基于脫硝系統(tǒng)改造的自動(dòng)化優(yōu)化分析

摘要：某電廠脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR脫硝裝置），原吸收劑為純氨?，F(xiàn)實(shí)施液氨改尿素項(xiàng)目，改為SCR聯(lián)合脫硝工藝，還原劑為尿素水解氨。通過對(duì)改造完成后的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行建模，針對(duì)脫硝系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)效果有影響的因素進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)回路，使脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨，保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：300 MW機(jī)組；脫硝控制；NOx預(yù)測分析

中圖分類號(hào)：X773；TP273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）03-0060-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.016

0" " 引言

某電廠建設(shè)規(guī)模2×300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，采用一次再熱、雙缸雙排汽、直接空冷、抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)，配2×1 065 t/h國產(chǎn)亞臨界、四角切圓燃燒、一次中間再熱、固態(tài)排渣爐。脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR脫硝裝置），原吸收劑為純氨，在設(shè)計(jì)煤種及校核煤種、鍋爐最大工況（BMCR）、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于92%；催化劑3層布置，氨的逃逸率≤3×10-6，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率lt;1%；脫硝出口NOx折算值濃度lt;30 mg/Nm3。

本期工程規(guī)模：建設(shè)2×300 MW液氨改尿素項(xiàng)目，其中本工程智能噴氨及噴氨優(yōu)化系統(tǒng)所涉及的機(jī)組為1號(hào)機(jī)組，脫硝采用SCR聯(lián)合脫硝工藝，尿素水解氨作為脫硝還原劑，NOx排放濃度lt;30 mg/Nm3（標(biāo)態(tài)，干基，基準(zhǔn)氧含量6%）。

脫硝系統(tǒng)為本身明顯具備時(shí)滯性及很大慣性的自動(dòng)化調(diào)節(jié)對(duì)象，在機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤質(zhì)、煤量、氧量變化及變負(fù)荷過程中出現(xiàn)的啟停磨，尿素水解氨中尿素含量和供汽壓力的不穩(wěn)定，甚至調(diào)閥不同開度區(qū)間調(diào)閥線性的差異，都會(huì)對(duì)脫硝系統(tǒng)投入自動(dòng)化控制造成非常大的影響。

1" " 脫硝系統(tǒng)自動(dòng)化優(yōu)化中的影響因素

1.1" " 脫硝系統(tǒng)應(yīng)用氨氮摩爾系數(shù)前饋替代傳統(tǒng)PID進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)

因?yàn)槊撓跸到y(tǒng)本身明顯具備時(shí)滯性及很大慣性的特性，運(yùn)行人員在手動(dòng)調(diào)節(jié)過程中只能依靠“壓低”調(diào)節(jié)使氨過量供給，這樣才能使凈煙氣的NOx含量不超標(biāo)，但這會(huì)造成水解氨在空預(yù)器中的過量剩余，導(dǎo)致煙氣中的硫化物與氨氣反應(yīng)，在空預(yù)器中合成具備黏性和不易清理的硫酸氫銨，造成空預(yù)器堵塞[1]。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能依靠被調(diào)量（凈煙氣或SCR反應(yīng)器出口）的NOx目標(biāo)值與設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。但基于脫硝系統(tǒng)本身的時(shí)變性及滯后性，傳統(tǒng)PID控制方案這種依靠NOx目標(biāo)值和設(shè)定值偏差來指導(dǎo)噴氨調(diào)閥開度的優(yōu)化措施會(huì)有很大的延遲，導(dǎo)致變負(fù)荷工況下或機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)如有其他因素對(duì)機(jī)組平穩(wěn)燃燒造成巨大影響，則SCR出口的NOx將發(fā)生劇烈波動(dòng)，從而造成環(huán)保對(duì)電廠的考核[2]。

基于傳統(tǒng)方案的劣勢，針對(duì)機(jī)組變負(fù)荷及不平穩(wěn)燃燒的工況設(shè)計(jì)了氨氮摩爾比系數(shù)方案，此方案的核心是對(duì)不同負(fù)荷段的不同煙氣量中NOx含量及濃度進(jìn)行計(jì)算，建立針對(duì)各個(gè)不同負(fù)荷段的入口NOx含量的氨氮摩爾系數(shù)，在不同負(fù)荷下針對(duì)不同的入口NOx計(jì)算噴氨量。這樣可以及時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行工況，弱化PID的作用，使PID控制器的輸出量僅作為被調(diào)量的修正量。圖1為氨氮摩爾系數(shù)邏輯SAMA圖。

1.2" " 機(jī)組運(yùn)行中氧量對(duì)NOx的影響及針對(duì)性優(yōu)化

爐膛內(nèi)的氧量對(duì)NOx的生成有非常大的影響，在穩(wěn)態(tài)燃燒過程中，運(yùn)行人員可能會(huì)因?yàn)椴煌蛩貙?duì)爐膛進(jìn)行加風(fēng)或減風(fēng)，或者煤量等其他因素的波動(dòng)也會(huì)造成氧量變化。而氧量的增加會(huì)使燃燒更加充分，導(dǎo)致燃燒溫度升高，NOx的含量與燃燒溫度關(guān)系密切，溫度越高，氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）越容易反應(yīng)生成NO和NO2。這種反應(yīng)稱為熱力學(xué)NOx生成，因?yàn)楦哐趿客殡S著高溫，而高溫又會(huì)導(dǎo)致NOx含量的劇烈提升，燃料中的氮化合物（如氨或氨基化合物）在高氧條件下也會(huì)更容易轉(zhuǎn)化為NOx。但是爐膛氧量提升后NOx到出口還有一定的時(shí)間。

針對(duì)此種情況設(shè)計(jì)了氧量前饋，在氧量升高時(shí)，前饋會(huì)針對(duì)氧量升高幅度對(duì)噴氨量進(jìn)行預(yù)測調(diào)整。即針對(duì)爐膛氧量的變化對(duì)入口的NOx進(jìn)行預(yù)測并給出提前量，使被調(diào)量的變化趨勢更加平穩(wěn)。

1.3" " 啟停磨對(duì)NOx的影響及針對(duì)性優(yōu)化

在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，啟停磨會(huì)對(duì)入口NOx造成劇烈影響，導(dǎo)致被調(diào)量的劇烈波動(dòng)，而啟停磨又是運(yùn)行人員針對(duì)運(yùn)行工況的操作，DCS系統(tǒng)并不能對(duì)啟停磨操作進(jìn)行提前預(yù)測。啟磨過程中，運(yùn)行人員先用一次風(fēng)進(jìn)行暖磨，會(huì)導(dǎo)致爐膛氧量提升[3]，空氣系數(shù)（O2量）的變化也會(huì)影響NOx的生成。當(dāng)鍋爐氧量增加時(shí)，NOx濃度呈現(xiàn)正向變化趨勢。這是因?yàn)槿剂现械牡衔锱c大量的O2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的燃料型NOx。停磨時(shí)，因?yàn)槟ッ簷C(jī)停止運(yùn)行，造成爐膛內(nèi)燃燒的煤粉量減少，這樣會(huì)對(duì)燃燒的效率和特性造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致煙氣中的NOx含量升高。首先，停磨后，因?yàn)槿剂狭康臏p少，爐膛內(nèi)的燃燒氧量會(huì)相對(duì)增高，進(jìn)而造成燃燒的局部升溫，熱力型NOx會(huì)在此種環(huán)境中急劇增加。其次，當(dāng)一臺(tái)磨煤機(jī)停止后，某些區(qū)域的氧氣和燃料濃度比會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致局部生成更多的燃料型NOx。另外，在磨煤機(jī)停運(yùn)的情況下，運(yùn)行人員可能會(huì)調(diào)整燃燒器的配風(fēng)，以保持爐膛內(nèi)的燃燒穩(wěn)定性。這種調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致更多的空氣進(jìn)入燃燒區(qū)域，提高燃燒溫度或提供更多的氧氣，從而促進(jìn)NOx的生成。因此，啟停磨對(duì)機(jī)組NOx的影響非常大，應(yīng)基于磨煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)判斷是否在啟停磨。

本方案用計(jì)數(shù)塊對(duì)磨煤機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在啟停磨時(shí)進(jìn)行前饋預(yù)測，針對(duì)NOx含量提前進(jìn)行噴氨閥門的調(diào)整，從而使被調(diào)量（出口NOx或凈煙氣NOx）趨勢更加平穩(wěn)。

2" " 應(yīng)用上述針對(duì)性措施后效果展示

1）應(yīng)用氨氮摩爾系數(shù)后，在變負(fù)荷及工況突然變化情況下不同負(fù)荷段被調(diào)量的曲線如圖2所示，可以看出被調(diào)量的變化始終在驗(yàn)收規(guī)程允許的范圍內(nèi)，且對(duì)NOx含量的突然變化，此方案能及時(shí)響應(yīng)，并將被調(diào)量調(diào)至穩(wěn)態(tài)。此方案相較傳統(tǒng)PID控制方案對(duì)脫硝系統(tǒng)的調(diào)試更為合適。

2）應(yīng)用氧量前饋后，在機(jī)組變負(fù)荷及非穩(wěn)態(tài)工況下，被調(diào)量曲線趨勢更加平穩(wěn)。在氧量變化時(shí)，氧量預(yù)測前饋可以提前預(yù)測入口NOx變化趨勢，并使噴氨調(diào)閥提前動(dòng)作，使被調(diào)量曲線無大幅波動(dòng)。圖3為應(yīng)用氧量前饋前凈煙氣NOx折算值波動(dòng)趨勢，圖4為應(yīng)用氧量前饋后凈煙氣NOx折算值波動(dòng)趨勢。

3）應(yīng)用啟停磨前饋后，機(jī)組大幅升降負(fù)荷期間，凈煙氣NOx含量一直滿足環(huán)保要求。圖5為啟停磨擾動(dòng)情況，圖6為應(yīng)用前饋后被調(diào)量趨勢。

3" " 結(jié)束語

根據(jù)優(yōu)化前后曲線對(duì)比可以明顯得出，氧量和啟停磨對(duì)機(jī)組脫硝自動(dòng)化調(diào)節(jié)影響非常大，而脫硝系統(tǒng)又是一個(gè)具有時(shí)變性和滯后性的系統(tǒng)，在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的如今，運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)采用盡量壓低多噴的方法，會(huì)生成硫氫化合物粘附在空預(yù)器上，影響空預(yù)器壽命。而本文所用方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硝系統(tǒng)入口NOx含量的精準(zhǔn)預(yù)測，針對(duì)啟停磨及機(jī)組工況變化進(jìn)行提前噴氨，有效降低出口NOx含量的波動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組全負(fù)荷段100%自動(dòng)化投入，且調(diào)節(jié)效果良好，從而減輕了運(yùn)行人員操作負(fù)擔(dān)，維護(hù)了機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 樊泉桂.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 陳皓煒，賈新春，孫小明，等.SCR脫硝系統(tǒng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)復(fù)合串級(jí)控制[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2022，42（5）：421-428.

[3] 葉濤.熱力發(fā)電廠[M].4版.北京：中國電力出版社，2012.

收稿日期：2024-10-28

作者簡介：劉俊良（1997—），男，河南人，工程師，研究方向：機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行。

高正東（1986—），男，甘肅人，工程師，研究方向：機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行。