脫硝噴氨自動控制系統優化

薛姍姍，王 鎮，周 爽，于智新

（華電濰坊發電有限公司，山東 濰坊 261204）

脫硝噴氨自動控制系統優化

薛姍姍，王 鎮，周 爽，于智新

（華電濰坊發電有限公司，山東 濰坊 261204）

介紹華電濰坊發電有限公司2×670 MW機組脫硝噴氨自動控制系統，分析噴氨自動控制系統存在的問題，通過對噴氨自動控制方式和系統設備的改進，采用PID控制加入前饋、動態調整噴氨調門開度等方式，實時調控噴氨量，有效控制氮氧化物排放，確保脫硝系統的安全穩定運行。

脫硝系統；自動調節；PID控制；過程優化

0 引言

隨著我國環保要求的逐漸提高，火電超低排放工作進展迅速。各大型燃煤火電企業對鍋爐進行脫硫、脫硝、除塵裝置的建設和改造，脫硫脫硝技術工藝逐漸成熟，但仍有大量問題存在。

《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》［1］規定東部地區新建煤電機組大氣污染排放基本達到超低排放限值——煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于 10 mg／m3、35 mg／m3、50 mg／m3， 相較之前的NOx排放濃度不高于100 mg／m3提出了更高要求。沿用以往的脫硝技術，已明顯不能滿足更加嚴格的煙氣出口氮氧化物的排放標準，燃煤機組煙氣脫硝系統亟待優化提高。

1 SCR系統現狀

燃煤企業大都采用選擇性催化還原工藝SCR（Selective Catalytic Reduction）。 將氨類（NH3）還原劑噴入煙氣中，與稀釋風在混合器中稀釋后進入反應器，利用催化劑（鐵、釩、鉻、鈷或鉬等金屬）在溫度200～450℃時將煙氣中的 NOx轉化為氮氣（N2）和水（H2O），達到除去氮氧化物的目的［2］，如圖 1 所示。

圖1 SCR系統工作原理

主要反應方程式為

脫硝系統運行關鍵的動態參數為氨氣的噴入量，即噴氨量，根據脫硝出口氮氧化物濃度及要求的脫硝效率，在動態下找到最佳噴氨量，實時調整噴氨調節門的開度，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。

噴氨調節門的開度不合理，噴氨量少造成脫硝效率過低，出口氮氧化物排放超標；噴入過多氨氣不但增加脫硝運行成本，還會造成氨逃逸（氨逃逸率小于 3 μL／L）［3］， 未參加化學反應的氨氣與煙氣中的SO2反應生成硫酸氫氨，附著于催化劑或者飛灰從反應器的出口被帶入下游的空氣預熱器換熱面上方，造成催化劑失效、空預器堵塞，還會引起尾部煙道積灰。

在脫硝噴氨自動控制系統中，由煙氣連續監測裝置測量得到反應器出口的一氧化氮濃度，通過換算和修正后得到用于實際計算和控制中所需NOx濃度。經脫硝DCS系統計算比較NOx濃度變化情況后，發出噴氨自動調節門開度指令控制噴氨量，從而保證設計的脫硝效率。

超低排放施行后，煙氣出口氮氧化物排放濃度指標由 100 mg／m3降低到 50 mg／m3［4］，為達到環保要求，進一步提出將脫硝出口NOx濃度嚴格控制在80%排放標準線以下的要求。

機組脫銷系統2013年投運，采用脫硝效率調節方式，根據設定及實際脫硝效率實時調整噴氨調節門開度控制噴氨量，確保達標排放。此種方式易于調試和整定，工況穩定的時滿足SCR反應器要求；機組負荷波動大、工況調整頻繁時，出入口氮氧化物將大幅變化，瞬時超標現象嚴重，調節系統失去作用。此時采用手動控制調節門開度的方式運行，完全依賴于運行人員的經驗，環保達標和經濟性很難平衡，運行人員調整不及時將造成出口NOx值超高越線，各種不確定因素的存在給系統的正常運行造成了隱患。

2 脫硝控制系統優化

在新的控制邏輯中，對CEMS吹掃、PID調節、手動控制方面做了調整，如圖2所示。

CEMS實時測量所得SCR入口NO濃度轉換為SCR入口NOx濃度，與煙氣流量作為前饋信號，經判斷是否處于手動、吹掃狀態，無特殊狀態下進入PID調節方式。PID控制器將設定值（出口NOx濃度）和測量值（CEMS測得的實際出口NOx濃度）的偏差生成噴氨調節門指令，實時調整調節門的開度，實現控制脫硝出口NOx濃度的目的。

圖2 出口NOx濃度調節方式框圖

2.1 CEMS采集及NO濃度與NOx濃度的轉換

煙氣連續監測系統（CEMS）是由采樣系統、測試系統、數據采集與處理系統3個子系統組成的監測體系，能完成采集并處理數據，控制自動操作功能。其中，數據采集與處理系統主要由PLC、工控機及相應軟件組成， 能自動監測 SO2、NO、CO、CO2、O2及其他有關參數，如煙氣溫度、濕度、煙氣流量、壓力及含氧量。控制及數據采集系統（DAS）采用PLC實時控制分析過程，實時采集分析儀器的測量數據，并將采集數據傳輸到工控機，實時顯示采樣數據，并可自動歸檔以及生成報表。

因燃煤電廠中煙氣連續監測系統（CEMS）測量到的是煙氣中的一氧化氮（NO）濃度，且脫硝噴氨自動調節系統控制算法是以脫硝出口NOx濃度為變化量計算。所以需對數值進行換算，即NO先轉換為NO2再折算為 NOx。

2.2 前饋控制

噴氨自動控制方式基于脫硝效率和催化劑脫硝能力，邏輯簡單，采用單回路調節方式，僅以脫硝出口NOx濃度作為被調量，處理工況調整頻繁的方面欠缺。且由于催化劑的消耗等原因的存在，脫硝過程是非線性化學反應過程，脫硝過程動態特性變化較大。造成噴氨自動調節滯后。

為快速響應機組負荷、磨煤機運行方式、省煤器出口氧量、CCOFA風量、偏置風量等工況突變引起NOx濃度擾動，同時彌補反應器和煙氣分析儀的滯后，增強調節效果，在控制邏輯引入脫硝入口煙氣流量和SCR入口NOx濃度兩個參數作為前饋信號。

2.3 CEMS儀表定期吹掃

為防止脫硝煙氣連續監測系統（CEMS）堵塞，設置定期吹掃功能，吹掃時采集到的煙氣失去真實性，測量值大幅變化，影響了測量準確度和響應時間，出口氮氧化物濃度波動頻繁。

在控制系統中加入吹掃信號，對CEMS采集到的測量信號進行品質判斷確定所得信號是否是處于吹掃狀態。吹掃狀況下，保持前一狀態數值，維持系統的正常運行。持續時間以NOx濃度恢復正常確定，一般情況下吹掃后3 min即切換至正常控制狀態［5］。

同時，為進一步提高儀表測量準確性和及時性，應盡量減小CEMS儀表的取樣管路的長度及彎曲度，同時進行定期校驗。

2.4 PID調節

PID控制是比例積分微分控制。積分調節可以消除靜差，但有滯后現象，比例調節沒有滯后現象，但存在靜差。PI調節就是綜合P、I兩種調節的優點，利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除殘差［6］。

在脫硝噴氨自動控制系統中采用比例調節，在負荷擾動下的調節過程結束后，SCR出口NOx濃度不可能與NOx濃度設定值準確相等，它們之間一定有殘差。因為根據比例調節的特點，只有調節器的輸入（SCR出口NOx濃度）有變化，即被調量和設定值之間有偏差，經PID運算后生成噴氨調節門指令，實時調整調節門的開度，從而得到更準確的供氨需求量。

3 優化效果

系統優化后，在工況穩定的情況下進行脫硝出口NOx濃度定值擾動試驗，通過噴氨調門開度控制噴氨流量的，響應出口NOx濃度設定值的突變，如圖3所示。

出口NOx濃度設定值在1min處由60 mg／m3階躍至80 mg／m3，通過噴氨調門開度調整噴氨流量，噴氨流量由140 kg／h調整至120 kg／h。因CEMS采樣延遲、催化劑反應等原因的存在造成出口NOx濃度響應曲線在1 min處有12 s延遲，趨于穩定過程大約有6 min長，在4 min處達到第一峰值88 mg／m3，超出正常值8 mg／m3；第一谷值在6 min處出現，超出正常值2 mg／m3，衰減率為75%，系統優化后，控制精度、穩定性效果良好。

圖3 出口NOx濃度設定值擾動曲線

在出口NOx濃度設定值維持在70 mg／m3時，通過調整鍋爐燃燒情況，檢驗機組工況快速變化，入口NOx濃度大幅波動時，是否存在滯后現象，如圖4所示。

圖4 機組工況突變時優化前后對比曲線

機組工況在1 min處發生變化，4 min處趨于平緩，3 min內入口 NOx濃度測量值上升 100 mg／m3，出口NOx濃度測量值在優化前后變化明顯。

優化前，第一峰值超調40 mg／m3，第一谷值超調30 mg／m3，衰減率為25%，波動較大，滯后現象嚴重；邏輯優化調試后，第一峰值超調20 mg／m3，第一谷值超調10 mg／m3，衰減率為50%，可見優化后噴氨調節門能及時根據負荷與入口NOx的變化及時動作，噴氨調門自動調節良好，滯后現象得到明顯改觀，有效提高了脫硝控制系統的品質。

4 結語

脫硝噴氨自動控制系統優化后，PID控制有效利用脫硝入口煙氣流量和氮氧化物濃度作為前饋信號，根據機組工況自動調節噴氨量，解決了調節滯后問題，增強噴氨自動調節的穩定性，效果良好。

［1］環境保護部.火電廠大氣污染物排放標準：GB 13223—2011［S］.北京：中國環境科學出版社，2011.

［2］馬光輝，閆麗.SCR 煙氣脫硝方式及優化［J］.電力基礎，2014，24（9）：118-120.

［3］羅賢里，孟啟珠.燃煤電廠SCR煙氣脫硝噴氨系統控制方式優化［J］.電力工程，2014，27（4）：69-73.

［4］楊萌，張國凌.SCR 脫硝技術及應用［J］.山東電力技術，2015，12（1）：50-51.

［5］于國華，王心凌.工況變化對 NOx的影響［J］.東北電力技術，2014，27（8）：34-40.

［6］李建華.PID 控制應用［J］.電力基礎，2014，22（2）：33-36.

［7］王鎮，薛姍姍，盛玉和.火電廠SCR煙氣脫硝控制邏輯優化［J］.黑龍江電力.2015，37（5）：463-466.

The Automatic Control System of Nitrate Ammonia Removal

XUE Shanshan，WANG Zhen，ZHOU Shuang，YU Zhixin
（Huadian Weifang power plant，Weifang 261204，China）

This paper introduces the automatic control system of the nitrate ammonia removal system 2×670 MW power units of Huadian Weifang Power Company Limited，and analyzes the problems existing in the automatic ammonia injection control.By adopting PID regulator with signal feedforward in the control system and dynamic adjustment of ammonia injection valve opening degree，the operator will be able to control the amount of ammonia spray more effectively in real-time thus better control on the nitrogen oxide emissions.This would ensure safe and stable operation of the denitration system.

denitrification system；automatic control；PID control；process optimization

X701

B

1007－9904（2017）11－0052－03

2017-06-08

薛姍姍（1981），女，碩士，從事火電廠熱工控制系統的研究工作。