冶金自備電廠煙氣脫硝控制系統研究及優化

曹美杰，張海忠，仲 勇，么穎林

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

隨著我國經濟的不斷發展，國家對環保越來越重視，環境友好型企業、綠色工廠、循環經濟等都得到國家的大力支持，也是工業發展的必然趨勢。國內某沿海鋼廠自備熱電廠建有300 MW 機組2 套，配備了較先進的鍋爐煙氣脫硫脫硝系統。其中，脫硝系統采用的是當前較先進的選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction,SCR）[1]，這也是目前我國火電廠煙氣脫硝主流技術之一。為了實現經濟和環保效益的不斷提高，該電廠針對脫硝控制系統和氨逃逸檢測系統存在的缺陷不足進行了改進優化，取得了良好的效果，確保了該電廠的長期安全和高效運行。

1 脫硝工藝流程

國內沿海某鋼廠300 MW機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠設計制造的自然循環汽包爐，煙氣系統安裝了SCR 脫硝裝置系統。脫硝工藝流程如圖1 所示。鍋爐煙氣從省煤器排出后進入噴氨格柵，與噴入的氨氣充分混合后分別進入SCR 脫銷第一、二、三層催化劑層，在催化劑作用下充分反應后脫除氮氧化物，脫除氮氧化物后的凈煙氣進入空預器，再經除塵、脫硫處理后經煙囪排放到大氣中；脫硝后的凈煙氣經過取樣裝置進入在線CEMS 煙氣分析儀，實時監控煙氣氮氧化物含量，確保煙氣排放達標；對凈煙氣進行氨逃逸量檢測分析，實時對脫硝后的凈煙氣氨逃逸含量進行監控，防止氨逃逸含量過高發生化學副反應生成硫酸氫銨對空預器換熱元件造成堵塞和腐蝕，保證設備運行安全和使用壽命，也為噴氨量的調節提供可靠依據。

圖1 脫硝工藝流程

2 低負荷工況脫硝控制系統改進及實現

2.1 低負荷脫硝工藝改造

按照《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性催化還原法》HJ562-2010要求，“脫硝系統應能在鍋爐最低穩燃負荷和鍋爐最大出力工況之間的任何工況之間持續安全運行，當鍋爐最低穩燃負荷工況下煙氣溫度不能達到催化劑最低運行溫度時，應從省煤器上游引部分高溫煙氣直接進入反應器以提高煙氣溫度”。該機組鍋爐設計時，40%熱耗率驗收工況(簡稱THA)負荷下省煤器出口煙溫偏低（274 ℃），50%THA 全燃煤工況對應脫硝裝置入口煙溫為289 ℃，50%THA 以下全燃煤工況已不能滿足SCR 運行溫度（295～420 ℃）的要求。故為達到全負荷投運脫硝裝置，該機組2019年實施了省煤器煙氣旁路改造措施，通過高溫煙氣與脫硝入口的低溫煙氣混合達到提升脫硝反應器入口煙溫（295 ℃以上）的目的，從而實現了全負荷煙氣脫硝系統的投運，確保煙氣符合達標排放要求。

2.2 脫硝系統煙氣進氣溫度控制系統改進

按照低負荷脫硝工藝改造要求，也要對相應的控制程序邏輯進行修改完善。主要是對脫硝裝置煙氣進氣溫度控制系統進行了設計和改進，改進后的程序邏輯控制流程圖如圖2所示。

圖2 程序控制流程圖

在50%THA 全燃煤工況以上，鍋爐原煙氣通過省煤器后溫度一般在295～420 ℃范圍內，可直接進入脫硝系統進行脫硝處理；當處于低負荷50%THA 全燃煤工況以下時，煙氣通過省煤器后溫度很可能就會降至295 ℃以下，此時需要通過省煤器旁路將省煤器前高溫煙氣與省煤器低溫煙氣混合使混合后的煙氣溫度達到295～420 ℃要求范圍內，然后進入脫硝系統進行脫硝處理。

為了實現混合煙氣溫度的自動可控和精確調節，設計安裝了旁路電動調節擋板，低負荷脫硝系統入口煙氣溫度控制原理框圖如圖3所示。

由控制框圖可以看出，脫硝入口煙氣目標值設定后，通過與混合煙氣溫度的實際反饋值實時對比計算誤差，然后由控制器對誤差信號進行計算處理后對電動調節擋板發出實時控制指令，調節高溫煙氣量，實現對混合煙氣溫度的實時調節，使煙氣溫度始終可靠穩定在目標值要求范圍內，確保脫硝系統可靠穩定運行和煙氣排放指標達到環保要求。

圖3 低負荷脫硝入口煙氣溫度控制框圖

2.3 控制系統的實現

首先針對現場鍋爐省煤器煙氣旁路的增設及工藝的改進，需要相應地增加電動旁路調節擋板。在鍋爐省煤器A 側旁路增加了電動調節擋板，并在省煤器A 側省煤器出口也增設了電動調節擋板，并對應兩套電動執行機構；在鍋爐省煤器B 側也增加了相同的設備。根據調節擋板電動執行器的控制指令和位置狀態反饋指令信號數量需要增加擴展相應的DCS 現場總線組件，經過統計測點類型和數量情況，每個鍋爐共需增加安裝8 通道AI 模塊FBM201、AO 模塊FBM237、16 通道DI模塊FBM207c各2 塊，改造硬件設備清單如表1 所示，控制系統卡件按照以上方案數量擴展后可滿足改造要求。

表1 設備清單

硬件完成擴展安裝和接線后，利用原有的程序和上位組態軟件結合上述的程序控制邏輯和控制原理框圖對相應的控制程序進行修改完善，在現有的組態監控畫面上增加相應的設備流程圖，并進行相應的參數設置和地址編程調試后，即可實現目標控制功能，保證了脫硝系統在低負荷工況下的安全穩定運行。

3 脫硝氨逃逸分析檢測系統改造

3.1 氨逃逸分析檢測原理

該自備電廠氨逃逸檢測采用的方法是可調諧二極管激光光譜吸收法[3]，即從激光二極管發射一束已知能量和一定波長的激光，在接收端測量激光能量，在理想狀態下（沒有能量吸收）所有光能都可透射到探測器上，如果激光波長與光路的分子吸收譜線吻合部分能量會被吸收，在探測器上會顯示出能量差值，其大小與被測氣體含量成比例關系，經過信號處理及標定后，即可測出相應的需測物質成分含量。基于以上原理，該電廠選用的是挪威產的NEO Laser Gas 單路氣體分析儀產品，其測量準確可靠，穩定性好，不受背景氣體影響，可以在高粉塵高溫高壓腐蝕性氣體條件下工作，使用壽命長。現場測量裝置安裝示意圖如圖4所示。

圖4 氨逃逸測量裝置

3.2 氨逃逸檢測樣氣光路改造

脫硝凈煙氣氨逃逸檢測原來采用的是將激光發射裝置和接收裝置分別安裝在煙道的兩端部位，且安裝時必須做到精確無誤，即發射裝置與接收裝置必須在同一條直線上，使發射裝置發出的光恰好能被接收裝置吸收，一旦達不到安裝精度就會因接收裝置無法完全接收發射激光而導致測量誤差增大，甚至無法測量準確值;即使施工安裝精度達到了，在經過長時間的運行后，煙道也會出現局部變形而導致測量發射裝置和接收器不完全在一條直線上，從而導致測量誤差增大，無法準確測量監控剩余氨含量。這不利于噴氨量的精確控制和設備的安全，因此有必要對檢測光路進行改造完善，以保證其測量長期穩定準確。

經過調查研究，為了保證光路長時間不受影響，決定將激光發射裝置與接受裝置安裝在中控套管的兩端，將中空套管橫裝在相鄰的兩個煙道壁上，從而實現兩個裝置的硬性連接，為了不影響煙氣的取樣測量，在中空套管的側壁開有多個貫通的氣孔，這樣煙氣就可以正常通過套管和實時進行煙氣成分檢測。該電廠利用年修機會按照上述方案對氨逃逸測量系統實施了改造如圖5所示。改造完成后，氨逃逸的測量不會再受煙道局部變形影響，從而可以實現對氨逃逸含量的長期準確檢測和監控，保證了其他設備的運行安全。

圖5 改造后的氨逃逸測量裝置

4 總結及展望

本文主要介紹了某電廠鍋爐脫硝工藝流程，考慮到環保要求和目前的運行缺陷實施了低負荷脫硝工藝改造，相應地改進了控制邏輯流程，設計了脫硝煙氣進氣溫度控制系統，并通過硬件設備的增加安裝和程序的修改完善實現了該控制流程和方案；最后針對氨逃逸分析監測系統存在的問題缺陷也進行了改進，保證了氨逃逸測量的穩定和準確。在近半年的運行過程中，該電廠鍋爐脫硝系統在啟停機過程中及降負荷運行工況下，脫硝系統均能夠實現穩定運行，且脫硝后的凈煙氣氮氧化物的含量穩定在30 mg/m3以下范圍內，高于環保要求，脫硝系統實現了全負荷工況下連續穩定運行且煙氣氮氧化物均實現達標排放（＜50 mg/m3），履行了環保責任，降低了排污費用，發電經濟效益和環保效益顯著，對創建環境一流和環境友好型企業具有重要意義。氨逃逸分析監測系統的改進確保了氨逃逸含量的長期準確穩定測量監控，既確保了設備安全，也為下一步脫硝噴氨智能自動化改造提供了條件。