SCR脫硝自動控制智能噴氨優化

摘要：隨著社會的發展，科學技術的迅猛進步，自動化水平進一步提高，對火電機組的自動化水平也提出了更高的要求，自動控制技術在火電機組中的應用極大的減少了人力資源，降低了勞動者的勞動強度，提高了生產的經濟性。近幾年，國家對燃煤電廠煙氣排放標準日益趨嚴，超低排放后的深度減排，使燃煤機組的一些設備不堪重負，脫硝噴氨的自動控制技術有待提高。本文主要介紹了脫硝自動噴氨的控制技術以及提高噴氨均勻性的改造措施，詳細分析了生產過程中自動噴氨控制存在的問題，產生的原因，提出了有效的解決方案，并應用到實踐中，取得了良好的效果。

關鍵字：自動控制 ? 噴氨均勻性 ?氨逃逸 ?空預器堵塞

1 ?引言

國家環保形式趨于嚴峻，隨著國家大氣污染法規標準越來越嚴格，冀氣領辦〔2018〕156號《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案》要求：電廠燃煤鍋爐（除層燃爐、拋煤機爐外）在基準氧含量6%的條件下，燃煤電廠氮氧化物排放濃度不高于30mg/m3。目前我公司執行標準為國家發改委、環境保護部、國家能源局聯合下發 “《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》（發改能源[2014]2093號），明確要求現役30萬千瓦及以上公用燃煤發電機組，實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量6%條件下，氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度限值分別不高于50mg/m3、35 mg/m3、10 mg/m3）。

隨著國家大氣環境治理的力度逐步加大，燃煤電廠NOX濃度已降至小時均值不超過30mg/m?，加之國家產業政策的調整各電廠受燃煤成本壓力，入廠煤采購形式多樣，入爐煤均采用多種煤摻燒入爐，造成鍋爐脫硝入口NOX大幅波動，SCR脫硝噴氨自動調節系統普遍存在震蕩、延遲大、跟蹤慢、過調或欠調等問題，同時由于我公司SCR脫硝噴氨格柵設計不合理，導致SCR脫硝入口NOX與HN3混合不充分，SCR脫硝出口NOX采用直線型三點取樣，使SCR脫硝出口NOX濃度值不具備代表性，導致SCR脫硝噴氨自動控制投入率低、氨逃逸增大、空預器堵塞嚴重等問題。為了應對更加嚴格的排放指標，滿足國家及地方環保排放政策要求，實現深度減排條件下脫硝裝置安全、穩定、經濟運行，需要提升氨噴射系統的調節性能，提高NH3/NOx分布的均勻性，減少局部過噴引起的氨逃逸濃度高值，減輕空預器堵塞，對原有噴氨系統及整體流場進行噴氨自動控制系統優化改造。

我公司兩臺2×330MW機組，鍋爐是DG1110/17.4-Ⅱ12，為亞臨界、中間一次再熱、自然循環、燃煤汽包鍋爐，單爐膛Π型布置，四角切圓燃燒，尾部雙煙道，固態排渣，平衡通風，全鋼架懸吊結構，制粉系統采用三臺雙進雙出MGS4062鋼球磨。脫硝裝置原采用東方凱特瑞選擇性催化還原法（SCR）全煙氣脫硝。脫硝裝置催化劑采用蜂窩式、兩層布置（預留一層）高溫布置，反應器布置于鍋爐省煤器出口與空預器之間;采用氨氣作為還原劑。2015年兩臺機組均進行了超低排放改造，主要將原兩層燃燼風改為三層并上移約3米左右，脫硝入口煙道進行了均流優化，催化劑更換為遠達環保18孔催化劑，2017年檢修時加裝了第三層催化劑。2019年對SCR脫硝噴氨格柵、噴氨母管、煙氣分布均流性進行改造。改造后SCR脫硝入口NOX分布相對比較均勻，而且SCR脫硝出口增加了網格式取樣測點，SCR脫硝出口NOX濃度值更具有代表性，對SCR脫硝自動調整打下了良好的基礎。

SCR脫硝自2010年投運后，一直沿用普通單級PID調節方式，根據設定及脫硝出口實時NOX值調整噴氨調節門開度，來控制噴氨量，確保達標排放。2015年實行超低排放以來，在工況穩定的情況下可滿足SCR脫硝NOX排放標準要求;一旦機組負荷波動大、工況調整頻繁，煤質發生較大的變化，出入口NOX也將大幅波動，瞬時超標現象嚴重，調節系統不能充分發揮作用。只能改為手動控制調節門開度，完全依賴于運行人員的經驗，達標排放和經濟性很難平衡，運行人員發現和調整不及時將造成出口NOX值超高限，運行人員為了控制NOX值小時均值不超標，只能盲目開大調節門開度，造成氨蒸汽過噴現象，用氨量增加，氨逃逸變大，繼而引發空預期堵塞，空預器及下游設備腐蝕。各種不確定因素的存在給系統的正常運行造成了隱患。

2 ?SCR脫硝噴氨自動控制系統現狀

2.1 ?SCR脫硝入口煙氣流速分布不均

SCR脫硝入口截面上NOx/NH3混合不均勻、噴氨格柵無法進行分區調整噴氨，脫硝反應器NOX與NH3反應不均衡，導致出口NOX值偏差較大，分布均勻性差。A側NOX值最大值40.9 mg/Nm?，最小值21.5 mg/Nm?，B側最大值91.4 mg/Nm?，最小值33.4 mg/Nm?。

2.2 ?SCR脫硝出口取樣測點不具代表性

SCR脫硝出口測點呈直線布置，僅3個NOx取樣測點，測點布置少，不能代表整個截面上的NOx分布，出口取樣測點不具代表性，對運行人員運行操作判斷和運行參數比對及運行經濟分析都沒有參考價值， 更不具備SCR脫硝噴氨自動調節被調量的條件。

2.3 ?SCR脫硝噴氨自動投入率低

引起SCR脫硝噴氨自動投入率低的原因：SCR脫硝噴氨原自動調節系統延遲大、跟蹤慢、過調或欠調等問題，針對這些問題引起的原有SCR脫硝系統噴氨自動控制的不足，對噴氨流量控制進行了詳細的分析和總結。引起SCR脫硝噴氨自動控制的擾動因素很多，主要有：1）機組負荷快速變化、驟升驟降;2）第三臺磨煤機啟停（C磨的啟停），3）煤粉的層投和層停; 4）風量的變化，5）入爐煤質變化，6）分析儀表本身的波動;7）CEMS儀表定期吹掃問題等，這些因素都會引起SCR脫硝入口NOX的變化，有時會劇烈大幅波動，從而影響SCR脫硝噴氨自動控制的穩定性。

3 ?控制系統優化

通過對影響SCR脫硝噴氨自動控制的穩定性原因的分析，發現單純的PID控制已無法滿足現在的控制要求。由于受HOLLISYS軟件功能的限制，SCR脫硝自動無法實現模糊及預測控制，針對以上種種問題，對SCR脫硝噴氨自動調節策略提出以下方針：以SCR噴氨自動控制為主，鍋爐燃燒配風自動控制為輔的策略，同時對SCR脫硝系統噴氨母管、噴氨格柵、及出口NOX的取樣系統進行優化。

3.1 ?SCR脫硝噴氨自動調節方面的優化

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，并且還加入了機組負荷前饋、凈煙氣隨動修正邏輯，滿足變工況運行的調節需要。

3.1.1針對CEMS儀表定期吹掃問題

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。吹掃時，保持前一狀態數值，以保證系統的正常運行。持續時間以NOX濃度恢復正常來確定，在反吹期間脫硝入、出口NOX濃度值保持原值不變持續6分鐘，為了避免反吹結束NOX濃度值有大幅變化造成脫硫出口NOX濃度值突升，在自動邏輯中添加反吹期間調節門稍微開大，保證脫硫出口NOX濃度值穩定，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。

3.1.2前饋控制

在控制邏輯中引入SCR脫硝入口煙氣流量和入口NOX濃度的乘積作為前饋信號，用于快速響應各種工況突變的對NOX擾動現象的發生，彌補反應器和煙氣分析儀的滯后，增強調節效果。同時對SCR脫硝入口NOX值和對應的調節閥門的開度值建立數據庫，從數據庫提取數據，形成SCR脫硝入口NOX值和對應的調節閥門的開度值的FX折線函數，直接作用在手操器上。當煤質摻燒不均，SCR脫硝入口NOX值大幅變化時，不經PID計算，直接快速控制閥門動作，及時使氨蒸汽與煙氣中的NOX值混合，快速反應，控制NOX值，避免SCR脫硝出口NOX值超標，影響煙氣排放標準。當煤質單一或摻燒均勻時，SCR脫硝入口NOX值較穩定，此函數值不參與SCR脫硝PID自動控制。

3.1.3 ?PID調節

查閱歷史曲線，檢查控制邏輯，實時觀察，動態調整PID參數，根據實際工況對PID參數進行完善。在原有PID控制的基礎上，一是：加快調節頻率，擾動發生時調節閥快速動作，為了避免過調發生震蕩，對PID的輸出做了限幅，使調節閥在適當的有限范圍內調節，把被控參數的震蕩控制在可控范圍之內;二是：對給定值增加了隨動控制（被調量的給定值是時間的未知函數），把過程值與預期控制值的偏差做成折線函數疊加到給定值上。偏差為正時，給定自動增值調節閥開大;偏差為負時，給定自動減值調節閥關小，使被調量（脫硫出口NOX濃度值）接近預期控制值;三是：加入機組負荷前饋，機組負荷變動時（升負荷、降負荷）經過函數FX進行閥門開度的修正，針對SCR脫硝入口NOX隨著負荷的變化而變化的情況，我們對歷史趨勢進行了研究統計，發現當負荷降低的時候入口NOX先升高后降低，當負荷升高的時候入口NOX先降低后升高;基于此種情況我們加入了負荷前饋調節，利用機組實際負荷和AGC指令之間的差值進行閥門開度的修正，尤其是在降負荷較大時，通過閥門迅速動作減少瞬時超標的現象。提高變工況的適應性;四是：加入脫硫凈煙氣隨動系統，SCR脫硝系統由于其工藝特性和煙道長度，SCR脫硝煙氣測點和凈煙氣測點安裝位置不同，會存在“倒掛”或取樣測點不具備代表性的現象，存在較大延遲和滯后，針對這個特性加入了凈煙氣出口NOX隨動修正，在限定值內通過隨動FX函數，不斷修正閥門開度，一定程度上抵消了大延遲對自動調節造成的干擾。

3.3 ?SCR脫硝系統噴氨母管、噴氨格柵、及出口NOX的取樣系統進行優化

3.3.1 ?SCR脫硝噴氨母管、噴氨格柵的優化

通過合理設計母管直徑，采用分段變徑的方式使各分支管處的靜壓均衡，可實現個分支管內流量一致。基于此原理對噴氨管道采用等壓力設計，使得噴氨管道長度方向各處的流速基本一致，保證噴氨支管的流速基本一致，進而使得噴氨格柵截面氨氣分布均勻.將現有噴氨格柵改為單側SCR的噴氨格柵分為2×7個分區，能實現煙道寬度和深度雙向精細化調節功能。

3.2新噴氨格柵在SCR入口煙道的位置34.945米。

每個分區設置36噴嘴，共設置504個噴嘴。SCR入口煙道截面積為2.28m×10.7m=24.396㎡，平均每平方米設置約21個噴嘴。為增強噴嘴噴射擴散效果和防堵灰性能，使噴嘴Y形錯列布置.

3.3.2 ?SCR脫硝入口煙道加裝混合器

在SCR脫硝入口煙道的垂直段布置1層煙氣預混合器，標高36.67米。煙氣預混合器采用圓盤式結構，每個混合器模塊上布置2個圓盤，單側共8組，

3.3.3 ?SCR脫硝出口加裝全截面均布式取樣系統

將SCR出口網格布置截面平均分成3×3個區域，在每個區域中心布置煙氣取樣測點。每個測點采用取樣控制閥單獨控制分析、采用煙氣在線分析儀進行檢測。取樣管上方布置防磨角鋼（導流防護板）。取樣管接入集管，集管上布置熱一次風吹掃接口，熱一次風從空預器一次風出口管道處接，每根取樣管上設置一個氣動球閥控制，吹掃管設置一個氣動蝶閥控制。集管下接氣動蝶閥，再接往電除塵入口煙道。

四、優化后的效果

SCR脫硝自動控制優化后氨需求量減少，氨逃逸顯著下降，空預器運行阻力下降，有利于機組安全、穩定、經濟運行。

4.1 ?優化后SCR脫硝出口NOX分布情況

機組帶熱負荷運行，負荷為240MW，主汽流量為931t/h，SCR脫硝出口取樣

通過以上表格可以看出：SCR脫硝出口NOX濃度分布相對較均勻，取樣系統顯示A側SCR脫硝出口NOx平均值為30.0 mg/Nm?，B側SCR脫硝出口NOx平均值為26.9mg/Nm?。優化后對 NH3/NOx 的混合、分布效果進一步提高，通過噴氨自動調整，可滿足燃煤電廠NOx深度減排后達到 30mg/Nm3 以下的要求。

改造后手動測試孔測量出口NOX值，A側出口最大值36.1 mg/Nm?，最小值20.5 mg/Nm?。B側出口最大值29.8 mg/Nm?，最小值18.9 mg/Nm?。見表4-2。

4.2 ?優化后SCR脫硝噴氨量及氨逃逸的情況

在不同運行工況下，優化后尿素溶液濃度50%，需氨量減少40kg/h，SCR脫硝氨逃逸量大大降低，可較大程度改善空預器堵塞問題。優化前空預器煙氣側阻力最高約達3kpa，平均阻力為2.7kpa，優化后運行空預器阻力一直穩定在1.3kpa以下，空預器阻力大幅下降。

五、優化后所帶來的經濟效益

優化后尿素溶液濃度50%，需氨量減少40kg/h，按年運行時間7000小時計，一年可產生直接經濟效益127.6萬元。

優化后氨逃逸下降，空預器阻力降低，按照空預器阻力至少下降300pa計算，三大風機每年可節約運行電量103萬kw.h，上網電價按0，34元/kw.h計算，每年可產生經濟效益35萬元。SCR脫硝噴氨自動控制系統優化后可產生直接經濟效益162.6萬元。

結 ?論

通過SCR脫硝噴氨自動控制系統的先進控制策略及其參數的整定以及噴氨系統的優化后，氨需求量減少，氨逃逸顯著下降，空預器運行阻力下降，有利于機組安全、穩定、經濟運行，使被控參數（脫硫出口NOX濃度）控制在30mg/Nm?之下，在穩定工況下可以控制在25mg/Nm?左右，可滿足燃煤電廠NOx深度減排后達到 30mg/m3 以下的要求。

提高了自動控制系統的自動投入率，提高了SCR脫硝系統的可靠性、穩定性，增強了噴氨自動調節的穩定性。同時大大降低了運行操作人員的勞動強度。

氨逃逸的降低減少了對SCR脫硝下游設備空預器的影響，降低了三大風機的能耗，提高了燃煤電廠運行的經濟性。

姓名：張秀敏，出生年月：1976，12，女，籍貫：河北省石家莊市，職稱：助工，學歷：本科，研究方向：電廠環保 ?自動控制