馬立閣

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

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環(huán)保技術(shù)

燃煤電站煙氣SCR脫硝控制系統(tǒng)改進(jìn)

馬立閣

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

摘要：介紹了煙氣SCR脫硝工藝及反應(yīng)原理，對(duì)其噴氨控制傳統(tǒng)方案存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了改進(jìn)。工程實(shí)踐證明：改進(jìn)后的串級(jí)-前饋控制方式控制效果良好，既滿足了環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，又降低了電廠脫硝運(yùn)行成本，提高了脫硝控制系統(tǒng)的自動(dòng)投入率。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硝； 分散控制系統(tǒng)； 噴氨流量控制

噴氨流量控制是煙氣SCR脫硝控制系統(tǒng)的主要任務(wù)，其控制品質(zhì)的好壞直接影響到脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效果，影響到電廠環(huán)保指標(biāo)的考核。噴氨不足，會(huì)引起鍋爐排煙中氮氧化物排放質(zhì)量濃度ρ(NOx)超標(biāo)；噴氨過(guò)量，氨逃逸率增大，不僅會(huì)增加脫硝運(yùn)行成本，還會(huì)引起二次污染。噴氨量控制既要滿足ρ(NOx)排放指標(biāo)，又要控制氨逃逸率不超標(biāo)，在脫硝控制的工程實(shí)踐中存在一定難度，因此研究如何準(zhǔn)確控制噴氨量對(duì)電廠SCR脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

由于噴氨流量控制對(duì)象具有大滯后、時(shí)變的特性，以脫硝效率或出口氮氧化物排放質(zhì)量濃度ρ″(NOx)為被控量的單回路控制方式，經(jīng)常存在ρ″(NOx)波動(dòng)大，容易超標(biāo)，氨逃逸率高等問(wèn)題。筆者對(duì)此進(jìn)行原因分析，提出簡(jiǎn)單有效的改進(jìn)方案，改善了系統(tǒng)控制品質(zhì)。

1SCR脫硝技術(shù)工藝及反應(yīng)原理

煙氣SCR脫硝反應(yīng)原理見圖1[1]。

以液氨作為還原劑原料，典型的煙氣SCR脫硝工藝系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：一是還原劑制備系統(tǒng)，即氨區(qū)；另一個(gè)是反應(yīng)塔系統(tǒng)，即SCR反應(yīng)區(qū)。液氨由液氨槽車運(yùn)送，利用液氨卸料壓縮機(jī)將其送入液氨儲(chǔ)罐，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)為氨氣；通過(guò)緩沖罐和輸送管道進(jìn)入SCR區(qū)，經(jīng)過(guò)空氣稀釋混合后，通過(guò)噴霧裝置在SCR反應(yīng)器上方與煙氣充分混合；再通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)觸媒層進(jìn)行還原反應(yīng)，完成脫硝過(guò)程。

SCR原理是將還原劑噴入燃燒產(chǎn)生的原煙氣中，兩者在反應(yīng)器中進(jìn)行充分接觸；在催化劑的作用下，還原劑NH3優(yōu)先選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)，將煙氣中的NOx還原為無(wú)毒的氮?dú)夂退?，其主要反?yīng)式為[2]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

(2)

煙氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO體積約占NOx總體積的95%，NO2體積約占NOx總體積的5%。因此，化學(xué)反應(yīng)式(1)是脫硝反應(yīng)的主要反應(yīng)方程式。

從上面的反應(yīng)過(guò)程及原理來(lái)看，主要影響脫硝反應(yīng)的因素有：反應(yīng)溫度、催化劑的特性、空氣速度、氨氮摩爾比n(NH3)/n(NOx)等。這些影響因素中，在脫硝控制系統(tǒng)中唯一可調(diào)的是氨氮摩爾比，理論上1 mol NH3可以近似處理1 mol的NOx，在工程實(shí)踐中需要根據(jù)環(huán)保要求、設(shè)計(jì)脫硝效率、催化劑實(shí)際運(yùn)行性能來(lái)確定不同的氨氮摩爾比，并根據(jù)煙氣中NOx的脫除總量不斷調(diào)節(jié)噴氨量。

2噴氨流量常用控制方式

SCR噴氨控制有兩個(gè)主要指標(biāo)：一是控制SCR裝置ρ″(NOx)在一定值，滿足環(huán)保排放的標(biāo)準(zhǔn)要求；二是控制氨逃逸率在一定范圍，防止造成二次污染。目前應(yīng)用較多的典型控制方式是ρ″(NOx)定值控制方式和固定摩爾比控制方式。

2.1 出口NOx質(zhì)量濃度定值控制方式

圖2為ρ″(NOx)定值控制原理圖。

由圖2可知，該控制方式是以ρ″(NOx)為被控量的單回路控制方式，ρ″(NOx)設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的偏差經(jīng)過(guò)PID控制器輸出，控制噴氨調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制噴氨流量的多少。此方法的優(yōu)點(diǎn)是控制方案簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，在鍋爐排煙NOx總量穩(wěn)定的情況下可以基本滿足要求。但在負(fù)荷變化、入口NOx質(zhì)量濃度ρ′(NOx)變化等干擾因素的影響下，ρ″(NOx)容易超標(biāo)，氨逃逸也容易過(guò)大，克服干擾的能力較差。

ρ″(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；φ″(O2)為SCR出口O2體積分?jǐn)?shù)，%；ρ(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值，mg/m3。

圖2ρ″(NOx)定值控制原理圖

2.2 固定摩爾比控制方式

固定氨氮摩爾化控制原理見圖3。固定摩爾比方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式。

ρ″(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；F(NH3)為氨氣質(zhì)量流量，kg/h；R為氨氮摩爾比n(NH3)/n(NOx)設(shè)定值；P為機(jī)組負(fù)荷，MW；ρ(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值，mg/m3。

圖3固定氨氮摩爾比控制原理圖

利用固定的氨氮摩爾比R來(lái)控制所需要噴入的氨氣量，SCR反應(yīng)器ρ′(NOx)乘以煙氣流量得到ρ(NOx)信號(hào)，該信號(hào)乘以所需R就是基本氨氣流量信號(hào)。此信號(hào)作為給定值送入PID控制器與實(shí)測(cè)的氨氣的流量信號(hào)比較，由PID控制器經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)控制SCR入口氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開度以調(diào)節(jié)氨氣流量。這種控制方式只考慮了脫硝效率，未考慮ρ″(NOx)的變化，在ρ′(NOx)比較低的情況下容易引起過(guò)度脫氮，不能實(shí)現(xiàn)按需脫硝。

2.3 影響控制效果的主要因素

以上常用的兩種控制方式在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，控制效果不夠理想。影響噴氨流量控制效果的因素主要有以下幾方面：

(1) SCR脫硝被控對(duì)象是一個(gè)大滯后、時(shí)變過(guò)程，常規(guī)單回路控制方法難以滿足系統(tǒng)對(duì)SCR脫硝控制品質(zhì)的要求。滯后環(huán)節(jié)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是從噴氨調(diào)節(jié)閥動(dòng)作到氨氣和煙氣中NOx進(jìn)行催化還原反應(yīng)是一個(gè)大滯后過(guò)程；二是ρ″(NOx)測(cè)量信號(hào)反饋存在較長(zhǎng)時(shí)間的滯后。

(2) 負(fù)荷變化、燃燒狀況變化、ρ′(NOx)變化的擾動(dòng)影響。負(fù)荷或燃燒狀況變化時(shí)，由于燃燒過(guò)程的滯后，ρ″(NOx)不能及時(shí)地發(fā)生變化，控制系統(tǒng)不能及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，對(duì)負(fù)荷等變化響應(yīng)較慢，容易引起ρ″(NOx)排放超標(biāo)。

(3) 噴氨量自發(fā)性擾動(dòng)的影響。氨氣壓力的變化、氨氣溫度的變化、噴氨調(diào)節(jié)閥的故障等因素都會(huì)影響噴氨量變化。

(4) 氨氮摩爾比R=n(NH3)/n(NOx)的影響。氨氮摩爾比與脫硝效率及氨逃逸之間存在一定的關(guān)系[3]，見圖4。

氨氮摩爾比R越大，脫硝效率越高，但同時(shí)氨逃逸率也會(huì)增高。如果NH3不足，會(huì)導(dǎo)致NOx脫除率降低；如果過(guò)量會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率變大，不僅浪費(fèi)，還會(huì)造成二次污染，影響下游設(shè)備。

(5) 煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃的影響。煙

氣分析測(cè)量裝置測(cè)量需要定期吹掃，吹掃過(guò)程中NOx測(cè)量波動(dòng)較大，對(duì)控制系統(tǒng)連續(xù)投入自動(dòng)帶來(lái)一定困難。

從以上分析來(lái)看，SCR氨氣流量控制策略的優(yōu)化需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)ρ″(NOx)反饋存在較長(zhǎng)時(shí)間的滯后問(wèn)題；(2)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化、ρ′(NOx)變化等擾動(dòng)的響應(yīng)問(wèn)題；(3)煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃對(duì)控制的影響問(wèn)題；(4)氨氣逃逸率的控制問(wèn)題等。

3控制方式改進(jìn)

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)常用控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，采用傳統(tǒng)的串級(jí)-前饋控制方式，兼顧脫硝效率和ρ″(NOx)，其控制原理見圖5。

ρ′(NOx)為入口NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；φ′(O2)為SCR入口O2體積分?jǐn)?shù)，%；ρ″(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；φ″(O2)為SCR出口O2體積分?jǐn)?shù)，%；ρ0(NOx)為出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值，mg/m3；P為機(jī)組負(fù)荷，MW；F(NH3)為氨氣質(zhì)量流量，kg/h；p(NH3)為氨氣壓力，kPa；T(NH3)為氨氣溫度，℃。

圖5串級(jí)-前饋控制方式原理圖

串級(jí)-前饋控制方式在以下幾個(gè)方面做了改進(jìn)：

(1) 應(yīng)用串級(jí)PID控制，改善系統(tǒng)的滯后、延遲問(wèn)題。

由于ρ″(NOx)控制存在延遲，而NH3流量的控制滯后小，反應(yīng)快，可提前預(yù)報(bào)ρ″(NOx)的變化。因此構(gòu)成以ρ″(NOx)為主參數(shù)，NH3流量為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。在串級(jí)控制中，副回路的任務(wù)是盡快消除NH3流量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入副回路的各種擾動(dòng)，對(duì)SCR的ρ″(NOx)的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。

(2) 采用基于物料平衡的前饋信號(hào)，改善負(fù)荷變化等擾動(dòng)的響應(yīng)性問(wèn)題。

引入氨基本需求量前饋回路，根據(jù)測(cè)得的機(jī)組負(fù)荷P、ρ′(NOx)、氨氮摩爾比R計(jì)算得出氨氣的基本需求量：

(1)

由于前饋控制是按擾動(dòng)變化的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)作用在擾動(dòng)發(fā)生的同時(shí)產(chǎn)生，而不是等到擾動(dòng)引起被調(diào)量發(fā)生波動(dòng)后才產(chǎn)生。此前饋控制及時(shí)克服了機(jī)組負(fù)荷、ρ′(NOx)的變化等干擾因素的影響，提高了噴氨量控制對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時(shí)性。

(3) 由于脫硝反應(yīng)器催化劑的特性所限，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，也將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，引入ρ″(NOx)的微分信號(hào)作為動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償，通過(guò)副控制回路對(duì)這種波動(dòng)進(jìn)行修正。

(4) 解決煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃帶來(lái)的干擾問(wèn)題。

因?yàn)锳、B側(cè)煙氣的ρ(NOx)相差不大，利用A、B側(cè)煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃校準(zhǔn)不同步，在A側(cè)吹掃時(shí)，可以利用B側(cè)的ρ(NOx)值代替A側(cè)值，為了不帶來(lái)擾動(dòng)，需要進(jìn)行差值疊加。若A、B側(cè)同時(shí)吹掃時(shí)，保持測(cè)量值不變，并保持調(diào)節(jié)器的輸出不變，采用變PID參數(shù)，減弱吹掃時(shí)PID控制器的積分作用，防止因?yàn)榇祾咔翱刂破畹拇嬖冢餚ID控制器的繼續(xù)較大幅度調(diào)節(jié)，一定程度上解決了煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃校準(zhǔn)導(dǎo)致的波動(dòng)。

(5) 氨逃逸率的控制改進(jìn)。

為了控制氨逃逸率不超標(biāo)，此方案加入了氨逃逸率超限時(shí)閉鎖氨流量調(diào)節(jié)器輸出增加的控制措施，限制噴氨流量增加，進(jìn)而控制氨逃逸率進(jìn)一步增大。

(6) 氨氣壓力控制的改進(jìn)。

在負(fù)荷變化時(shí)，為了提高氨氣壓力控制對(duì)負(fù)荷變化干擾的響應(yīng)速度，保證噴氨控制氨氣流量的穩(wěn)定控制要求，在原有的氨氣緩沖罐壓力控制回路中引入了氨氣流量信號(hào)作為前饋信號(hào)，提高了氨氣壓力在負(fù)荷變化時(shí)控制的穩(wěn)定性。

4投運(yùn)效果

改進(jìn)后的串級(jí)-前饋控制方式，在實(shí)際的脫硝改造工程中得到應(yīng)用。以南京某熱電有限公司2臺(tái)330 MW燃煤機(jī)組脫硝改造工程為例，工程采用ABB Symphony Plus DCS控制系統(tǒng)，對(duì)脫硝系統(tǒng)采用集中控制方式，SCR區(qū)控制站納入主機(jī)DCS控制系統(tǒng)，氨區(qū)控制站通過(guò)遠(yuǎn)程I/O方式與主機(jī)DCS連接。

2014年6月17日—18日機(jī)組投運(yùn)后的控制效果見圖6。

在負(fù)荷從271 MW降到232 MW時(shí)，噴氨流量及時(shí)響應(yīng)了負(fù)荷的變化，ρ″(NOx)及氨逃逸率也控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，ρ″(NOx)控制在50 mg/m3左右,氨逃逸率也控制在3×10-6以內(nèi)，滿足環(huán)保排放要求。

5結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)的串級(jí)-前饋控制策略，以ρ″(NOx)為被調(diào)量，以煙氣中的NOx流量為主動(dòng)流量，氨氣流量為從動(dòng)流量，引入基于物料平衡計(jì)算基本氨需求量的前饋信號(hào)，有效地解決了ρ″(NOx)因慣性大反饋延遲、對(duì)負(fù)荷變化等擾動(dòng)響應(yīng)速度慢、煙氣分析測(cè)量裝置定期吹掃干擾等問(wèn)題。改進(jìn)后的控制方式是一種按需脫硝的控制模式，通過(guò)設(shè)定ρ″(NOx)達(dá)到排放要求，相對(duì)固定摩爾比控制方式可以防止過(guò)度脫氮，降低電站脫硝運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙毅. 燃煤電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)的研究[J]. 電力環(huán)境保護(hù)，2009,25(1)：7-9.

[2] 李云濤，鐘秦. 低溫NH3-SCR反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2009,21(6)：95-96.

[3] 劉武標(biāo). 影響火電廠煙氣脫硝效率的主要因素研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2013,39(1)：47-48.

Improvements on Control System for SCR Flue Gas Denitrification of Coal-fired Power Plants

Ma Lige

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：Based on the SCR flue gas denitrification technology and its reaction principle, problems existing in traditional method of SCR ammonia injection control were analyzed, to which improvement measures were proposed and taken. Engineering practices have proved that the improved cascade-feedforward control method has a good control performance. On the premise of environmental protection, the denitrification cost of the power plant is reduced, while the automatic input rate of the control system is improved.

Keywords：flue gas denitrification; distributed control system; ammonia injection flow control

收稿日期：2015-11-04

作者簡(jiǎn)介：馬立閣(1978—)，男，工程師，主要從事電站及工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail: malige@speri.com.cn

中圖分類號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0210-05