火電廠脫硝環(huán)保系統(tǒng)改造及優(yōu)化

金 飛，馬 瑞，楊春來(lái)

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

火電廠脫硝環(huán)保系統(tǒng)改造及優(yōu)化

金 飛，馬 瑞，楊春來(lái)

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對(duì)河北省南部電網(wǎng)某火電廠2號(hào)機(jī)組脫硝環(huán)保系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，從煙氣測(cè)量、噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性和控制策略等方面制定具體改造方案，由改造效果可知此次優(yōu)化改造能保證氮氧化物排放達(dá)到環(huán)保部門新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

脫硝系統(tǒng)；煙氣連續(xù)測(cè)量；氮氧化物排放；控制邏輯

1 概述

2015年8月，河北省環(huán)保廳下發(fā)了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求河北地區(qū)現(xiàn)役火力發(fā)電機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氮氧化物排放小于50 mg/m3。

河北省南部電網(wǎng)某火電廠1期2臺(tái)機(jī)組燃燒的是山西褐煤，鍋爐為∏型鍋爐，對(duì)沖燃燒，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下省煤器出口氮氧化物濃度在300～600 mg/m3波動(dòng)，工況較為惡劣，于2013年加裝SCR脫硝系統(tǒng)，位置在省煤器和空預(yù)期中間，三層SCR反應(yīng)器全部投入并且完成鍋爐低氮燃燒改造，但運(yùn)行期間出現(xiàn)很多問(wèn)題，使SCR出口氮氧化物濃度很難達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，對(duì)其已運(yùn)行的脫硝環(huán)保系統(tǒng)進(jìn)行分析試驗(yàn)，從煙氣測(cè)量、噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性和控制策略等方面制定具體改造方案并實(shí)施，以下以該電廠2號(hào)機(jī)組為例，介紹其改造優(yōu)化方法和效果。

2 脫硝環(huán)保系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

2.1 煙氣連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)(CEMS)測(cè)量不準(zhǔn)確且頻繁故障

2號(hào)機(jī)組CEMS系統(tǒng)采用的是抽取法檢測(cè)，其“L”型采樣抽取管道過(guò)長(zhǎng)，造成近1 min測(cè)量的延遲；脫硝裝置區(qū)域煙塵濃度較高，最大高于20 000 mg/m3，有濾塵器進(jìn)行過(guò)濾，煙塵濃度大，容易濾塵器堵塞，濾塵器堵塞會(huì)使測(cè)量值偏低延遲加大，清理濾塵器過(guò)程中會(huì)造成測(cè)量中斷；脫硝裝置區(qū)域除了煙塵濃度高，還存在高流速顆粒物，對(duì)檢測(cè)探頭的沖刷打磨非常嚴(yán)重；現(xiàn)有的抽取法儀器使用普通特氟龍管線不能適用260 ℃以上高溫，脫硝裝置區(qū)域煙氣溫度高，大于400 ℃，會(huì)變形或加速老化；脫硝后煙氣含逃逸氨，在低于280 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，進(jìn)而堵塞管線。

2.2 噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性差

2號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，噴氨流量經(jīng)常大幅波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥線性惡化，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁，經(jīng)常在完全關(guān)閉和打開(kāi)之間反復(fù)波動(dòng)，造成整個(gè)系統(tǒng)振蕩，出口氮氧化物濃度超標(biāo)[1]。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)制氨過(guò)程中蒸發(fā)器溫度和出口氨氣壓力不穩(wěn)定是噴氨流量波動(dòng)大的成因。

2.3 噴氨自動(dòng)控制品質(zhì)差

2號(hào)機(jī)組原噴氨控制策略為傳統(tǒng)PID單回路，用出口氮氧化物濃度與設(shè)定值之間的偏差乘以PID函數(shù)加上負(fù)荷變動(dòng)前饋，控制噴氨調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，以到達(dá)出口氮氧化物濃度設(shè)定值。

當(dāng)爐膛燃燒發(fā)生變化時(shí)，SCR入口氮氧化物濃度隨之變化，出口氮氧化物濃度會(huì)發(fā)生跳變，噴氨調(diào)節(jié)閥劇烈擺動(dòng)，氮氧化物排放超標(biāo)。每隔1 h的脫硝系統(tǒng)吹掃過(guò)程中，出入口氮氧化物濃度測(cè)量設(shè)備會(huì)保持當(dāng)前值，造成近3 min的盲區(qū)，測(cè)量恢復(fù)后，噴氨調(diào)節(jié)閥會(huì)劇烈擺動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3 優(yōu)化改造措施

3.1 應(yīng)用脫硝檢測(cè)新技術(shù)

針對(duì)原有抽取式檢測(cè)方法產(chǎn)生的各種缺陷，現(xiàn)采用噴射引流+煙氣回流組合探頭的新技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，探頭示意如圖1所示。

圖1 噴射引流+煙氣回流組合探頭示意

新技術(shù)產(chǎn)品采樣探頭為煙道旁直接測(cè)量，取消了采樣抽取管道，實(shí)際響應(yīng)時(shí)間為5 s以內(nèi)；采樣探頭的工作原理是基于文丘里效應(yīng)，持續(xù)向煙道內(nèi)噴射壓縮空氣，探頭前端不加濾塵器，利用高溫顆粒物的流動(dòng)性，將含顆粒物的煙氣引至煙道外傳感器下方檢測(cè)，再與噴射空氣混合送回到煙道內(nèi)，這樣屏蔽了煙塵濃度高低對(duì)檢測(cè)的影響。該技術(shù)在一個(gè)傳感器內(nèi)連續(xù)完成了氧氣的檢測(cè)、二氧化氮向一氧化氮的轉(zhuǎn)換和氮氧化物的檢測(cè)，傳感器由氧化鋯厚膜材料組合成一體結(jié)構(gòu)，測(cè)量池、加熱和控溫均密閉在傳感器中，解決了環(huán)境惡劣對(duì)傳感器的影響；整個(gè)探頭結(jié)構(gòu)均為金屬或陶瓷制品，沒(méi)有塑料/橡膠等不耐高溫的部件；雙池厚膜氧化鋯傳感器工作溫度大于800 ℃，無(wú)需降溫可以直接檢測(cè)大于300 ℃煙氣，當(dāng)煙氣溫度小于300 ℃時(shí)脫硝裝置會(huì)停止噴氨，故不會(huì)發(fā)生銨鹽結(jié)晶。

該技術(shù)檢測(cè)氮氧化物濃度采用雙池厚膜氧化鋯傳感器，傳感器原理和結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，具體檢測(cè)原理如下。

圖2 雙池厚膜氧化鋯傳感器原理和結(jié)構(gòu)

a.被測(cè)氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器第一測(cè)量池：第一測(cè)量池內(nèi)的氧氣被排出(氧泵)，產(chǎn)生極限電流，通過(guò)測(cè)量這一極限電流來(lái)檢出被測(cè)氣體中的氧氣濃度。同時(shí)第一測(cè)量池內(nèi)還發(fā)生二氧化氮分解反應(yīng)：2NO2→2NO + O2,完成NO2→NO轉(zhuǎn)換。由于此過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣濃度量綱僅為10-6V/V，所以對(duì)氧氣測(cè)量的影響可忽略不計(jì)。

b.被測(cè)氣體繼續(xù)擴(kuò)散進(jìn)入傳感器第二測(cè)量池：第二測(cè)量池內(nèi)一氧化氮產(chǎn)生分解：2NO→N2+ O2，分解的氧氣被排出(氧泵)，產(chǎn)生極限電流，通過(guò)測(cè)量第二測(cè)量池的極限電流來(lái)檢出被測(cè)氣體中的氮氧化物濃度。

3.2 加裝調(diào)節(jié)閥

a.從輔汽聯(lián)箱來(lái)的蒸汽直接進(jìn)入蒸發(fā)器加熱液氮，溫度高于70 ℃關(guān)閉進(jìn)口閥門，低于60 ℃打開(kāi)，溫度的波動(dòng)造成蒸發(fā)器內(nèi)壓力的波動(dòng)，進(jìn)而影響噴氨流量。在蒸汽進(jìn)口處加裝調(diào)節(jié)閥來(lái)穩(wěn)定蒸發(fā)器溫度，如圖3所示，采用單回路PI控制，P=0.4、I=80，將溫度設(shè)定為65 ℃。

圖3 脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥安裝位置

b.在緩沖罐出口有一個(gè)氨氣快關(guān)閥，在出口氨氣壓力到達(dá)0.5 MPa時(shí)聯(lián)鎖關(guān)，低于0.3MPa時(shí)聯(lián)鎖打開(kāi)，蒸發(fā)器內(nèi)壓力變化很快，而緩沖罐容積過(guò)小，造成快關(guān)閥頻繁動(dòng)作，出口氨氣壓力頻繁波動(dòng)，氨氣流量頻繁變化，最終使SCR出口氮氧化物濃度排放超標(biāo)。在快關(guān)閥前加裝調(diào)節(jié)閥來(lái)穩(wěn)定蒸發(fā)器出口壓力，如圖3所示，采用單回路PI控制，P=2、I=100，將壓力設(shè)定為0.25MPa。

3.3 升級(jí)噴氨自動(dòng)控制策略

a.將原有單回路PID升級(jí)為可以消除噴氨流量?jī)?nèi)擾的串級(jí)回路控制，主調(diào)節(jié)參數(shù)為P=1.0、I=90，副調(diào)參數(shù)為P=0.95、I=35，控制策略流程見(jiàn)圖4。

圖4 脫硝噴氨系統(tǒng)控制流程

b.鍋爐燃燒過(guò)程中，氧量變化可以快速表示SCR入口氮氧化物濃度變化，選取氧量作為前饋的因變量。

c.經(jīng)過(guò)反復(fù)觀察，兩側(cè)SCR出入口氮氧化物濃度在運(yùn)行過(guò)程中成等趨勢(shì)變化，而且兩側(cè)脫硝系統(tǒng)吹掃的時(shí)間不一樣，因此在吹掃時(shí)選取對(duì)側(cè)出入口氮氧化物濃度作為本側(cè)測(cè)量值，吹掃結(jié)束后恢復(fù)。

4 優(yōu)化改造效果

該電廠脫硝環(huán)保系統(tǒng)改造優(yōu)化后，由現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)期間的數(shù)據(jù)分析，取得了顯著效果。

a.CEMS系統(tǒng)采用噴射引流+煙氣回流組合探頭的新技術(shù)，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)快速性和準(zhǔn)確性，減少了日常人工清理的工作量，降低探頭的故障率，為脫硝系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

b.在蒸發(fā)器前后加裝蒸汽調(diào)節(jié)閥和氨氣調(diào)節(jié)閥，保證了蒸發(fā)器溫度和壓力的穩(wěn)定，使噴氨調(diào)節(jié)閥具有較好的流量特性。

c.加入氧量前饋，根據(jù)爐膛燃燒變化確定SCR入口氮氧化物含量；加入吹掃時(shí)對(duì)側(cè)入口氮氧化物濃度切換，避免吹掃引起的測(cè)量盲區(qū)，提高穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且能適應(yīng)變負(fù)荷的各種工況。可以達(dá)到較為理想的控制效果，脫硝系統(tǒng)的控制效果如圖5所示。

圖5 脫硝系統(tǒng)的控制效果

5 結(jié)束語(yǔ)

被控對(duì)象信號(hào)測(cè)量的快速準(zhǔn)確和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性是自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，再根據(jù)實(shí)際選取最能代表被控對(duì)象變化的前饋量，保證了整個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)。該電廠2號(hào)機(jī)組的脫硝環(huán)保系統(tǒng)，通過(guò)此次改造優(yōu)化，使SCR出口氮氧化物濃度變化平穩(wěn)，排放值也到達(dá)環(huán)保部門的要求，可為類似的工程提供參考和借鑒。

[1] 盧建強(qiáng).脫硝噴氨流量波動(dòng)原因分析及解決措施[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)報(bào)，2013(9)：76-79.

本文責(zé)任編輯：王洪娟

Reconstruction and Optimization of Environmental Protection System ofPower Plant NOxSystem

Jin Fei,Ma Rui,Yang Chunlai

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

：As the new standard to NOxemission，on the denitration environmental protection system of a power plant in southern Hebei network issues.This paper introduces an ammonia injection of specific reform program from the flue gas measurement,valve flow characteristics and control strategy.The effect of the transformation from the transformation of the optimization to ensure the NOxemissions to reach the requirements of environmental protection departments.

NOxsystem;CEMS;NOxemission;control logic

2016-09-12

金 飛(1984-)，男，工程師，主要從事電源側(cè)環(huán)保優(yōu)化及電源電網(wǎng)協(xié)調(diào)工作。

TK323

B

1001-9898(2016)06-0032-02