基于全截面氨逃逸零超標(biāo)的SCR脫硝控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

華電滕州新源熱電有限公司 閔國政 北京新葉科技有限公司杭州分公司 夏仁杰

選擇性催化還原脫硝控制（Selective Catalytic Reduction，SCR）作為國內(nèi)多數(shù)火力發(fā)電廠的脫硝控制方案，對(duì)于目前日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐漸力不從心，急需做出改造。目前，控制方式存在幾個(gè)較明顯的缺陷：一是適應(yīng)性差，針對(duì)不同的工況，只有一套可用的PID 控制方案；二是經(jīng)濟(jì)性差，為了滿足環(huán)保考核指標(biāo)而過度噴氨，將氮氧化物濃度控制的非常低，卻忽略了氨逃逸以及氨耗量等其他要素；三是沒有做到控制程序與硬件相結(jié)合。

除了氮氧化物的控制外，氨逃逸的控制也是SCR 脫硝控制中重要的一環(huán)。但是現(xiàn)在大部分燃煤電廠對(duì)于氨逃逸都只處于一個(gè)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，并沒有將其運(yùn)用到脫硝控制中；或者只有單點(diǎn)的氨逃逸監(jiān)測(cè)控制，無法做到全截面全煙道的監(jiān)測(cè)控制。目前的控制策略仍有較大的提升空間。

本文使用了某先進(jìn)高精度高效率測(cè)量?jī)x表，結(jié)合前饋控制、分區(qū)控制、全截面氨逃逸控制及多級(jí)PID 控制對(duì)SCR 脫硝系統(tǒng)做出改造，并在某燃煤電廠進(jìn)行應(yīng)用示范。該系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提升SCR 脫硝控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益與競(jìng)爭(zhēng)力。

1 脫硝控制系統(tǒng)

1.1 SCR 脫硝控制原理

在一般的火力發(fā)電廠中，作為還原劑的NH3通過SCR 反應(yīng)器內(nèi)的專用管道，在專用噴頭的作用下噴入煙道與鍋爐煙氣均勻混合。在一定的溫度和合適的催化劑的條件下，煙氣和NH3在SCR 反應(yīng)器中反應(yīng)生成無害的氮?dú)釴2和水H2O，具體反應(yīng)方程式如下：

反應(yīng)過程中，還會(huì)有部分NOx 被氧化：

目前，一些火電廠針對(duì)鍋爐出口NOx 的調(diào)節(jié)方式主要是通過噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)SCR 反應(yīng)器出口NOx 的實(shí)際測(cè)量值與期望設(shè)定值的偏差，調(diào)節(jié)SCR 反應(yīng)器入口處的噴氨調(diào)節(jié)閥開度來控制出口NOx 的濃度，使出口NOx 濃度保持在合適的值。

但是，當(dāng)前燃燒煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）在使用過程中也暴露出了一些問題：維護(hù)工作內(nèi)容多；維護(hù)消耗成本高；測(cè)量在時(shí)間上存在滯后性，在空間上不具有代表性，等等。這導(dǎo)致DCS 得到的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確地反映測(cè)量時(shí)機(jī)組的真實(shí)情況，有較大的改進(jìn)空間。

1.2 基于全截面氨逃逸零超標(biāo)的SCR 脫硝控制系統(tǒng)原理

本控制系統(tǒng)由三部分組成：一是以多變量專家預(yù)測(cè)控制為前饋，串級(jí)PID 為主體的總量噴氨控制；二是以調(diào)平煙道煙氣濃度為目標(biāo)的分區(qū)控制；三是在前兩層控制基礎(chǔ)上降低氨逃逸的氨逃逸控制。

測(cè)量?jī)x表及測(cè)量方法的改進(jìn)。快速測(cè)量?jī)x表：在硬件層面上，針對(duì)目前CEMS 儀表存在的測(cè)量滯后、維護(hù)困難等問題，本系統(tǒng)選擇改用快速測(cè)量?jī)x表。測(cè)量方式從原位取樣測(cè)量法變成了紫外差分吸收光譜法。NLC-01型快速測(cè)量系統(tǒng)采用的是紫外差分吸收光譜法，該方法是在吸收光譜法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對(duì)被測(cè)氣體濃度進(jìn)行比較準(zhǔn)確定量分析的光譜分析方法。其基本原理為朗伯比爾定律：

公式中，I（λ）為經(jīng)過氣體吸收之后的光譜；I0（λ）為光源原始光譜；L 為光程；δj（λ）為第j 種氣體的吸收截面；cj為第j 種氣體的氣體濃度；εR（λ）為瑞利散射；εM（λ）為米氏散射；A（λ）為儀器干擾。

在紫外差分吸收光譜測(cè)量的計(jì)算中，光譜儀直接測(cè)量的光譜并不是單純所檢測(cè)氣體吸收的光譜，而是一個(gè)綜合因素?fù)诫s影響而呈現(xiàn)的光譜，需要對(duì)光譜進(jìn)行濾波處理。影響因素主要有：水蒸汽和其他氣體的吸收、各種光學(xué)器件造成的折射和光強(qiáng)衰減、Mie 散射和Rayleigh 散射消光等。其中，Mie 散射和Rayleigh散射等因素引起的光譜隨波長變化為慢變的寬帶吸收，吸收氣體引起的光譜隨波長變化為快變的窄帶吸收，利用算法處理可將其慢變和快變部分分離，得到只表征吸收氣體的光譜。

1.3 分區(qū)同步測(cè)量法

分區(qū)測(cè)量?jī)x表方面，本系統(tǒng)使用的NOx 分區(qū)同步測(cè)量系統(tǒng)。同步測(cè)量法是指每個(gè)測(cè)點(diǎn)探頭在同一時(shí)間抽取煙氣，因?yàn)榱魉僖恢拢ㄟ^修改每根樣氣傳輸管長度，控制樣汽的流動(dòng)時(shí)間，使樣汽到達(dá)分析儀的時(shí)間不同，制造一個(gè)時(shí)間差，分析儀在一個(gè)循環(huán)內(nèi)測(cè)量顯示的NOx 數(shù)值是每個(gè)測(cè)點(diǎn)探頭同一時(shí)間抽取的煙氣，從而達(dá)到同步輪測(cè)。

1.3.1 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家預(yù)測(cè)前饋

通過與DCS 通訊得到入口NOx濃度、出口設(shè)定值、煙氣流速、煤量等提前于出口NOx 濃度的數(shù)據(jù)，初步計(jì)算出在當(dāng)前期望出口NOx 濃度下需要的噴氨量，公式如下：

其中，c0（NOx）代表SCR 反應(yīng)器入口NOx濃度，cs（NOx）表示系統(tǒng)SCR 反應(yīng)器出口NOx期望值，v 表示當(dāng)前的煙氣流速，MNOx表示NOx的平均相對(duì)分子質(zhì)量，MNH3表示NH3的相對(duì)分子質(zhì)量，k 表示單位換算值，k1表示化學(xué)方程式配平系數(shù)。

通過以上公式，系統(tǒng)可以在煙氣剛進(jìn)入SCR 反應(yīng)器時(shí)，就計(jì)算出當(dāng)前入口條件及出口設(shè)定值情況下所需要的噴氨量，相比于對(duì)出口NOx 實(shí)際濃度和期望濃度的偏差反饋控制更加提前。

除了入口前饋，本系統(tǒng)還增加了針對(duì)磨組啟停時(shí)的啟停磨前饋。在觀察機(jī)組歷史運(yùn)行趨勢(shì)后，選取磨煤機(jī)電流、一次風(fēng)量作為啟磨信號(hào)，選取給煤機(jī)電流和給煤量作為停磨信號(hào)。當(dāng)啟磨信號(hào)或者停磨信號(hào)來時(shí)，便對(duì)噴氨量做出一定的修正，作用時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前于出口控制。

1.3.2 分區(qū)與氨逃逸控制

在總量控制的作用下，本系統(tǒng)保證了脫硝作業(yè)在時(shí)間上控制的提前與準(zhǔn)確。但是在煙道的空間分布上并不具備代表性。所以本系統(tǒng)增加了分區(qū)控制，對(duì)SCR 噴氨格柵和噴頭進(jìn)行前后左右分區(qū)，增設(shè)各分區(qū)對(duì)應(yīng)支管調(diào)節(jié)門、實(shí)現(xiàn)各分區(qū)的獨(dú)立調(diào)節(jié)。分區(qū)的控制分為一層NOx 控制和二層氨逃逸控制，目的是盡可能的將兩項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)控制在合理范圍內(nèi)。

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)仍由噴氨總管上的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行。分區(qū)調(diào)節(jié)的目標(biāo)是在總排口不超標(biāo)的情況下使得SCR 出口NOx 測(cè)量值盡可能平均，同時(shí)優(yōu)先保證SCR 出口各個(gè)氨逃逸分區(qū)測(cè)點(diǎn)低于報(bào)警值。

圖1 總量控制優(yōu)化策略

圖2 分區(qū)滾動(dòng)均值輪側(cè)算法

1.4 基于滾動(dòng)均值的反饋控制算法

分區(qū)自動(dòng)控制在運(yùn)行過程中，會(huì)不斷接收分區(qū)輪側(cè)儀表傳輸過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)邏輯不斷更新分區(qū)的濃度均值。分區(qū)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，NOx 濃度相對(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，NOx 濃度相對(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。在此過程中，分區(qū)均值不斷變化，但由于分區(qū)的實(shí)際濃度并不能代表當(dāng)前煙道內(nèi)的實(shí)際流場(chǎng)情況，所以分區(qū)的控制往往需要較長的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后再對(duì)閥門進(jìn)行控制。

在實(shí)現(xiàn)總量控制和分區(qū)控制投入并分區(qū)調(diào)平后，本系統(tǒng)將進(jìn)行動(dòng)態(tài)隨動(dòng)微調(diào)，對(duì)于分區(qū)的控制目標(biāo)不再是不均勻度，而是各分區(qū)的氨逃逸值。對(duì)于氨逃逸高的分區(qū)，微調(diào)分區(qū)閥門向下關(guān)閉；對(duì)于氨逃逸低的分區(qū)，微調(diào)分區(qū)閥門向上打開，從而控制SCR 出口處的氨逃逸小時(shí)均值不超標(biāo)，并在保證凈煙氣出口NOx濃度不超排的情況下，將各分區(qū)的氨逃逸最小化。

這種氨逃逸控制邏輯相較于以往的氨逃逸控制，被控對(duì)象更加細(xì)化，從整個(gè)煙道單點(diǎn)測(cè)量變成按分區(qū)細(xì)化后的多點(diǎn)測(cè)量，大大地減少了氨逃逸在局部超標(biāo)的可能，做到了煙道全截面零超標(biāo)的氨逃逸控制。

1.5 基于負(fù)荷判斷的模型辨識(shí)算法

燃煤機(jī)組在正常工作過程中，會(huì)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度不斷改變負(fù)荷，這也代表著NOx 濃度、流場(chǎng)會(huì)隨著負(fù)荷不斷改變。本系統(tǒng)針對(duì)不同機(jī)組的工作情況，提供了一種基于負(fù)荷判斷的模型辨識(shí)算法。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，各個(gè)分區(qū)會(huì)依據(jù)當(dāng)前負(fù)荷的變化方向，在發(fā)生特定變化的負(fù)荷段自動(dòng)進(jìn)行一次閥位變動(dòng)，以達(dá)到更快的控制效果。

1.6 基于稀釋風(fēng)和閥位均值的保護(hù)邏輯

在調(diào)節(jié)過程中，由于閥位的變化對(duì)鍋爐SCR 區(qū)域的稀釋風(fēng)流量會(huì)有較大的影響，為了避免因稀釋風(fēng)過低而產(chǎn)生事故，所有的分區(qū)都會(huì)有一定的開度下限進(jìn)行約束，也有保護(hù)邏輯進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)某個(gè)分區(qū)的閥位低于下限，或者稀釋風(fēng)量低于保護(hù)值時(shí)，該分區(qū)或所有分區(qū)閥門都會(huì)向上打開一定開度，避免控制系統(tǒng)發(fā)生事故。

對(duì)于分區(qū)而言，不均勻度是代表分區(qū)調(diào)節(jié)效果的最好指標(biāo)，公式如下：

其中，n 代表分區(qū)個(gè)數(shù)，xi代表第i 個(gè)分區(qū)的NOx 濃度，代表整個(gè)煙道各個(gè)分區(qū)NOx 濃度的平均值。不均勻度越高，煙道內(nèi)各個(gè)分區(qū)濃度越波動(dòng)。不均勻度越低，煙道內(nèi)各個(gè)分區(qū)越平均。

2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

以某機(jī)組350MW 超臨界燃煤機(jī)組為對(duì)象。采用基于全截面氨逃逸零超標(biāo)的SCR 脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行控制后發(fā)現(xiàn)，整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，與機(jī)組DCS 系統(tǒng)融為一體，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于脫硝系統(tǒng)的控制。

一是采用原位快速測(cè)量?jī)x表代替?zhèn)鹘y(tǒng)直抽法CEMS，目前數(shù)值一致情況下原位法比直抽法CEMS 快90s。二是采用新型煙道取樣裝置，實(shí)現(xiàn)出口全截面的氮氧化物、氧含量、氨逃逸同步測(cè)量，目前已實(shí)現(xiàn)5min 內(nèi)單側(cè)8分區(qū)的全截面測(cè)量。三是總量控制，基于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與快速測(cè)量相融合，出口及外排口雙重反饋的智能控制，實(shí)現(xiàn)耗氨率由項(xiàng)目前的5.23kg/萬kWh 下降到3.77kg/萬kWh。單周最低3.22kg/萬kWh。四是分區(qū)調(diào)平控制，在總量投入穩(wěn)定情況下。根據(jù)入口流速場(chǎng)分布匹配與對(duì)應(yīng)分區(qū)氮氧化物、氧量、氨逃逸相結(jié)合，利用三種穩(wěn)定工況（50%、75%、90%）4～8h 調(diào)整實(shí)現(xiàn)各分區(qū)氨逃逸小時(shí)均值小于3PPM，不均勻度20%以內(nèi)。

表1 某電廠改造前后一個(gè)月單位發(fā)電量耗氨對(duì)比

3 結(jié)語

SCR 脫硝系統(tǒng)，作為燃煤電廠最重要的系統(tǒng)之一，一直以來都是實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化難點(diǎn)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中學(xué)習(xí)了大量國內(nèi)外的經(jīng)典控制思路，并在投入使用后成功實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高了控制效率，節(jié)約了控制成本，解放了人力資源。