許紅彬

(河北衡豐發(fā)電有限責任公司，河北 衡水 053000)

2016-12-20

許紅彬(1970-)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠熱控檢修技術管理工作。

燃煤機組煙氣脫硝系統(tǒng)NOx自動調節(jié)控制分析

許紅彬

(河北衡豐發(fā)電有限責任公司，河北 衡水 053000)

針對燃煤機組脫硝煙氣脫硝系統(tǒng)控制過程噴氨自動常規(guī)PID控制超調量大、系統(tǒng)震蕩等運行中存在的問題，分析脫硝系統(tǒng)噴氨自動調節(jié)效果差原因，提出脫硝系統(tǒng)噴氨自動調節(jié)改進措施，通過實際運行參數(shù)說明，改進措施在系統(tǒng)儀表校驗標定、快速變負荷、啟停制粉系統(tǒng)等工況下，出口NOx濃度均可得到很好的控制。

燃煤機組；脫硝效率；氨逃逸

河北衡豐發(fā)電有限責任公司1-4號機組于2013年進行了低氮燃燒器+脫硝技術脫硝項目改造， 2015年對鍋爐原配套脫硝裝置除保留原有2層催化劑的基礎上，又增加了第3層催化劑。脫硝工藝采用選擇性催化還原法，從鍋爐省煤器來的煙氣，在脫硝反應器入口前的煙道中通過噴氨格柵，與稀釋后的氨氣充分混合后，進入脫硝反應器，鍋爐脫硝入口煙溫在330～420 ℃。經脫硝中的多層催化劑將煙氣中的部分NOx催化還原為N2和H2O后，煙氣進入鍋爐空氣預熱器。之后進入雙吸收塔脫除SO2，然后煙氣進入濕式電除塵器，最后經過煙囪排入大氣。煙氣排放維持煙囪出口NOx含量≤50 mg/m3(標準狀態(tài)下)和氨氣含量(小時均值)≤0.2 P/min。

1 脫硝系統(tǒng)概述

1.1 氨氣制備區(qū)

脫硝裝置采用的還原劑為氨氣，設計有4個儲罐、卸載、蒸發(fā)氨系統(tǒng)(一備一用)，其包括卸氨壓縮機、液氨儲罐、液氨供應泵、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣導灌泵、廢水泵、廢水池等設備。

蒸發(fā)器采用溫度為325 ℃，壓力為0.6 MPa的蒸汽加熱；氨氣(壓力為0.4～0.5 MPa)進入蒸發(fā)器受熱蒸發(fā)到40 ℃，蒸汽進口閥調節(jié)蒸汽量，控制氨氣出口壓力為0.4 MPa左右。氨氣緊急排放系統(tǒng)將氨氣排入稀釋槽中，經水吸收排入廢水池內，通過啟、停廢水泵來控制廢水池液位。

1.2 脫硝反應器

煙氣脫硝裝置的煙道及反應器位于鍋爐省煤器后空氣預熱器前，氨噴射格柵安裝在脫硝反應器煙氣進口(前端)。煙氣在鍋爐出口處被分為2路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的脫硝反應器中，并向下流過均流板、催化劑層，進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、脫硫系統(tǒng)和濕式除塵系統(tǒng)。

1.3 脫硝控制系統(tǒng)

1.3.1 氨區(qū)氨氣出口壓力控制

氨系統(tǒng)投入運行后，通過蒸發(fā)器氨液入口調節(jié)閥控制氨氣出口壓力，為單回路控制。考慮實際變負荷時氨氣流量變化較大，為了維持壓力穩(wěn)定，在控制回路中加入了主蒸汽流量指令信號的前饋作用，以實現(xiàn)優(yōu)先調節(jié)壓力，完善其后的氨流量控制。

1.3.2 氨氣流量和出口NOx濃度控制

脫硝煙氣脫硝控制系統(tǒng)利用NH3/NOx摩爾比提供所需要的氨氣流量，使用煙氣進口NOx濃度和煙氣流量(用主蒸汽流量信號計算)的乘積得到?；镜腘Ox含量，再乘以NH3/NOx摩爾比便可得到氨氣理論量，出口NOx濃度控制對NH3/NOx摩爾比加以修正(對氨氣需求量的修正)并參與控制，最終得到氨氣流量的目標設定值。脫硝控制系統(tǒng)根據(jù)計算得出的氨氣需求量信號通過控制氨氣閥開度，實現(xiàn)脫硝自動控制。

2 脫硝系統(tǒng)運行中存在的問題

脫硝噴氨自動調節(jié)系統(tǒng)自投產以來時常出現(xiàn)跟蹤慢、過調的現(xiàn)象，造成NOx超標、氨逃逸升高、脫硝出口與煙囪排煙NOx偏差大等問題，影響了脫硝系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性以及經濟性。

2.1 脫硝入口NOx與鍋爐效率之間的矛盾

鍋爐低氮燃燒器改造后增加一層OFA。省煤器出口NOx排放量小于1 000 mg/m3(O2=6%)、飛灰含碳量小于2.0%。在運行中鍋爐機械不完全燃燒熱損失與脫硝效率存在矛盾。如果燃燒器區(qū)域二次風量小，省煤器出口NOx排放量可以控制，但是飛灰含碳量較高，最高時達到3.6%。反之，省煤器出口NOx排放量將升高。另外，上層的燃燒器每增投運一只，省煤器入口NOx排放量大約增加40 mg/m3。

2.2 噴氨自動調節(jié)效果差

DCS自動控制在入爐煤摻配不均勻時自動控制反應較差。從自動趨勢來看，噴氨調門自動略滯后于NOx值變化，這就造成脫硝出口NOx值短時過高。噴氨調門自動變化更大，有時甚至關至0%，其后果就是脫硝出口NOx值嚴重超出設計值。而脫硝出口NOx值過高時，噴氨調門自動又會大幅開因噴氨自動調節(jié)的噴氨理論值計算根據(jù)反應器入口的工況，存在一定的不及時性、調門特性存在一定的死區(qū)、脫硝脫硝反應過程所需一定的時間等原因造成的延時滯后。采用常規(guī)PID的控制策略多應用在較小延遲的慣性系統(tǒng)上具有較好的控制效果，但脫硝系統(tǒng)氨氣與氮氧化物的化學反應屬于典型的純延遲大慣性系統(tǒng)且外擾因素太多，因此，在實際應用中采用這種控制策略容易造成超調過調、系統(tǒng)震蕩，造成環(huán)保數(shù)據(jù)超標或氨逃逸過量。

2.3 鍋爐脫硝出口NOx與脫硫進口NOx存在偏差

脫硝裝置在設計階段雖然安裝了導流板，進行煙氣流場優(yōu)化，但由于調試階段對噴氨格柵調整不均勻。在鍋爐實際運行中脫硫進口NOx值、氧量值與脫硝出口NOx值、氧量值存在偏差。發(fā)現(xiàn)脫硝出口NOx值與煙囪排煙NOx偏差較大±20 mg/m3。原設計脫硝進、出口脫硝采樣探頭取樣代表性較差，為了掌握脫硝反應器進、出口NOx濃度分布情況，通過網格法進行試驗，脫硝反應器入口NOx濃度分布比較均勻，偏差較小。脫硝反應器出口NOx濃度分布均勻性較差，出口NOx濃度延寬度和深度方向有較大變化，且局部存在NOx濃度較低的點。出口濃度分布均勻性差，除了煙氣流場不穩(wěn)定外，噴氨的不均勻性是主要原因。 為了解決這一問題，通過采用插入式的旁路取樣管方式實現(xiàn)多點取樣，以求在一定程度上保證煙氣的混合均勻，提高代表性，保證了脫硝出口NOx與煙囪排煙NOx趨勢的一致性。

2.4 脫硝出口氨逃逸率大幅跳變、準確性差

煙氣中含有大量的灰塵，灰塵對近紅外激光產生發(fā)射、漫射和吸收效應，在如此高濃度煙塵中，發(fā)射單元發(fā)出的激光達到接受單元時光強較大，氨逃逸測量值忽大忽小。

脫硝出口安裝氨逃逸裝置以來，氨逃逸分析儀透光率在30%～70%，測量正常(正常透光率在10%～85%)，測量波動比較大，經過幾次調試測量正常后，不久又會出現(xiàn)透光率低、測值波動現(xiàn)象。經分析原因有：日常維護只調整發(fā)射端方向，若接收端探頭松動，通過調整發(fā)射端當時能調試正常，時間久后依然會再次波動偏差；爐膛內氣流分布不均或者噴氨不均勻和日常爐膛內吹灰導致測量值波動。

3 脫硝系統(tǒng)噴氨自動調節(jié)效果差原因

脫硝入口NOx影響因素很多，整個控制過程擾動量較多，控制的關鍵點在于將影響入口NOx的各個因素量化，提前準確的預測入口NOx濃度，進而解決測量信號大遲延的問題。

3.1 脫硝噴氨量控制系統(tǒng)

在保證探頭、氣纜、分析儀表等測量環(huán)節(jié)均運行正常情況下，對于A、B側出入口NOx，在就地探頭處將至CEMS小間的取樣氣纜管拔掉，反映至DCS數(shù)值變化情況表明測量出入口NOx濃度存在較大的遲延：對于A、B側的出口NOx，純遲延時間約150 s，慣性時間約180 s；對于A、B側的入口NOx，純遲延時間約160 s，慣性時間約190 s。

3.2 脫硝噴氨量控制系統(tǒng)

由于受脫硝反應器催化劑特性的復雜影響，即使在鍋爐負荷已確定的條件下，出口NOx濃度也會有較大波動。噴氨量控制系統(tǒng)屬于非線性的控制系統(tǒng)。因此，簡單的單回路PID控制策略已難于滿足現(xiàn)場需求，從系統(tǒng)中找出可以提前反映入口NOx變化的前饋量來提前控制噴氨調門的開度，使整個控制過程及時、穩(wěn)定和經濟，顯得至關重要。

3.3 脫硝入口NOx波動大

3.3.1 負荷對入口NOx濃度影響

對于投入ADS機組而言，當鍋爐負荷增加時，由于燃料量與風量變化不協(xié)調，由過量空氣系數(shù)減小抑制了燃料型NOx生成。但是，隨著鍋爐燃煤量的增加，爐膛溫度升高增加了熱力型入口NOx的生成。因此，入口NOx濃度變化與機組負荷變化密切相關，且負荷變化越快，入口NOx濃度變化也越劇烈。

3.3.2 二次風配風對入口NOx濃度影響

將上、中、下三層二次風門開度減小，會降低主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，增加燃盡風，實現(xiàn)了爐內軸向空氣分級燃燒，此時，入口NOx濃度呈下降趨勢。

3.3.3 OFA燃盡風對入口NOx濃度影響

實際運行經驗表明，在二次風總風量不變情況下，當OFA燃盡風風門開度增大時，主燃區(qū)氧氣濃度會降低，此時，入口NOx濃度呈下降趨勢。

3.3.4 啟停制粉系統(tǒng)對入口NOx影響

在快速升負荷或高負荷啟動制粉系統(tǒng)時會造成反應區(qū)入口煙氣溫度偏高，雖然脫硝催化劑的活性增強。但是，溫度升高使得NH3和O2的反應加劇，會導致煙氣中NOx增加；低負荷或停運一套風機時會造成入口煙氣溫度偏低，所以啟停制粉系統(tǒng)會對入口NOx濃度造成一定波動。

3.3.5 爐膛氧量對入口NOx影響

機組負荷不變情況下，隨著氧量增加，燃燒效果增強，火焰溫度升高，此時，熱力型NOx生成量增多，脫硝入口NOx濃度呈上升趨勢；但是當氧量增加到一定程度時，鍋爐的送風量過大，又造成火焰溫度降低，減少了熱力型NOx生成量。所以，爐膛氧量波動較大時，入口NOx濃度波動也較大。從DCS歷史曲線觀察得出，插入式爐膛氧量的變化先于入口NOx變化將近2分鐘時間。所以采用插入式氧量信號來預測入口NOx濃度是合適的。

3.4 噴氨流量計采用質量流量計不準確

冬季溫度低測量一直不準確，主要現(xiàn)象是測量值忽大忽小，經常堵塞0，噴氨流量幾乎失去監(jiān)視。打開旁路清理后不能準確指示24 h。

3.5 CEMS儀表標定的問題

CEMS儀表標定時間長達10 min，標定期間脫硝入口NOx參數(shù)每分鐘波動200～300 mg/m3。

3.6 煙道直管道短

由于煙道直管道短，煙氣流量波動大不能參與自調，用負荷替代煙氣流量無法準確代表左、右兩側煙氣流量，主要影響因素有兩側空預器堵塞情況、引風機喘振或出力不均(包含兩側調節(jié)擋板變化速率不同)。

4 脫硝系統(tǒng)噴氨自動調節(jié)改進措施

針對脫硝出口NOx控制的重要性及機組脫硝噴氨控制現(xiàn)場存在的問題，分析了脫硝噴氨控制系統(tǒng)控制對象的特性及入口NOx的主要影響因素。選取合適的前饋信號對入口NOx進行預測并進行提前控制，解決了出入口NOx等測量信號存在大遲延難于控制的問題。通過帶前饋的PID串級控制策略。

將參與控制的控制量如出口氮氧化物設定值、噴氨量、調門開度反饋、脫硝進出口氮氧化物濃度、給煤機煤量、機組負荷、總風量等實時運行參數(shù)通過DCS系統(tǒng)對噴氨調閥進行控制，以此實現(xiàn)脫硝噴氨的自動控制。單從供氨調閥的自動回路優(yōu)化效果不佳。考慮從協(xié)調控制入手，降低脫硝反應器入口NOx含量的突變。為減少AGC方式下，小負荷段工況下燃料量頻繁加減造成入口NOx的波動，負荷變動在20 MW以內協(xié)調控制回路中取消負荷變化前饋參數(shù)。汽機主控側：將汽機控制負荷回路減弱；將控制汽壓的回路加強；并延長汽機慣性時間。適當加強鍋爐主控，消除負荷變動時的汽壓偏差，以適當提高負荷響應速度，減少汽機主控負荷變動的影響。

結合現(xiàn)場分析得出的入口NOx濃度的主要影響因素，主回路以出口NOx為被調量，給定值為噴氨調整門操作器的設定值。副回路控制的為氨氣流量，給定值為主調輸出+前饋信號。

4.1 煙氣流量修正

由于煙道直管道短不滿足安裝煙氣流量計。目前用單側引風機電流與左、右兩側引風機電流和之比與主蒸汽流量生成的函數(shù)得出，此函數(shù)由不同負荷時氨氣流量、出口和入口NOx計算得出。

4.2 出口、入口NOx標定情況處理

現(xiàn)場最初設計出口、入口NOx自動標定間隔為2 h，運行一段時間后，造成CEMS分析儀表分析出的出口、入口NOx數(shù)值波動頻繁，使得出口NOx濃度多次出現(xiàn)超標現(xiàn)象且波動較大。為解決測量回路各環(huán)節(jié)擾動的問題，將出口、入口NOx吹掃間隔修改為4 h。由于每次吹掃時數(shù)據(jù)保持10 min不變,須采取合適的策略來保證吹掃時出口NOx控制的及時性，在出口NOx標定吹掃時主調輸出跟蹤脫硫側NOx調節(jié)。在入口NOx標定吹掃時采用對側數(shù)值調節(jié)。之前我們已將脫硝出口NOx與脫硫靜煙NOx標定和脫硝入口左、右兩側NOx標定時間錯開。對反應器出口NOx控制PID進行變參數(shù)控制：在收到反吹、標定等需要自保持的信號時，將PID控制器的參數(shù)切換到較弱的一路。

由于控制回路為帶有前饋的串級調節(jié)，即使在吹掃時入口NOx變化較大，各前饋信號的作用也可以實現(xiàn)噴氨調門的正確動作，從而克服出口NOx吹掃對系統(tǒng)的擾動。

4.3 噴氨流量的準確性

氨母管在經過流量計時，由于管徑的變化，造成流量計易堵塞，造成測量偏差大，甚至無法測量的情況，做如下工作：在實際氨流量頻繁堵塞無法測量時，使用氨調門開度和氨母管壓力建立模擬噴氨流量控制邏輯。為盡量減少流量計的堵塞可能性，在流量計前加濾網，并定期清理；增加調門及流量計旁路，定期校驗流量計；冬季時氨氣管路增加一段至鍋爐外部煙道加熱，其中氨氣管道安裝旁路閥門，保證氨氣出口溫度可調，對后部閥門、流量計運行無影響。

4.4 主回路被調量的修正

判斷出口NOx實測值與出口NOx設定值的偏差的變化方向及變化速度，當偏差較大超過某一值且偏差變化速度較快時，主調變積分時間運行，加快調整速度。

由于從氨的噴入到出口NOx下降CEMS系統(tǒng)儀表反應需要2 min左右的時間，為了加快對出口NOx的控制，在主回路被調量處，加入出口NOx的微分作用(即出口NOx變化率信號)，提前對出口NOx進行控制。即主調的被調量實際為：出口NOx+出口NOx的微分，起到了部分超前調節(jié)的作用。

4.5 影響入口NOx前饋信號

為了達到更好的控制效果，需要選取前饋量提前反應入口NOx濃度的變化。所以，入口NOx濃度的預測值整定至關重要。

4.5.1 啟停制粉系統(tǒng)時對入口NOx影響值的預測

在啟停制粉系統(tǒng)時，入口NOx波動較大。選取四臺排粉機的運行信號，把排粉機電流變化轉化為氨流量理論值提前增加或減少一定的數(shù)值來預測入口NOx的變化。

4.5.2 煙氣流量變化對入口NOx值的預測

爐膛燃燒區(qū)風量的增大會增加入口NOx的生成；燃盡區(qū)風量的增大會減小入口NOx的生成。

4.5.3 氧量前饋對入口NOx值的預測

當判斷氧量變化率較大時，提前噴氨或者減氨。由于氧量的超前(近2 min時間)，可以提前克服入口NOx大副度變化時引起的出口NOx超標。

4.5.4 出口NOx前饋對入口NOx值的預測

當判斷出口NOx低于50,但是出口NOx的變化率很快，提前噴氨，直接加大噴氨調整門的開度，防止出口NOx的超標。

4.5.5 增大AGC指令頻繁變化死區(qū)

AGC指令變化頻繁將導致脫硝出口NOx濃度反復波動，若控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制策略，因反饋調節(jié)作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩，使控制品質明顯變差。

模糊控制系統(tǒng)根據(jù)機組AGC指令變化，實時預測NOx濃度波動規(guī)律，調整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，減少不必要的控制調節(jié)，氨氣消耗明顯減少。

需要注意的是，要觀察曲線，整定各前饋信號的權重，充分發(fā)揮各超前信號的作用(各前饋信號起作用的時間不一致)，避免信號整定不好出現(xiàn)相互抵消現(xiàn)象。

5 改進效果

5.1 變負荷時的噴氨量控制

升負荷噴氨量控制各參數(shù)曲線見圖1。

圖1 升負荷噴氨量控制各參數(shù)曲線

從圖1可知，當機組負荷從210 MW(16∶30)升至251 MW(16∶36)時，入口NOx從741 mg/m3升至892 mg/m3，出口NOx一直在設定值(30 mg/m3)附近波動，最高至42 mg/m3，可見在機組升負荷工況下出口NOx控制穩(wěn)定。

5.2 排粉機啟動時出口NOx的控制效果

啟動制粉系統(tǒng)時噴氨量控制各參數(shù)曲線見圖2。當排粉機啟動時， 入口NOx從512 mg/m3(10∶14)升至693 mg/m3(10∶15)，氨調門比入口變化提前3 min動作，出口NOx一直在設定值(30 mg/m3)附近波動，最高至46 mg/m3，可見在機組啟停制粉系統(tǒng)工況下出口NOx控制穩(wěn)定。

圖2 啟動制粉系統(tǒng)時噴氨量控制各參數(shù)曲線

由機組變負荷、啟停制粉系統(tǒng)、CEMS儀表標定時噴氨量控制各參數(shù)曲線圖可知，利用各主要影響因素對入口NOx濃度值進行提前預測，并將其作為前饋量作用于控制回路的串級PID控制策略，有效的解決了測量信號存在大遲延的問題，更加及時準確提供最優(yōu)噴氨量。

6 結束語

脫硝脫硝噴氨系統(tǒng)控制策略充分考慮機組負荷變化、磨啟停、儀表標定等外部影響因素，通過爐膛插入式氧量對入口NOx的預測，解決了控制過程非線性、大遲延的問題。實際運行參數(shù)說明，在系統(tǒng)儀表校驗標定、快速變負荷、啟停制粉系統(tǒng)等工況下，出口NOx濃度均可得到很好的控制。降低了運行人員的勞動強度，解決了噴氨自動常規(guī)PID控制超調量大、系統(tǒng)震蕩的難題。也解決了脫硝系統(tǒng)過量噴氨的問題，每天可節(jié)約液氨1 t左右，同時減輕了空預器堵塞情況。

[1] 王 飛, 600 MW機組煙氣脫硝工程方案選擇及設計優(yōu)化[D]. 保定：華北電力大學,2013.

[2] 趙 乾.脫硝煙氣脫硝系統(tǒng)模擬優(yōu)化及噴氨量最優(yōu)控制[D].重慶：重慶大學,2012.

Coal-fired Boiler Flue Gas SCR NOxAdjustment Control Analysis

Xu Hongbin

(Hebei Hengfeng Power Co.,Ltd.,Hengshui 053000,China)

Aiming at prolems during the control process of SCR flue gas NOxin coal-fired boiler,this paper analyzes the causes,and introduces the improvement measures, through actual operation parameter,the measures can control the outllet NOxconcentration on the calibration of system meter,load exchange,start-stop of milling system.

coal-fired boiler;denitration efficiency;ammonia

TM76

B

1001-9898(2017)05-0055-04

本文責任編輯：丁 力