燃煤電廠SCR系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化提升

李志軍

（浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司）

0 引言

2015年環(huán)保部等三部委發(fā)布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，進(jìn)一步明確要求：東、中、西部地區(qū)分別于2017年、2018年、2020年前實(shí)現(xiàn)超低排放，其中NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于50mg/m3。“綠水青山就是金山銀山”，國家對(duì)環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理越來越重視。近年來，北京周邊及河北地區(qū)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于30mg/m3，江蘇省發(fā)布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，在2023年7月1日起，單臺(tái)300MW及以上燃煤機(jī)組的顆粒物、SO2、NOx排放濃度限值調(diào)整為5mg/m3、25mg/m3、30mg/m3，未來燃煤電廠煙氣超低排放系統(tǒng)將面臨更加嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)脫硝系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 目前SCR運(yùn)行狀況

SCR脫硝技術(shù)因技術(shù)成熟、效率高在燃煤電廠得到廣泛應(yīng)用，但由于NOx測(cè)量的時(shí)變性和滯后性，傳統(tǒng)PID控制依靠NOx目標(biāo)值和設(shè)定值偏差來調(diào)節(jié)噴氨量，特別是在負(fù)荷快速變化時(shí)，脫硝效率波動(dòng)大，個(gè)別時(shí)段會(huì)超出排放極限標(biāo)準(zhǔn)，為避免環(huán)保考核，運(yùn)行人員只能通過加大噴氨來達(dá)到要求，但是脫硝效率的提升與氨逃逸的增加呈指數(shù)形式，勢(shì)必造成氨逃逸增多、噴氨的浪費(fèi)以及空預(yù)器堵塞問題的突出，并威脅引風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。

（1）噴氨主回路的常規(guī)控制無法消除出口NOx的劇烈波動(dòng)

噴氨主回路一般采用PID控制器。脫硝系統(tǒng)入口和出口NOx測(cè)量滯后巨大，使得控制回路無法適應(yīng)脫硝過程非線性、大滯后和快時(shí)變的特點(diǎn)，出口NOx波動(dòng)大。為了保證NOx不超限，出口NOx往往遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，浪費(fèi)了大量的氨，并且使得氨逃逸大大提高，影響下游設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）缺乏精細(xì)的分區(qū)調(diào)節(jié)手段，出口NOx分布不均勻

每個(gè)煙道只有一個(gè)自動(dòng)氨量調(diào)節(jié)閥，在入口煙氣NOx濃度分布不均勻、以及催化劑性能偏差較大的時(shí)候，使得出口NOx分布偏差很大，進(jìn)一步浪費(fèi)了大量的氨，并使得氨逃逸大大提高。

綜合而言，目前的脫硝系統(tǒng)控制手段無法消除出口NOx在時(shí)間上和空間上的不均勻性。

（3）SCR催化劑缺乏精細(xì)化的分區(qū)性能管控

目前只能根據(jù)脫硝的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到催化劑整體的平均性能，但事實(shí)上催化劑的性能分布是不均勻的。建立精細(xì)化的分區(qū)性能管控系統(tǒng)，能夠更加及時(shí)準(zhǔn)確地掌握催化劑的性能分布場(chǎng)，有利于電廠的智能化管理。

2 優(yōu)化提升技術(shù)方案

以降低波動(dòng)幅度和未來NOx排放濃度限值為25mg/m3技術(shù)準(zhǔn)備作為優(yōu)化提升目標(biāo)，通過對(duì)爐膛燃燒變化進(jìn)行噴氨量預(yù)測(cè)的提前干預(yù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨來解決SCR出口NOx波動(dòng)幅度過大，需要從NOx測(cè)量滯后、煙氣流場(chǎng)的均勻性、設(shè)備可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行優(yōu)化提升，大致可分為四個(gè)部分：流場(chǎng)模擬及優(yōu)化、先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和噴氨管路改造。

2.1 流場(chǎng)模擬及優(yōu)化

從省煤器出口至空預(yù)器入口的煙道建立1:1的流場(chǎng)模型，如圖1所示，分析不同工況下的脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)，確定最佳分區(qū)及測(cè)點(diǎn)位置；然后對(duì)原煙道進(jìn)行合理分區(qū)，通過在合適位置布置分區(qū)導(dǎo)流板或混合器，首先提高噴氨格柵前流場(chǎng)均勻性，并結(jié)合脫硝NOx分區(qū)多點(diǎn)同步測(cè)量及主回路的前饋預(yù)測(cè)控制等技術(shù)手段對(duì)噴氨量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，然后通過分區(qū)內(nèi)的進(jìn)一步混合，實(shí)現(xiàn)還原劑與氮氧化物的充分接觸，從而實(shí)現(xiàn)氮氧化物的高效脫除。

圖1 流場(chǎng)模型

2.2 先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)

稀釋取樣法具有高可靠性、低成本、準(zhǔn)確的濕法測(cè)量，并解決了煙氣含塵量高而引起的堵塞問題，化學(xué)發(fā)光法在測(cè)定低濃度時(shí)準(zhǔn)確性最好。利用各自優(yōu)點(diǎn)，兩者相結(jié)合的取樣測(cè)量系統(tǒng)，具有不用除水、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，大大降低了故障停運(yùn)概率和維護(hù)成本，尤其適合超低排放后的NOx測(cè)量，其精度最高可達(dá)1.0mg/m3。

在各區(qū)安裝“稀釋法”取樣裝置，將煙氣同步抽取后通過樣氣管傳輸至共用的“化學(xué)發(fā)光法”煙氣分析儀。實(shí)現(xiàn)一臺(tái)分析儀可以分時(shí)測(cè)量同一時(shí)刻不同區(qū)域煙氣的濃度。通過氣路設(shè)計(jì)使得每一路樣氣同時(shí)取樣后到達(dá)分析儀的時(shí)間存在順序差。每一路樣氣進(jìn)入分析儀前設(shè)置有控制電磁閥，同一時(shí)刻只打開一路電磁閥。各區(qū)域樣氣按照順序到達(dá)分析儀后，順序打開對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行測(cè)量，每測(cè)試完最后一路樣氣為一輪，同時(shí)更新顯示一組濃度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，以此得到同一時(shí)刻、同一煙道界面濃度分布數(shù)據(jù)組。具體原理如圖2所示。

圖2 NOx分區(qū)同步測(cè)量技術(shù)方案

2.3 先進(jìn)控制系統(tǒng)

脫硝精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)主要分為噴氨總量先進(jìn)控制算法和智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法兩部分。

2.3.1 總量控制系統(tǒng)

噴氨總量預(yù)測(cè)控制算法是通過入口NOx軟測(cè)量技術(shù)，預(yù)測(cè)入口NOx濃度變化情況，并作為噴氨前饋的重要參數(shù)，參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，解決了入口NOx測(cè)量滯后的問題，同時(shí)利用氨逃逸對(duì)主回路進(jìn)行校正控制。另一方面，通過試驗(yàn)得到不同負(fù)荷下的SCR反應(yīng)器的傳遞函數(shù)，進(jìn)而有針對(duì)性地實(shí)施控制算法模型。該算法能逐步累積測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)學(xué)習(xí)，與燃燒器工況相組合在燃料變化時(shí)能夠快速判斷和調(diào)整。并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞和磨損失效等問題，采取措施調(diào)整運(yùn)行方式，最終實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)化控制。控制策略如下：

1）目標(biāo)被控對(duì)象為環(huán)保考核指標(biāo)NOx濃度；

2）調(diào)節(jié)手段為原噴氨總管上的氨流量調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)噴氨總流量的多少，來保證CEMS儀表測(cè)得的NOx濃度不超標(biāo)；

3）在原有單PID控制回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)控制算法優(yōu)化改造，主要引入了鍋爐ULD指令、各臺(tái)磨的冷熱一次風(fēng)和煤量、省煤器出口O2、各大風(fēng)機(jī)指令以及SCR區(qū)域出入口NOx、O2、煙氣量等數(shù)據(jù)，通過以上數(shù)據(jù)對(duì)鍋爐、SCR區(qū)域的總體工況進(jìn)行預(yù)測(cè)和反饋控制，盡可能降低出口NOx濃度波動(dòng)性，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。噴氨總量控制柜圖如圖3所示。

圖3 噴氨總量控制框圖

2.3.2 智能噴氨格柵均衡脫硝控制

采用均衡控制算法，優(yōu)化并在線控制各個(gè)分區(qū)的噴氨比例，從而實(shí)現(xiàn)出口NOx空間上的分布均勻，具體策略如下：

1）將原有噴氨格柵處的手動(dòng)噴氨格柵進(jìn)行自動(dòng)化改造，通過流場(chǎng)模擬技術(shù)對(duì)噴氨格柵進(jìn)行網(wǎng)格法劃分，每側(cè)煙道劃分成為8個(gè)網(wǎng)格，分別由新改造的8個(gè)自動(dòng)調(diào)閥進(jìn)行控制，并與SCR出口新增的8個(gè)NOx分區(qū)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)；

2）分區(qū)閥門主要調(diào)節(jié)手段是對(duì)氨空混合器后的混合還原劑進(jìn)行分配調(diào)節(jié)，使得進(jìn)入噴氨格柵各個(gè)區(qū)域的還原劑濃度相對(duì)關(guān)系發(fā)生變化，而不對(duì)總噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)，總噴氨量調(diào)節(jié)由噴氨總管上的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行；

3）分區(qū)調(diào)節(jié)的目標(biāo)是使得SCR出口各個(gè)NOx分區(qū)測(cè)點(diǎn)濃度趨于一致，即調(diào)平作用；

4）在調(diào)試階段，會(huì)通過試驗(yàn)方式確定每個(gè)調(diào)節(jié)閥的閥位-流量-NOx濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于閥門調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定參考；

5）分區(qū)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，主要參考各個(gè)NOx分區(qū)濃度的歷史趨勢(shì)、其相對(duì)關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)較高的分區(qū)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往高閥位動(dòng)作，相對(duì)較低的分區(qū)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往低閥位動(dòng)作；

6）分區(qū)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時(shí)，主要保護(hù)參數(shù)為SCR區(qū)稀釋風(fēng)流量，總體所有分區(qū)調(diào)節(jié)閥會(huì)保證一定開度，以防止SCR區(qū)域稀釋風(fēng)流量過低導(dǎo)致SCR退出事件發(fā)生。同時(shí)，會(huì)結(jié)合每個(gè)分區(qū)的氨氣流量值和對(duì)應(yīng)出口NOx測(cè)量值，對(duì)脫硝層的局部活性進(jìn)行診斷，并在局部催化劑失活狀態(tài)下，不出現(xiàn)分區(qū)噴氨急劇過量的情況。

分區(qū)噴氨均衡控制算法，原理如圖4所示，會(huì)充分考慮到各個(gè)噴氨分區(qū)和出口NOx測(cè)量分區(qū)事實(shí)上并不能達(dá)到100%完全對(duì)應(yīng)，且調(diào)整單個(gè)噴氨閥門時(shí)也會(huì)對(duì)其他管路中的噴氨量產(chǎn)生影響等因素。

圖4 均衡噴氨控制算法原理

2.4 噴氨管路分區(qū)改造

噴氨管路分區(qū)改造是指噴氨管路的分區(qū)改造與自動(dòng)化控制，通過更改噴氨格柵前噴氨分支管道，在分支管道加裝氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，原來手動(dòng)閥門保留移位，根據(jù)實(shí)際情況將單側(cè)煙道劃分為多個(gè)分區(qū)，與脫硝出口NOx測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制，如圖5所示。

圖5 噴氨管路分區(qū)改造

3 實(shí)施效果

通過建立鍋爐燃燒工況與入口NOx含量的模型預(yù)測(cè)控制，精確預(yù)測(cè)出NOx變化的趨勢(shì)和數(shù)值，在原有PID閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上，引入前饋信號(hào)，克服燃燒系統(tǒng)慣性，大幅度降低NOx波動(dòng)，增強(qiáng)控制穩(wěn)定性，杜絕因波動(dòng)引起的NOx超標(biāo)，減少氨逃逸和噴氨量機(jī)組脫硝系統(tǒng)的噴氨量快速準(zhǔn)確地跟隨入口NOx波動(dòng)，使出口NOx濃度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，減少欠噴和過噴的問題。

實(shí)施噴氨總量先進(jìn)控制后，能夠更加及時(shí)的進(jìn)行噴氨，所以能夠在全負(fù)荷工況下有效降低出口NOx和總排口NOx的波動(dòng)性，有利于運(yùn)行采取壓線運(yùn)行的方式操盤。尤其是針對(duì)目前火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行、靈活性調(diào)峰的特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)通過不同負(fù)荷下建立多模型，增強(qiáng)了對(duì)于低負(fù)荷運(yùn)行情況下SCR出口NOx的控制適應(yīng)性，能夠有效保證低負(fù)荷下SCR自動(dòng)的投入率。

某電廠應(yīng)用后，在總量控制和均衡控制調(diào)試完成正式投入使用后，A/B側(cè)出口NOx濃度25mg/Nm3±3mg/Nm3，長期處于穩(wěn)定水平，總排出口NOx保持25mg/Nm3以下不超標(biāo)。脫硝出口設(shè)定值調(diào)整為20mg/m3，持續(xù)運(yùn)行24h，A/B側(cè)硝出口與總排出口實(shí)測(cè)值20mg/Nm3±3mg/Nm3，實(shí)施效果圖如圖6～圖9所示。

圖6 脫硝總量?jī)?yōu)化穩(wěn)定負(fù)荷工況效果

圖7 脫硝總量?jī)?yōu)化變負(fù)荷工況效果

圖8 調(diào)閥自動(dòng)投運(yùn)前測(cè)點(diǎn)曲線圖

圖9 調(diào)閥自動(dòng)投運(yùn)后測(cè)點(diǎn)曲線圖

4 結(jié)束語

通過精準(zhǔn)噴氨的SCR系統(tǒng)，在噴氨總量的波動(dòng)和SCR出口NOx不均勻性有了很大的改善，在設(shè)定總排出口設(shè)定在25 mg/m3的情況下，實(shí)測(cè)值在20～30 mg/m3附近，全工況下氨逃逸未出現(xiàn)超標(biāo)情況，符合環(huán)保要求；同時(shí)降低了操作人員的工作強(qiáng)度，為燃煤電廠污染物近零排放提供技術(shù)支持。