劉韜

（浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)測(cè)量與控制策略問(wèn)題分析及優(yōu)化

劉韜

（浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

大型火電機(jī)組的氮氧化物排放已受到多方關(guān)注，分析了SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)存在測(cè)量和控制策略方面的問(wèn)題，根據(jù)SCR脫硝的原理和工藝流程提出了優(yōu)化措施，提高了脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，已取得較好效果。

火電機(jī)組；脫硝；測(cè)量；控制策略

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保戰(zhàn)略的推進(jìn)，火電機(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)也在提高，到2020年前，我國(guó)的燃煤機(jī)組將全面實(shí)施超低排放。目前，主要通過(guò)低氮燃燒和煙氣脫硝相結(jié)合的方式降低煙氣中的氮氧化物含量[1]。低氮燃燒又可分為低氮氧化物燃燒器、低過(guò)量空氣燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)等[2]。煙氣脫硝分為SNCR（選擇性非催化還原技術(shù)）、SCR（選擇性催化還原技術(shù)）及EBA（電子束法）等[3]，其中，SCR因脫硝效率較高而被廣泛應(yīng)用。

在對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研和資料整理的基礎(chǔ)上，從熱控的角度對(duì)脫硝系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，并根據(jù)SCR脫硝的原理和工藝流程從測(cè)量、控制策略等方面提出優(yōu)化措施，以提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 測(cè)量與控制策略問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題的提出

SCR脫硝的基本原理是在催化劑的作用下，將液氨噴入煙氣，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將NOX轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)夂退倪^(guò)程。因此，噴氨量的合適與否是影響整個(gè)脫硝流程效率的關(guān)鍵。噴氨量的計(jì)算，常常受到機(jī)組運(yùn)行工況、周圍環(huán)境、控制策略等多方面的影響，而任一環(huán)節(jié)波動(dòng)造成的誤差對(duì)于最終的控制效果都可能產(chǎn)生較大影響。

為找到影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的原因，對(duì)大型火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了深入分析，并發(fā)現(xiàn)幾個(gè)存在于測(cè)量、控制等環(huán)節(jié)中的普遍性問(wèn)題，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

1.2 測(cè)量回路問(wèn)題

測(cè)量回路是整個(gè)脫硝控制的基礎(chǔ)，通過(guò)各種測(cè)量回路對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表征，并為控制量的計(jì)算提供依據(jù)。測(cè)量信號(hào)的失真將直接造成控制結(jié)果的不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致噴氨量不合適，產(chǎn)生脫硝效率不佳、空預(yù)器堵灰和出口NOX不穩(wěn)定等問(wèn)題。噴氨量的計(jì)算是由煙氣流量、脫硝效率、進(jìn)/出口煙氣NOX含量等參數(shù)計(jì)算得到，其中任一測(cè)量環(huán)節(jié)的誤差都可能影響噴氨量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

（1）SCR進(jìn)、出口煙氣NOX測(cè)量不準(zhǔn)。從目前已投運(yùn)的脫硝系統(tǒng)看，機(jī)組SCR進(jìn)、出口煙氣的分析儀表CEMS除少部份機(jī)組采用多點(diǎn)取樣方式，其余均采用單點(diǎn)取樣方式，測(cè)量信號(hào)無(wú)法真實(shí)、有效反映出所測(cè)煙氣實(shí)際值，極大地影響噴氨自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。

（2）脫硝煙氣流量測(cè)量不準(zhǔn)。脫硝煙氣流量是計(jì)算噴氨總量的重要信號(hào)，其測(cè)量準(zhǔn)確性直接與控制效果相關(guān)。目前煙氣流量的測(cè)量準(zhǔn)確率普遍不高，不能直接用于噴氨量的計(jì)算，在脫硝控制中一般采用煤量和風(fēng)量折算出的煙氣量作為煙氣流量信號(hào)。該方式通過(guò)經(jīng)驗(yàn)將機(jī)組當(dāng)前的煤量和風(fēng)量折算為煙氣流量，在折算過(guò)程中存在誤差，且不體現(xiàn)脫硝反應(yīng)器兩側(cè)的流量偏差，影響噴氨自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性。

（3）分析儀表反吹或校正時(shí)的測(cè)量不準(zhǔn)確。為避免采樣回路堵灰，分析儀表采樣系統(tǒng)每小時(shí)須自行反吹1次，持續(xù)時(shí)間約5 min。在反吹的過(guò)程中，參與噴氨控制的NOX信號(hào)保持吹灰前的值，會(huì)導(dǎo)致噴氨控制不準(zhǔn)確。

（4）氨逃逸測(cè)量失準(zhǔn)。氨逃逸量是脫硝控制的重要指標(biāo)，其雖然不直接參與NOX含量的控制，但氨逃逸量過(guò)高會(huì)產(chǎn)生大量的硫酸氫銨，進(jìn)一步則可能導(dǎo)致空預(yù)器堵塞等問(wèn)題，故需運(yùn)行人員在運(yùn)行過(guò)程中密切關(guān)注該數(shù)值并據(jù)此對(duì)噴氨量進(jìn)行調(diào)整。但目前該信號(hào)的測(cè)量效果不佳，測(cè)量準(zhǔn)確性較差，對(duì)調(diào)整不具有參考價(jià)值。

1.3 控制策略問(wèn)題

控制策略將采集到的信號(hào)依照一定的規(guī)則進(jìn)行處理和計(jì)算，并輸出噴氨量指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口NOX含量的控制。目前脫硝的控制策略一般采用串級(jí)控制方式，主回路是根據(jù)SCR進(jìn)口NOX含量、設(shè)定的脫硝率得出SCR出口NOX的設(shè)定值，SCR出口NOX測(cè)量作為反饋，兩者偏差引入PI控制得到氨、氮摩爾比系數(shù)。副回路是根據(jù)計(jì)算的煙氣流量、SCR進(jìn)口NOX含量、設(shè)定的脫硝率和主回路的PI輸出（氨、氮摩爾比系數(shù)），得出需要的氨量設(shè)定，實(shí)際測(cè)量的液氨流量作為反饋，兩者偏差引入PI控制得到噴氨調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度指令。部份機(jī)組脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后做了一定的優(yōu)化，在氨量設(shè)定值計(jì)算回路中引入了機(jī)組負(fù)荷信號(hào)作為運(yùn)算前饋，以加快回路的響應(yīng)。

串級(jí)控制回路的控制特點(diǎn)是：副回路作為粗調(diào)回路，要求是快速、隨動(dòng)，能夠快速抑制擾動(dòng)；主回路是細(xì)調(diào)回路。在脫硝系統(tǒng)中，副回路的主要擾動(dòng)量是煙氣流量、SCR進(jìn)口NOX含量和主回路的輸出，回路實(shí)際目的是控制出口的NOX，而煙氣流量、SCR進(jìn)口NOX含量對(duì)被控量的影響要快于噴氨對(duì)出口NOX的影響，2個(gè)主要擾動(dòng)量和副回路的控制結(jié)果并沒(méi)有相關(guān)性，其主要取決于煤量、煤種含氮量和煙氣氧含量，因此副回路實(shí)際所起的粗調(diào)作用非常有限。氨量變化引起SCR出口NOX變化有一定滯后（約120 s，不同機(jī)組會(huì)有所差別），而且該過(guò)程還取決于反應(yīng)器催化劑有沒(méi)有反應(yīng)飽和遲滯等因素。同時(shí)，煙氣流量是計(jì)算得出，兩側(cè)SCR煙氣流量偏差無(wú)法體現(xiàn)，低負(fù)荷時(shí)煙氣計(jì)算量偏大，這些問(wèn)題都影響噴氨量的自動(dòng)控制。

2 優(yōu)化建議

2.1 測(cè)量回路優(yōu)化

（1）SCR進(jìn)、出口煙氣NOX測(cè)量不準(zhǔn)：SCR進(jìn)、出口煙氣NOX測(cè)量取樣采用煙道截面多點(diǎn)混合取樣方式，提高測(cè)量信號(hào)有效性。在SCR進(jìn)、出口煙道中布置橫向貫通煙道的多點(diǎn)煙氣取樣管，考慮煙道縱向流場(chǎng)的差異，上、下部各布置1支單獨(dú)取樣管，迎著煙氣流向、結(jié)合脫硝煙氣導(dǎo)流板的布置在取樣管上設(shè)置一定數(shù)量的進(jìn)煙孔，將煙氣引出煙道外混合，混合煙氣于空預(yù)器前回流到煙道。分析儀表的煙氣樣取自煙道外混合后的煙氣。為確保取樣可靠，多點(diǎn)取樣回路須設(shè)計(jì)可靠的空氣吹灰裝置，防止管路堵。

（2）脫硝煙氣流量測(cè)量不準(zhǔn)：為確保SCR脫硝煙氣流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用多點(diǎn)陣列式風(fēng)量測(cè)量裝置，發(fā)煙氣流量信號(hào)參與噴氨自動(dòng)控制。而采用折算方法獲得的煙氣流量信號(hào)僅作為參考值在控制畫面顯示。

（3）分析儀表反吹或校正時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確：為避免分析儀表采樣系統(tǒng)反吹過(guò)程對(duì)噴氨自動(dòng)控制的影響，有條件實(shí)施的機(jī)組可在 SCR進(jìn)、出口煙氣CEMS再加裝1套采樣探頭，2套采樣設(shè)計(jì)切換回路，確保任一路采樣反吹時(shí)，信號(hào)測(cè)量仍然準(zhǔn)確有效；或是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合鍋爐燃料量、煤種、磨煤機(jī)組合方式設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟測(cè)量信號(hào)，系統(tǒng)反吹時(shí)引入軟測(cè)量信號(hào)替代。

（4）氨逃逸測(cè)量失準(zhǔn)：鑒于目前氨逃逸信號(hào)測(cè)量的效果，不宜將氨逃逸信號(hào)引入噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)量效果，可以用作報(bào)警取信；已安裝氨逃逸計(jì)的機(jī)組，應(yīng)積極聯(lián)系廠家從裝置安裝、設(shè)備調(diào)試、校驗(yàn)等方面進(jìn)行有效調(diào)整，提高氨逃逸信號(hào)的真實(shí)性。

2.2 控制策略優(yōu)化

如上所述，在脫硝系統(tǒng)中采用串級(jí)控制模式會(huì)受到脫硝系統(tǒng)分析儀表取樣檢測(cè)的滯后、煙氣流場(chǎng)存在偏差等因素的影響，實(shí)際的控制效果并不理想，宜采用單回路加前饋的控制模式。

該方式以控制脫硝率為目標(biāo)，根據(jù)SCR進(jìn)口NOX含量和脫硝率設(shè)定值得出SCR出口NOX定值。SCR出口NOX測(cè)量值作為反饋，兩者偏差引入控制器；為有效控制氨逃逸量，在滿足環(huán)保排放要求情況下，應(yīng)盡量降低脫硝率的控制定值；引入鍋爐燃料指令和煙氣流量信號(hào)作為前饋信號(hào)，并適當(dāng)加強(qiáng)前饋信號(hào)的作用強(qiáng)度，以克服系統(tǒng)的遲延，適當(dāng)減弱PI控制回路的作用。

同時(shí)，脫硝系統(tǒng)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后由于催化劑活性下降以及低負(fù)荷時(shí)煙溫下降，引起反應(yīng)遲緩，為減少氨逃逸量，控制輸出可設(shè)計(jì)低選回路。低選比較值根據(jù)脫硝初投時(shí)（認(rèn)為催化劑活性最優(yōu)）試驗(yàn)的調(diào)閥開(kāi)度加一定的偏置作為高限，或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)噴氨調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度，在就地設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度高限值（機(jī)械卡位），避免系統(tǒng)異常時(shí)過(guò)量噴氨。

此外，控制回路中的前饋信號(hào)還應(yīng)根據(jù)不同的工況做相應(yīng)的處理。主要包括：

（1）針對(duì)前后墻對(duì)沖燃燒方式的鍋爐，磨煤機(jī)啟停過(guò)程對(duì)爐膛NOX的生成有較大的影響，在前饋回路中引入磨煤機(jī)啟停過(guò)程的超弛作用。

（2）入口NOX含量和絕對(duì)量的變化主要是因鍋爐燃料量的變化引起，針對(duì)不同氧含量定值和爐膛NOX生成特性的差異，前饋回路影響設(shè)計(jì)曲線函數(shù)；鍋爐燃料量的變化會(huì)引起進(jìn)口NOX的變化，存在遲延，前饋信號(hào)設(shè)計(jì)慣性環(huán)節(jié)以匹配噴氨的特性。

（3）機(jī)組RB（輔機(jī)故障減負(fù)荷）工況時(shí)燃料量和配風(fēng)量會(huì)快速下降，設(shè)計(jì)噴氨自動(dòng)RB超弛作用，當(dāng)RB觸發(fā)時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度超弛關(guān)到瞬間開(kāi)度的60%。

2.3 其他優(yōu)化措施

除測(cè)量和控制環(huán)節(jié)外，還針對(duì)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)節(jié)提出以下優(yōu)化措施，幫助運(yùn)行人員對(duì)脫硝系統(tǒng)的狀況進(jìn)行監(jiān)視。

（1）隨著脫硝系統(tǒng)改造的進(jìn)展，各機(jī)組已逐步配置氨逃逸表計(jì)并引入控制系統(tǒng)，根據(jù)正常運(yùn)行是現(xiàn)場(chǎng)氨逃逸信號(hào)的值，設(shè)計(jì)合理的氨逃逸量大和氨逃逸增加過(guò)快的報(bào)警。

（2）由于煤種特性的差異，當(dāng)煤種變化時(shí)，SCR入口的NOX含量會(huì)有較大變化，根據(jù)正常運(yùn)行情況的NOX信號(hào)，設(shè)計(jì)進(jìn)出口NOX偏差小的報(bào)警，以便于煤種變化時(shí)，運(yùn)行能夠適度干預(yù)，減少氨逃逸。

（3）設(shè)計(jì)增加SCR進(jìn)口折算后的NOX濃度高、低的大屏報(bào)警，達(dá)到報(bào)警值后，運(yùn)行人員及時(shí)做好調(diào)整。

（4）加強(qiáng)測(cè)量?jī)x表的維護(hù)和校驗(yàn)，確保氧量、進(jìn)出口NOX、噴氨流量等信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前脫硝系統(tǒng)運(yùn)行存在的普遍性問(wèn)題進(jìn)行了分析，并根據(jù)SCR脫硝原理和工藝流程提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，為機(jī)組脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。本文中的一些優(yōu)化措施目前已在部分機(jī)組上得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。

[1]吳碧君.燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成機(jī)理[J].電力環(huán)境保護(hù)，2003，19（4）:9-12.

[2]趙衛(wèi)星，肖艷云，林親鐵，等.煙氣脫硝技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣東化工，2007，34（5）:59-61.

[3]祝社民，李偉峰，陳英文，等.煙氣脫硝技術(shù)研究新進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2005，27（9）:699-703.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Measurement and Control Strategy for Denitration System of Thermal Power Generating Units and Its Optimization

LIU Tao
（Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China）

NOXemission of large thermal power generating units has been brought into sharp focus.The paper analyzes problems in measurement and control strategy of SCR（selective catalytic reduction）denitration system and presents some optimization and improvement measures in accordance with the principle and technical process of SCR denitration system.With the implementation of the measures，favorable effect has been achieved，and operation reliability of denitration system is improved.

thermal power units；denitration；measurement；control strategy

TK227.1

B

1007-1881（2016）06-0042-03

2016-03-30

劉 韜（1982），男，工程師，從事電力環(huán)保工程管理工作。