火電廠SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整探究

秦皇島發(fā)電有限責任公司 徐景新

1 研究工況和優(yōu)化方法

1.1 研究工況

本研究以某電廠亞臨界320MW 機組鍋爐為例，鍋爐主SCR 脫硝系統(tǒng)為國內(nèi)安裝，而脫硝的裝置則選擇安裝于省煤器和空氣預熱器兩者的中間（如下圖1），混合氨和稀釋風后由渦流靜態(tài)混合式噴氨格柵噴入SCR 煙道。在當前的使用過程中，脫硝反應器和煙囪出口氮氧化物在線儀表測量值一直存在一定的偏差，影響了環(huán)保排放指標管控。

圖1 SCR 裝置結構圖

1.2 優(yōu)化過程分析

在進行脫硝SCR 噴氨優(yōu)化控制前，對問題產(chǎn)生原因進行初步查找分析，此是測量牌穩(wěn)定負荷下的脫硝反應器出口，其氮氧化物質(zhì)量的濃度和氨氣體積比的相應分布，再結合脫硝系統(tǒng)實時運行情況進行綜合分析和診斷，最后再對查找出的問題進行總結論證。

針對上述查找出的問題，首先測出脫硝反應器出口的氮氧化物質(zhì)量濃度及氨氣逃逸體積比值，再調(diào)整反應器進口的噴氨總量和噴氨手動調(diào)節(jié)蝶閥的開度，在調(diào)整過程中保持對氮氧化物和氨逃逸分布測點的持續(xù)測量；通過反復的試驗調(diào)整優(yōu)化，進一步提升煙道內(nèi)氮氧化物質(zhì)量濃度與氨逃逸的均勻性。當調(diào)整后對SCR 脫硝噴氨控制邏輯進行優(yōu)化，對PID 參數(shù)，尤其是調(diào)節(jié)前饋進行優(yōu)化，以降低脫硝系統(tǒng)延遲性。當優(yōu)化調(diào)整后投入脫硝自動，檢查脫硝反應區(qū)出口氮氧化物和煙囪氮氧化物偏差，以及空預器后氨逃逸的代表性；必要時，再依據(jù)測量結果進行反復微調(diào)。具體優(yōu)化調(diào)整流程如圖2所示。

圖2 噴氨優(yōu)化調(diào)整流程圖

2 火電廠SCR 脫硝系統(tǒng)噴氨控制優(yōu)化

2.1 查找問題，發(fā)現(xiàn)癥結

在整個優(yōu)化調(diào)整開始前，保持機組負荷穩(wěn)定，煙囪出口位置的氮氧化物質(zhì)量濃度穩(wěn)定在25mg/Nm3左右。

運行人員調(diào)整鍋爐負荷分別穩(wěn)定在320MW、240MW、120MW 負荷段，使用網(wǎng)格法對脫硝反應器出口的氮氧化物質(zhì)量濃度測量。于脫硝反應器出口兩側分別設置12個監(jiān)測點，即A 側、B 側，在每一個測孔順深度向從外向內(nèi)布置4個測點，以此來對不同位置的氮氧化物質(zhì)量濃度進行測量。

當處于不同負荷情況時，氮氧化物質(zhì)量濃度的分布不均勻度顯示為：320MW 負荷下脫硝反應器出口A 側65.00%、B 側91.10%；240MW 負荷下脫硝反應器出口A 側57.60%、B 側90.20%；120MW負荷下脫硝反應器出口A 側58.20%、B 側85.40%，進而說明脫硝反應器出口氮氧化物在不同的負荷狀態(tài)下質(zhì)量濃度的分布不均勻基本相當。

通過在不同負荷段下出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布來判斷，氮氧化物質(zhì)量濃度順煙道寬度方向對的分布有一致性[1-2]。分析主要原因可能是由于旋流爐處于不同的負荷之下，不同磨煤機運行影響燃燒層等火焰中心高度的改變，對沿煙道寬度方向產(chǎn)生的影響較小，沒有對煙氣流場與氮氧化物的分布產(chǎn)生影響，由此致使不同負荷下出口氮氧化物濃度沿煙道寬度方向變化小。

2.2 優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)試驗測量所查出的問題結果顯示，氮氧化物質(zhì)量濃度的高低點在煙道寬度方向區(qū)域位置基本一致。所以，對其對應區(qū)域的噴氨格柵調(diào)節(jié)閥開度進行調(diào)整即能達到符合不同負荷下的噴氨要求標準。主要內(nèi)容為：當鍋爐處于穩(wěn)定負荷工況下，將脫硝反應器出口氮氧化物濃度調(diào)整到標準值；依據(jù)網(wǎng)格法測量得出的氮氧化物濃度的分布特點，逐一調(diào)大高氮氧化物濃度區(qū)域所對應的格柵蝶閥開度，調(diào)小低氮氧化物濃度區(qū)域對應的格柵蝶閥開度，即通過對多只噴氨格柵調(diào)閥加以針對性調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)削峰填谷的作用，平衡反應器出口煙道的氮氧化物濃度[3-4]。

在調(diào)整優(yōu)化的過程中，必須通過多次反復的測量對比進行調(diào)整，進而實現(xiàn)最大程度的均衡氮氧化物濃度的目的[5-6]。同時，在每次調(diào)整過程中務必保持同步對空預器出口氨逃逸測量值進行監(jiān)視，避免調(diào)整后出現(xiàn)局部區(qū)域氨逃逸超標的情況。經(jīng)多負荷段下調(diào)整，將噴氨格柵調(diào)閥開度固定在最佳開度上，并做好記錄。

依據(jù)試驗測量結果對比反應器出口氮氧化物濃度的分布可知：受煙氣流暢分布不均影響，A 側的4號監(jiān)測區(qū)域和5號監(jiān)測區(qū)域和B 側的1號監(jiān)測區(qū)域、7號監(jiān)測區(qū)域、8號監(jiān)測區(qū)域、9號監(jiān)測區(qū)域的氮氧化物聚集濃度較高；A 側1號監(jiān)測區(qū)域、2號監(jiān)測區(qū)域、11號監(jiān)測區(qū)域、12號監(jiān)測區(qū)域及B 側2號監(jiān)測區(qū)域、5號監(jiān)測區(qū)域、10號監(jiān)測區(qū)域、11號監(jiān)測區(qū)域、12號監(jiān)測區(qū)域的氮氧化物聚集濃度較低。根據(jù)該分布特點，在調(diào)整時應提高A 側4號監(jiān)測區(qū)域、5號監(jiān)測區(qū)域及B 側1號監(jiān)測區(qū)域、7號監(jiān)測區(qū)域、8號監(jiān)測區(qū)域、9號監(jiān)測區(qū)域相對應的噴氨格柵調(diào)閥開度；降低A 側1號監(jiān)測區(qū)域、2號監(jiān)測區(qū)域、11號監(jiān)測區(qū)域、12號監(jiān)測區(qū)域及B 側2號監(jiān)測區(qū)域、3號監(jiān)測區(qū)域、4號監(jiān)測區(qū)域、5號監(jiān)測區(qū)域、10號監(jiān)測區(qū)域、12號監(jiān)測區(qū)域相對應的噴氨格柵調(diào)閥開度。表1為優(yōu)化前和優(yōu)化后的噴氨格柵調(diào)閥開度記錄。

表1 優(yōu)化前和優(yōu)化后噴氨手動調(diào)節(jié)的蝶閥開度

本次優(yōu)化調(diào)整是在240MW 的負荷工況下開展，控制煙囪出口的氮氧化物濃度在25mg/Nm3，具體優(yōu)化效果如下所示。

2.2.1 氮氧化物濃度不均勻度

經(jīng)過以上的分析和進行調(diào)整之以，針對240MW負荷工況下的脫硝反應器存在的問題得到有效的改善，即提高了出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布均勻性。

2.2.2 氨逃逸

下圖3顯示為在240MW 負荷工況下，脫硝反應器出口A 側和B 側的優(yōu)化前、優(yōu)化后氨逃逸曲線。

圖3 氨氣逃逸體積比分布

圖3顯示表明，空預器出口氨逃逸數(shù)值在優(yōu)化前同樣存在分布不均的現(xiàn)象，而且局部已經(jīng)超標，A側和B 側的最大值全部高于3μL/L，在經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整之后，空預器出口A、B 側煙道內(nèi)的氨逃逸最大值均出現(xiàn)不同幅度的下降，分別從3.01μL/L、3.10μL/L 降低到1.98μL/L、1.92μL/L，同時平均值也得到了降低，分別從1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L。由此可以看出，在空預器出口煙道局部氨逃逸過大的現(xiàn)象得到有效改善，并且氨逃逸分布趨于平緩，分析原因應該是通過對噴氨格柵調(diào)閥進行優(yōu)化調(diào)整后，SCR 反應器出口氮氧化物濃度的分布具有更好的均勻性，對不同聚集分布位置的氮氧化物采用不同針對性的噴氨量，使得以前存在不合理噴氨造成氨氮摩爾比失衡的情況也得到了優(yōu)化改善。

2.2.3 脫硝SCR 噴氨控制邏輯優(yōu)化

由于脫硝CEMS 系統(tǒng)取樣本身為大延遲系統(tǒng)，被控對象滯后于實際煙氣1～2min；同時儀表分析儀定時反吹及標定又使該系統(tǒng)在控制環(huán)節(jié)上存在了一定的不可控性。因此，不但脫硝自動調(diào)節(jié)性能較差，脫硝反應器出口氮氧化物和煙囪排口氮氧化物也長期存在偏差。因此，在通過以上物理調(diào)節(jié)優(yōu)化煙氣流程和噴氨均勻度以后，還需對脫硝噴氨自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行對應的優(yōu)化。進一步優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID 參數(shù)，通過噴氨母管調(diào)節(jié)閥噴氨量和閥門開度的變化速度，相應減小比例系數(shù)，增大積分環(huán)節(jié)；同時為消除系統(tǒng)延遲，在串級前饋控制系統(tǒng)中，增加氧量及風煤比前饋提前預判鍋爐燃燒變化后的煙氣氮氧化物濃度變化趨勢，緩解CEMS 分析儀反吹、標定造成的系統(tǒng)不可控性，使脫硝系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)水平進一步提高[7-8]。

2.2.4 優(yōu)化前后氮氧化物在線儀表測量值偏差對比

優(yōu)化前脫硝反應器出口氮氧化物原本調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，并且和煙囪的出口氮氧化物在線儀表值存在一定的偏差，經(jīng)過對噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝氮氧化物控制穩(wěn)定，偏差得到有效的降低。下圖5顯示為優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩者質(zhì)量濃度值的曲線對比。

圖5 脫硝反應器與煙囪的出口氮氧化物質(zhì)量濃度值

從圖4的顯示可看出，在整體優(yōu)化以前，反應器A 側出口氮氧化物質(zhì)量濃均值35.68mg/m3，而反應器B 側濃均值為36.24mg/m3，煙囪出口均值為25.25mg/m3；而經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，反應器A 側出口氮氧化物質(zhì)量濃均值28.35mg/m3，而反應器B 側濃均值為28.57mg/m3，煙囪出口均值為23.21mg/m3。脫硝反應器和煙囪的出口氮氧化物在線儀表測量值偏差縮小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果較好。

圖4

通過分析認為，脫硝反應器出口的煙氣CEMS取樣點位于煙道中高氮氧化物質(zhì)量濃度的區(qū)域，且噴氨格柵對應度不好，所以抽取煙氣的代表性較差；同時煙氣抽取過程需要1min，本身就存在延遲性，所以脫硝出口較煙囪出口的氮氧化物在線儀表測量值偏高較多。通過優(yōu)化調(diào)整之后，噴氨格柵的開度與煙道中煙氣流場匹配度更高，脫硝反應器出口的氮氧化物濃度分布均勻性好，取樣點抽取的煙氣更有代表性；并且經(jīng)過自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化后，增加了前饋，有了超前預判調(diào)節(jié)，所以脫硝反應器與煙囪的出口氮氧化物在線儀表測量值偏差減小，且控制穩(wěn)定。

2.3 效果驗證

為了驗證上述調(diào)整優(yōu)化的普適性，選擇在320MW、120MW 負荷工況下再次進行噴氨效果的驗證，經(jīng)驗證結果顯示：在當前脫硝噴氨調(diào)節(jié)作用下，煙囪出口的氮氧化物質(zhì)量濃度控制在25mg/Nm3左右；在320MW 負荷工況下分布不均勻度A側為32.50%、B 側為36.00%；在120MW 負荷工況下分布不均勻度A 側為34.00%、B 側為32.10%，與240MW 偏差不大，具有較好的一致性。

3 結論

綜上分析，本文主要對火電廠脫硝SCR 系統(tǒng)的噴氨過程和調(diào)節(jié)方式進行了優(yōu)化，通過查找存在問題并優(yōu)化調(diào)整，進一步取得較為顯著的噴氨優(yōu)化效果。通過優(yōu)化后，在機組各負荷工況下有效地改善了脫硝反應器出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布均勻性，脫硝反應器出口和煙囪出口的氮氧化物在線儀表測量值偏差下降到5mg/Nm3左右，提高了脫硝自動的投入率，能夠大幅降低運行人員的工作強度；同時空預器后的煙氣中氨逃逸最大值均出現(xiàn)下降，運行過程中的氨逃逸平均值也得到了降低，分別從1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L，提高了脫硝效率，避免了調(diào)節(jié)過程中噴氨過量影響硫酸氫銨堵塞空預器的情況發(fā)生，為機組安全穩(wěn)定運行作出了貢獻。