媽灣電廠SCR噴氨自動控制的優化

譚永茂 留 凌

（深圳媽灣電力有限公司，廣東深圳518052）

0 引言

隨著我國環境保護法律、法規和標準的日趨嚴格及執法力度的加大，深圳媽灣電廠先后進行了燃燒器低碳改造和脫硝裝置加裝，其中脫硝裝置采用SCR法（SelectiveCatalytic Reduction，選擇性催化還原法）。SCR法是將氨類等還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOx轉化為N2和H2O。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

脫硝裝置的煙道及反應器位于鍋爐省煤器后空預器前，氨噴射格柵放置在SCR反應器上游的位置。煙氣在鍋爐出口處被平均分成兩路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里，即每臺鍋爐配有兩個反應器，在反應器里煙氣向下流過均流板、催化劑層，隨后進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和FGD，最后通過煙囪排入大氣。

1 媽灣電廠尿素熱解工藝組成和描述

媽灣電廠尿素熱解工藝主要由尿素熱解系統、尿素車間、稀釋風、熱解爐、計量模塊（MDM）和脫硝反應器組成。

（1）尿素熱解系統（DecompositionChamberSystem，簡稱DC系統）用于產生脫硝反應所需要的氨。尿素經過DC系統分解產生氨氣，經過稀釋空氣稀釋后再噴入SCR反應器，與煙氣中的氮氧化物進行反應，實現脫硝反應。

（2）脫硝還原劑來自尿素車間自制備公用區配置好濃度的尿素溶液罐，尿素溶液經由HFD高流量循環模塊、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入熱解爐。

（3）稀釋風采用鍋爐的熱一次風（7.13kPa（G），312℃），經過電加熱器加熱后達到熱解所需溫度進入熱解爐，來完全分解要傳送到氨噴射系統的尿素。

（4）霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內分解，生成的分解產物為NH3、H2O和CO2，尿素熱解后產生氨氣，經由氨噴射系統AIG送入SCR系統煙氣中。熱解反應器生成的氨氣分別送入鍋爐脫硝反應區域，同時通過進入反應區域前的調節閥分配至反應區。

（5）脫硝反應器利用催化劑將煙氣中的NOx轉化為N2和H2O。

（6）MDM裝置（尿素分配及熱解爐）根據需氨量信號對噴氨管道上的閥門進行調節。計量與分配模塊用于將從循環泵來的尿素溶液分配輸送至熱解室，這是SCR能否有效控制NOx的關鍵。SCR煙氣脫硝噴氨的噴氨量自動控制應能實現既經濟又環保的目標。

2 媽灣電廠SCR煙氣脫硝噴氨原來的自動控制方式

媽灣電廠采用尿素溶解成50%濃度尿素溶液，其主要的計算公式如下：

2.1 反應器的煙氣流量計算式

實際進入鍋爐反應器的煙氣流量（Nm3/h）=1144221×（鍋爐負荷測量值）/300

式中，1144221Nm3/h為電廠鍋爐100%BMCR標態、干基、6%O2工況下的煙氣量。

2.2 NOx濃度計算方法

煙氣中NOx的濃度（干基、標態、6%O2）計算方法為：

NOx（mg/Nm3）=NO（mg/m3）×N×（21-6）/（21-O2）式中，NOx（mg/Nm3）為標準狀態、6%氧量、干煙氣下的NOx濃度；NO（mg/m3）為實測干煙氣中NO的質量含量；O2為實測干煙氣中的氧含量（%）；N為由NO質量含量mg/m3到NOx質量含量mg/Nm3的轉換系數。

2.3 脫硝效率

脫硝效率=[（反應器入口NOx濃度-反應器出口NOx濃度）/反應器入口NOx濃度]×100%

2.4 需氨量計算

反應器A/B噴氨系統的前饋控制回路，反應器入口NOx濃度（干態）減去出口煙氣NOx含量的設定值，得到要脫掉的NOx含量，再乘上入鍋爐反應器煙氣流量，再乘上系數Kst，就得到需氨量。

50%尿素溶液量（kg/h）=入鍋爐反應器煙氣流量×反應器入口NOx換算濃度×脫硝效率×Kst×3.75×10-6式中，3.75為經計算的氨氣與尿素的質量轉換比；Kst為NOx和氨氣的化學計量比。

2.5 脫硝噴氨原來的自動控制原理

SCR煙氣脫硝噴氨原來的自動控制原理圖如圖1所示。

圖1 SCR煙氣脫硝噴氨原來的自動控制原理圖

通過計算得出的需氨量除以已投入的槍數得到每支槍所需的流量，和實測的每支槍流量組成一個閉環，經PID計算得到每個尿素調閥的開度。從上文可以看出需氨量計算非常重要。機組運行過程中，進入鍋爐反應器的煙氣流量和負荷不是完全的線性關系，NOx的測量采用德國西門子紅外氣體分析儀，它每4h需要自動校驗零點保證測量的精度，每次20min，在自動校驗過程中，其輸出值保持不變，而NOx的值是不斷變化的，特別是機組變負荷時，NOx變化很大。為了避免NOx測量不準，需氨量計算時一般都偏大，造成出口煙氣NOx含量和設定值存在不小的偏差。噴氨多會造成氨逃逸，噴氨少則會造成NOx超標，常常需要運行人員手動干預，改變出口設定值或切至手動控制。

3 媽灣電廠SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優化

為了更好地解決需氨量計算的問題，應對原設計進行優化，設計一個控制回路，利用SCR出口NOx，通過PID搭建出反饋控制回路控制，修正原來計算的需氨量，得到精確的值，從而提高控制的可靠性。優化原理圖如圖2所示。

圖2 脫硝噴氨自動控制優化原理圖

SCR出口NOx測量值經過出口氧量修正得到SCR出口NOx的實際測量值，它減去SCR出口NOx設定值經過PID計算得到0～100%的指令，經過F1（X）轉化為0.5～1.0的修正系數（原來的計算值比實際需求值大），對原來的經過計算得到的需氨量進行修正，得到實際的需氨量。

由于機組變負荷時，SCR入口NOx變化非常大，進入鍋爐反應器煙氣流量是經負荷折算得到的，它的值比較小，這時計算的需氨量更不能反映實際所需，SCR出口NOx比SCR入口NOx晚變化幾分鐘，這就容易造成SCR出口NOx的大幅度變化，特別是減負荷時，有可能造成煙囪NOx短暫超標。為了更好地解決SCR入口NOx波動大造成的擾動，設計了一個SCR入口NOx的前饋回路，當SCR入口NOx波動到一定值時，由F2（X）算出一個值和PID得到的值相加，作為最終的修正系數，乘以計算得到的需氨量，得到最終的實際需氨量。它除以已投入的槍數得到每支槍所需的流量，和實測的每支槍的流量比較后，經PID計算得到每個尿素調閥的開度，從而調節SCR出口NOx。

實際調試中發現兩側SCR入口NOx、SCR出口NOx有時偏差大，有時甚至不同步，另外SCR入口NOx、SCR出口NOx測量裝置每天會自動校驗零點，NOx的測量值會保持不變，當測量裝置校驗完成后，數值有可能變化很大（機組剛好變化負荷時），這種情況下，如果單獨計算得到的各自修正系數，反而會造成調節的波動，不利于穩定。為了更好地解決波動問題，取兩側SCR入口NOx、SCR出口NOx的平均值作為測量值，參與整個回路計算。這樣處理后，控制的效果明顯好了許多。

另外，原來設計有效率控制模式，由脫硝效率的計算可知，反應器出口NOx濃度=[（100-脫硝效率）/100]×反應器入口NOx濃度，當反應器入口NOx濃度變化大時，很容易造成出口NOx濃度超標。如脫硝效率設定為85，入口NOx濃度為200mg/m3，反應器出口NOx濃度為30mg/m3，當入口NOx濃度為400mg/m3時，反應器出口NOx濃度為60mg/m3，這時NOx濃度超標（機組出口NOx濃度應小于50mg/m3），投入效率控制模式更不容易對機組出口NOx濃度的控制，實際中很少投運，建議取消。

從圖3、圖4可以看出，氨氣流量經PID控制器的比例積分作用和SCR入口NOx的前饋作用修正后，SCR出口NOx自動控制的精度和穩定性大大提高。負荷穩定時，SCR出口NOx能控制在設定值±3mg/m3，機組出口NOx保證在30～35mg/m3之間。負荷變化、SCR入口NOx大幅度波動時，SCR出口NOx控制也能穩定在設定值附近，保證了機組出口NOx在30～40mg/m3之間。這說明了優化后既保證了煙囪NOx排達標放，還減少了噴氨量，節約了能源消耗，同時也減輕了運行操作人員的勞動強度。

圖3 優化前控制效果

圖4 優化后控制效果

4 結語

隨著我國環境保護法律、法規和標準的日趨嚴格及執法力度的加大，采用SCR法脫硝的火力發電廠在確保煙氣排放達標的同時，還要增強脫硝系統運行的可靠性、連續性和經濟性。目前火電廠面臨著環保和電價的壓力，精確而經濟地控制脫硝系統的噴氨量具有十分重要的意義。

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