燃煤機組脫硝系統智能優化關鍵技術探討

燃煤機組脫硝系統智能優化關鍵技術探討

當前，我國大氣污染狀況依然十分嚴重，主要表現為煤煙型污染，城市大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標，二氧化硫污染一直在較高水平，氮氧化物污染呈加重趨勢。煤炭消耗量不斷增加，在各類排放源中，電廠和工業鍋爐排放量占到70%，但脫硫脫硝行業尚處于起步階段，且技術主要依賴進口。本文介紹了燃煤機組脫硝系統智能優化關鍵技術，探討通過改善氨逃逸、煙氣噴氨優化等技術，形成符合我國國情的燃煤煙氣污染物超低排放技術路線，實現清潔排放，污染物大幅度降低，具有良好的環境、經濟和社會效益。未來，進一步研究燃煤電廠煙氣污染物深度脫除技術及二氧化碳捕集技術等，最終實現燃煤煙氣污染物的近零排放。

脫硝系統；智能控制；卡邊控制；氨逃逸

1 前言

當前，我國大氣污染狀況依然十分嚴重，主要表現為煤煙型污染，大氣環境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標，二氧化硫污染一直在較高水平，氮氧化物污染呈加重趨勢。煤炭消耗量不斷增加，隨之帶來二氧化硫排放總量急劇上升，在各類排放源中，電廠和工業鍋爐排放量占到70%。我國目前在發電機組上應用的煙氣脫硝技術除個別單位自行開發了具有自主知識產權的核心技術外，絕大多數單位采用的SCR、SNCR煙氣脫硝技術尚處于引進、消化吸收和初步應用階段，企業的技術水平亟待提高。

2013～2015年，隨著環保要求的不斷提高，環保連發“三道金牌”，特別排放限值催生“超低排放”，燃煤電廠仍然是脫硫脫硝重點行業，促成燃煤電廠超低排放形成氣候。全國各大電廠紛紛進行脫硫、脫硝和除塵技術改造，然而這些改造是分批分時進行，造成脫硫、脫硝、除塵各行其道，各廠家各系統形成了設備孤島，互不關聯，孤島效應使脫硫、脫硝和除塵不能完全發揮各自的功效，由此衍生出了一系列的問題。如：各系統有各自的操作室，有各自的操作人員，造成了人員的浪費，降低了工作效率；在實際生產工況發生變化時，不能快速做出調整，造成環保指標波動較大；操作大起大落，環保指標一般控制在非常低的水平，造成脫硫劑、脫硝劑以及電能的浪費。

近年來，國家通過多項科技項目部署了大量經費用于支持燃煤電廠大氣污染物控制理論提升及技術研發工作，在SO2、NOx、顆粒物等污染物控制方面取得了重大突破，為探索建立一套使燃煤電廠主要污染物排放達到排放限值的脫除技術提供了有力保障。SO2控制方面，發展了石灰石/石灰-石膏濕法、煙氣循環流化床法、海水法等脫硫技術，其中石灰石/石灰-石膏濕法煙氣脫硫技術在我國已投運燃煤脫硫機組中占90%以上的份額，其脫硫效率一般可達95%以上；NOx控制方面，發展了有低NOx燃燒技術、選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術、選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術和SNCR-SCR耦合脫硝技術等，其中SCR煙氣脫硝技術在我國已投運燃煤脫硝機組中占95%以上的份額，其脫硝效率一般為70%～85%，最高可達90%以上；顆粒物控制方面，發展了靜電除塵、袋式除塵和電袋復合除塵等除塵技術，其中現有近80%的火電機組安裝了靜電除塵器，而隨著近年電除塵技術及協同除塵處理技術的進步，電除塵應用正呈現上升趨勢。通過對SO2、NOx、顆粒物等多種污染物高效脫除與協調控制技術全智能集成研究，可以實現燃煤機組的超低排放。[1～5]

燃煤機組脫硝系統智能優化技術通過智能優化控制技術、協調優化控制技術和故障容錯及自愈控制技術等，實現液氨蒸發溫度、煙氣噴氨和脫硝氨逃逸等控制回路長期可靠的全自動優化運行。[6～10]

2 脫硝智能優化控制關鍵技術

2.1 液氨蒸發溫度自動控制

液氨蒸發溫度自動控制回路根據實際使用液氨流量和生成液氨量的差值，通過先進控制模塊調節，實現液氨溫度的自動控制，使使用液氨流量和生成液氨流量達到平衡。同時將鍋爐生產工況和氮氧化物的控制點作為前饋，對液氨蒸發裝置溫度實現超前補償，使控制效果更加平穩，具體如圖1所示。

圖1 液氨蒸發溫度控制框圖

2.2 煙氣噴氨智能優化控制

脫硝系統的噴氨優化控制采用精細化的卡邊、分區、分級、預測、協調、優化控制。

精細化控制：根據煙氣中所含有的氮氧化物的含量，結合環保排放的要求以及設定脫銷效率，精確計算當前需要的氨氣量，通過串級控制算法，主調節為帶有分級（鍋爐生產工況如燃煤量、爐膛溫度、進出口氮氧化物含量）計算需要的氨氣量作為設定值，副調節根據氨氣量設定值和實際的偏差值計算閥門開度；

卡邊控制[11]：通過實時計算統計每小時內的均值，根據實際均值與環?？己松舷扌薷亩趸蚩刂苹芈返目刂泣c，實現卡邊控制?？刂浦笜思饶軡M足環保要求，又能將指標控制在環保要求的上限，從而節約脫硫劑；根據環保要求的排放指標的上限作為氮氧化物的控制指標，由此，明顯減少氨逃逸。

預測控制：由于脫硝被控對象（NH3流量煙囪入口處NOx濃度）的響應純延遲時間接近3分鐘，整個響應過程達十幾分鐘，是典型的大滯后被控對象。帶有前饋回路的分區串級控制系統已可達到分區精細化控制目標，但為實現噴氨量更優控制，并使得控制目標與環?？己四繕讼嘁恢?，按照環保考核特點，設計了基于預測控制的優化策略。選擇煙囪入口處NOx測量值作為控制目標，即優化的總噴氨量，煙道兩側SCR脫硝塔出口分區NOx測量值則通過的加權平均后作為參考校正，用于決定左右煙道各自的噴氨需求量。該預測控制采用神經網絡系統在線辨識的方法，采用噴氨量、燃煤量、煙氣量作為系統的輸入，出口氮氧化物含量作為輸出，通過在線系統辨識，辨識出輸入與輸出的關系，根據當前的噴氨量預測出口氮氧化物的含量，提前動作，穩定出口氮氧化物的含量。

圖2 噴氨智能控制框圖

分區控制：將分區串級控制系統加入上一級帶有前饋回路的串級控制系統，當各區域間NOx濃度偏差較小時，分區控制回路解除，利用同操器進行同操控制，同操器輸出直接控制各區域噴氨閥門，以利增加調節系統的快速性；當各區域內NOx濃度偏差超過一定數值時，同操自動解除，控制系統自動切入分區控制系統。利用優化算法的控制策略，噴口出口處氨氣濃度分布更加均勻，還原劑的利用率將得到大幅提高，具體如上圖2所示。

2.3 兩側反應器平衡協調

對于現場具有兩個脫硝反應器的煙道脫硝系統，總的排放標準是達標的，但單個反應器排放可能是不達標的，造成兩側催化劑的使用量及使用時限會造成差別，有效控制兩側反應器的平衡，是對脫硝系統有效的診斷，達到自愈控制的目的，具體如圖3所示。

圖3 反應器平衡協調控制框圖

2.4 脫硝氨逃逸智能控制

2.4.1 氨逃逸現狀及危害

氨氣逃逸后和三氧化硫反應生成硫酸氫氨，硫酸氫氨在180℃～200℃的環境中呈“鼻涕”狀的粘性物，在空預器高溫段和低溫段處煙氣中的灰塵在該處容易和硫酸氫氨一塊極易粘附于空預器換熱面上，使空預器換熱元件臟污，降低空預器的換熱效果，從而排煙溫度升高，鍋爐效率降低。為減少脫硝裝置運行時對鍋爐的影響，控制硫酸氫氨的生成量就顯得尤為重要。生成硫酸氫氨的反應速率主要與溫度、煙氣中氨氣、SO3及水含量有關。對于實際運行的火電機組，鍋爐煙氣中SO3及水的含量無法控制。因此，必須嚴格控制氨的逃逸率。[12]

2.4.2 氨逃逸智能控制

（a）正常運行中嚴格控制氨的噴入量，防止氨氣過量而造成氨逃逸，正常情況下應控制氨逃逸率不超過3ppm。控制上實行噴氨卡邊控制，有效控制氨的噴入量。

（b）鍋爐正常運行中通過開大低氮燃燒器燃燼風風門開度，降低SCR脫硝裝置入口NOx指標，從而達到既滿足環保要求，又減少了噴氨量。從鍋爐的協同控制上，降低氮氧化物的生成量。

（c）正常運行中脫硝出口氮氧化物排放不能高于50mg/Nm3，AB兩側偏差不大于15mg/Nm3。利用兩側反應器協同平衡技術，保證兩側的氮氧化物濃度偏差，避免造成一側過大，噴氨量過大造成的氨氣逃逸問題。

（d）加強空預器進、出口差壓的監視，發現空預器進、出口差壓增大時及時自動減少噴氨量，增加空預器低溫段的吹灰次數。

3 解決的問題

燃煤機組脫硝裝置優化關鍵技術的成功研發，將解決以下問題：

（1）極大地降低工人勞動強度，實現環保島系統的準無人化操作，提高工作效率和安全生產水平；

（2）實現脫硫劑、脫硫島內溫度和脫硫島內床壓的自動控制，明顯提高對應指標的控制精度；

（3）實現環保島裝置的集中操作，將多臺鍋爐脫硫脫硝設備實現集成智能控制和管理，實現所有環保在線實時顯示和統計，實現多裝置間的及時協調和控制，使控制指標的合理、平穩；

（4）實現控制指標卡邊控制，在滿足煙氣SO2排放指標的前提下，實現脫硫劑用量最少，電耗下降；

（5）實現脫硝裝置的及時有效調控，控制指標合理穩定，減少氨逃逸，使換熱器效率進一步提升，提高了鍋爐效率。

4 結語

隨著我國經濟的進一步發展，人均用能水平的不斷提高，以及對空氣質量改善的需求，未來大氣污染物排放要求必將日趨提高。在新能源發展尚不能滿足我國現階段經濟和社會發展需求時，火電機組脫硫脫硝技術是我國目前能源客觀條件下的必然選擇。尤其是在人口密集、經濟發達的重點地區，更清潔的煤炭發電技術是未來燃煤電廠發展與立足的必由之路。

當前在我國能源資源短缺和節能減排雙重約束下，發展清潔煤技術是當前我國重大戰略需求，智能優化控制技術最新的研究和工程實踐，實現煤電產業節能減排，是我國大氣污染防治的一條重要可持續發展路線。

燃煤清潔發電技術是當前國際能源環境領域的戰略性前沿課題之一，也是研究熱點和難點問題之一。針對我國大氣污染治理的嚴峻態勢，通過燃煤煙氣污染物超低排放的新思路，實現燃煤煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等多種污染物排放達到或優于標準排放水平，具有良好的經濟、環境和社會效益。

[1] 岑可法, 倪明江, 高翔, 等. 煤炭清潔發電技術進展與前景[J]. 中國工程科學, 2015, 17 ( 9 ) ： 49 - 55.

[2] 謝克昌, 等. 中國煤炭清潔高效可持續開發利用戰略研究[M]. 北京：科學出版社, 2014.

[3] 陳吉寧. “十二五”生態環境保護成就報告 [R]. 中華人民共和國環境保護部, 2015.10.

[4] 楊家軍, 鐘婷姍. 超凈排放中半干法脫硫配套布袋除塵器的優化[J]. 華電技術, 2016, 38 ( 9 ) ： 8 - 9, 22.

[5] 張軍, 張涌新, 鄭成航, 等. 復合脫硫添加劑在濕法煙氣脫硫系統中的工程應用[J]. 中國環境科學, 2014, ( 9 ) ： 2186 - 2191.

[6] 岑可法. 循環流化床鍋爐理論設計與運行[M]. 北京：中國電力出版社, 1998.

[7] 夏青林, 于現軍. 中溫返料CFB鍋爐在低負荷運行時的協調優化控制模型研究[J]. 自動化博覽, 2011, 24( 7 ) ： 82 - 84.

[8] 王凱亮, 李善龍, 汪洋, 等. 燃煤電廠環保島煙氣超低排放技術[J]. 華電技術, 2016, 38 ( 9 ) ： 4 - 7, 77.

[9] 俞金樹. 基于BCS的故障容錯及自愈控制技術在CFB鍋爐上的應用[J]. 自動化博覽, 2010, 12 ： 58 - 62.

[10] 徐甸, 周燦, 吳賀之, 等. 燃煤機組超低排放環保島費效評估對比分析[J]. 能源工程, 2016, 4 ： 56 - 62, 73.

[11] 王永初. 論過程控制系統的次優化方法(Ⅲ)極值卡邊次優化系統[J]. 華僑大學學報(自然科學版), 1996, 1 ： 52 - 55.

[12] 馬雙忱, 陳公達, 溫佳琪, 等. 氨法脫碳過程中氨逃逸規律及其抑制[J]. 化工學報, 2016, 5 ： 2064 - 2069.

Discussion on Intelligent Optimization Key Technology for Denitration System of Coal-f i red Unit

In recent years, air pollution is very serious, mainly manifested as soot pollution. The concentration of total suspended particulate matter in urban atmospheric environment generally exceeds the standard, and the pollution of SO2has been at a high level. Coal consumption continues to increase, in various types of emission sources, power plants and industrial boilers account for 70% of emissions. Desulfurization and denitration industry is still in its infancy, and technology is mainly dependent on imports. This work introduces the intelligent optimal control idea of thermal power unit denitration system. By improving the ammonia escape andoptimal technology, we attempt to form the ultra-low emission technology roadmap of flue gas pollutants in line with national conditions, and achieve clean emissions. It is possible to achieve a substantial reduction of pollutants with good environmental, economic and social benefits. In the future, the further research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants. This work discusses the existing problems of environmental Island, through the side control and ammonia escape technology can achieve a substantial reduction of pollutants, with good environmental, economic and social benefits. In the future, the research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants.

Denitration system; Intelligent control; Borderline control; Ammonia escape

俞金樹（1960-），男，福建莆田人，高級工程師，本科，現任福建省鴻山熱電有限責任公司總經理，主要研究方向熱電廠生產運行和技術管理、過程控制技術等。

B

1003-0492(2017)04-00104-04

TP273

★俞金樹（福建省鴻山熱電有限責任公司，福建 石獅 362712）