采用體積流量（Nm3/h）。采用煙氣標況密度1.34（kg/m3）進行轉換，則轉換系數為1 000/1.34=746.27。NOx濃度ppm轉換標準單位時需要除以1000000，分成A、B兩側則實際除以2000000。在體積轉換中若考慮入口NOx中NO及NO2的比重，則需乘系數1.03。因此優化計算的需要消除的A側（或B側）NOx流量值（Nm3/h） =煙氣流量(t/h)×1000/1.34×A（或B側）側SCR的NOx濃度(ppm) ×1.03/2 000 000。需要消除的NOx流量值（Nm3/h）乘以NH3/NOx摩爾比才可得到最終的氨氣流量設定值。

（2）NH3/NOx摩爾比優化修正

系統已設計有固定出口NOx含量的控制方式，可實現按需脫除NOx，減少氨氣用量。由于A側（或B側）采用出口NOx濃度與設定值偏差經過PID運算來修正NH3/NOx摩爾比。A、B側出口NOx濃度控制值之間有差異，造成氨氣用量的過多使用。

為克服系統控制參數變化過程的時滯問題，設計了如下優化控制邏輯：采用增益自適應預估器對出口NOx進行預測。并將預測值與實際值進行加權計算，出口NOx濃度值預測修正值-計算的預測值×0.7+測量值×0.3，若需要減少氨逃逸率可調整加權比例為0.5：0.5。A側和B側出口NOx的實際值采用增益自適應預估器還可得到環保NOx預測值，出口NOx濃度值預測修正值與環保NOx監視值進行加權將能實現A、B側出口NOx的偏差調整，實現優化的A、B側氨氣流量控制，達到進一步節省氨氣的目的。

增益自適應預估器原理：增益自適應預估器其原理框圖如圖2，它是在Smith預估器的基礎上增加了除法器、比例微分器、乘法器，這三個環節的作用是根據被調量和模型輸出信號間的比值自動校正預估器增益信號。

圖2　增益自適應補償系統原理性框圖

（3）數學推導過程

Y(s)=[R(s)-Y2(s)]Gc(s)G0(s)e-τs

若τ=τm，則得出式（1）

式（1）所示的閉環傳遞函數與預估器的傳遞函數（去掉純遲延部分）Gm(s)無關，也與其增益無關，不管是否等于實際對象增益，式（1）總是成立的，但式（1）的成立條件與模型預估的純滯后時間有關，因此對等效純滯后參數變化大的對象，需要設計滑變的純滯后時間回路，以便達到良好的調節效果。

采用增益自適應預估器對SCR出口NOx進行預測，就是是通過計算得到的氨氣流量、NH3/ NOx摩爾比、SCR入口NOx濃度等值采用以上所說明的預估器原理，通過多階慣性環節及純滯后擬合計算出口NOx預測值，根據預測值修正NH3/ NOx摩爾比，達到超前調節，節約氨氣用量的目的。若預測值與實際值有偏差預估器可通過反饋回路修正預測增益，采用增益自適應預估器對環保NOx進行預測與此過程類似。同時在該控制方式中引入煙氣流量（根據需要可以選用機組負荷設定值）作為系統的前饋信號,進一步增強變負荷系統調節的及時性。

（3）優化后的控制邏輯組態圖

圖3為預估SCR出口NOx值形成回路圖，圖4為氨氣調節閥控制指令形成回路圖。

4　優化前后的效果對比

圖5為該機組脫硝系統優化前的實際運行狀況：在機組負荷基本不變的情況下（藍線為機組負荷）SCR入口NOx濃度（紅線）由248 mg/Nm3變化為470 mg/Nm3時，SCR出口NOx濃度（淡藍線）由16 mg/Nm3變化為165 mg/Nm3，有時不滿足江蘇省環保廳的考核要求。

圖3　預估SCR出口NOx值形成回路

圖4　氨氣調節閥控制指令形成回路

經過采用原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣GASS預處理系統，并把SCR出口CEMS分析儀表直接安裝在該預處理后面，脫硝控制系統按上述方案進行優化后，NOx控制目標的設定數值可以更加接近于環保考核值，在滿足江蘇省環保廳的考核要求的同時脫硝系統的氨氣消耗量明顯降低，SCR出口NOx濃度基本控制在設定值±15 mg/Nm3，如圖6（藍線為機組負荷，紅線SCR出口NOx濃度）。

使用原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統和控制系統優化后的效果：樣氣露點溫度：2013年3月在二號爐SCR出口CEMS安裝原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統以后，從紅外分析儀后樣氣出口測得的露點溫度為-5℃,當時還是開著伴熱管和空壓機冷凝器，但冷凝器后的冷凝水集水桶中再也沒有冷凝水；2013年4月，在安裝原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統后的30 d，停止了伴熱管的150℃加熱，并關閉了空壓機冷凝器，此時分析儀后樣氣的露點溫度為-8℃；經過一年使用，2014年4月初測試的樣氣露點為-5℃。樣氣處理到-5℃露點，就徹底解決了冷凝水析出的問題，及其衍生的腐蝕。一年來，紅外分析儀運行正常，樣氣抽吸泵再也沒有更換膜片。

圖5　優化前脫硝歷史曲線

圖6　優化前脫硝歷史曲線

銨鹽結晶：因為原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統中含有高溫除氨器，可在80℃就把逃逸出來的氨氣去除，因此Nafi on干燥管沒有受到氨氣的破壞，而整個CEMS系統也沒有發生過銨鹽結晶的問題。

分析滯后問題：2013年4月，將紅外氣體分析儀移到距離原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統約1米的探頭區域。經計算，系統的整個CEMS滯后時間約為8 s，比原先的24 s縮短了16s，大大的縮短了分析的滯后時間，提高了SCR在線控制系統的響應速度。

氨氣投加量：經過約180 d運行，對二號機組和一號機組進行了比較，基本確認：使用了原位冷干直抽法脫硝煙氣取樣預處理系統的SCR二號機較沒有進行系統優化前在脫硝效率保持NOx脫除率不小于80%(含80%)時，NH3的投加量降低了。對比沒有進行脫硝CEMS系統和脫硝控制策略優化的一號機組，氨氣約節省了10%，全年可節省約80多萬元的NH3；同時降低了因過量的NH3逃逸造成煙氣系統諸多的后續一系列的負面影響,例如ABS(亞硫酸氫銨)在空預器及電除塵中的沉積，及對空預器及電除塵金屬材質的垢下腐蝕等。

5　結語

經過加裝新型脫硝CEMS煙氣預處理系統，徹底解決了冷凝水析出的問題、銨鹽結晶影響分析儀表正常工作問題，并且沒有影響分析數據的真實性。該CEMS煙氣預處理系統更加適用于沒有GGH的脫硫煙氣分析系統，具有一定的推廣應用價值。

采用脫硝CEMS原位GASS預處理系統，然后將分析儀表移到原位，將分析儀表柜直接安裝在就地脫硝煙氣預處理裝置的后面，有效縮短了分析儀表的滯后時間，提高了分析儀表的響應速度，為提高脫硝系統控制品質創造了有利的條件。

經過對脫硝控制的控制策略優化，用增益自適應預估器對SCR出口NOx進行預測，根據預測值修正NH3/NOx摩爾比，達到超前調節，節約氨氣用量的目的。脫硝控制優化前要先進行鍋爐氧量控制回路的優化工作，以保證鍋爐氧量的穩定，保證在穩定燃燒的前提下盡量降低氧量并防止氧量大幅波動，因為氧的富余量對燃燒器生成氮氧化物影響非常大。

INFORMATION AND DYNAMIC

節能信息與動態

印度建成世界首個完全由太陽能供電的機場

最近，印度建成世界上首個完全使用太陽能供電的機場——科欽國際機場。機場占地182109m2，共使用太陽能面板46 150塊。據介紹，由于利用太陽能供電，機場在未來25年內將減少碳排放量30萬t，相當于種植300萬棵樹木。機場多余的發電量將出售給喀拉拉邦供電局，以作他用。

（李忠東 譯 )

Optimization and Application Research
Pretreatment and Control System Continuous Emission Monitoring System of Power Plant Denitrification

Meng Tan1, Li Feng2
1 Xuzhou Power Generation Co.,Ltd of PR China
2 Perma Pure LLC Shanghai Representative Office of the United States

The article analyzes main existing problems of denitrification CEMS and control system and carries out optimization and reconstruction study on above issues. The author puts forward optimization solution for denitrification CEMS and control strategy and implements and evaluates solutions to achieve successful application.

Denitrification, Continuous Emission Monitoring System, Pretreatment, Control, Optimization

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.004

孟坦：（1976-），男，工程師，國華徐州發電有限公司，長期從事火力發電熱控技術管理工作。