脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

薛姍姍，王 鎮(zhèn)，周 爽，于智新

（華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204）

脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

薛姍姍，王 鎮(zhèn)，周 爽，于智新

（華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204）

介紹華電濰坊發(fā)電有限公司2×670 MW機組脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)，分析噴氨自動控制系統(tǒng)存在的問題，通過對噴氨自動控制方式和系統(tǒng)設備的改進，采用PID控制加入前饋、動態(tài)調整噴氨調門開度等方式，實時調控噴氨量，有效控制氮氧化物排放，確保脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

脫硝系統(tǒng)；自動調節(jié)；PID控制；過程優(yōu)化

0 引言

隨著我國環(huán)保要求的逐漸提高，火電超低排放工作進展迅速。各大型燃煤火電企業(yè)對鍋爐進行脫硫、脫硝、除塵裝置的建設和改造，脫硫脫硝技術工藝逐漸成熟，但仍有大量問題存在。

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》［1］規(guī)定東部地區(qū)新建煤電機組大氣污染排放基本達到超低排放限值——煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于 10 mg／m3、35 mg／m3、50 mg／m3， 相較之前的NOx排放濃度不高于100 mg／m3提出了更高要求。沿用以往的脫硝技術，已明顯不能滿足更加嚴格的煙氣出口氮氧化物的排放標準，燃煤機組煙氣脫硝系統(tǒng)亟待優(yōu)化提高。

1 SCR系統(tǒng)現(xiàn)狀

燃煤企業(yè)大都采用選擇性催化還原工藝SCR（Selective Catalytic Reduction）。 將氨類（NH3）還原劑噴入煙氣中，與稀釋風在混合器中稀釋后進入反應器，利用催化劑（鐵、釩、鉻、鈷或鉬等金屬）在溫度200～450℃時將煙氣中的 NOx轉化為氮氣（N2）和水（H2O），達到除去氮氧化物的目的［2］，如圖 1 所示。

圖1 SCR系統(tǒng)工作原理

主要反應方程式為

脫硝系統(tǒng)運行關鍵的動態(tài)參數(shù)為氨氣的噴入量，即噴氨量，根據(jù)脫硝出口氮氧化物濃度及要求的脫硝效率，在動態(tài)下找到最佳噴氨量，實時調整噴氨調節(jié)門的開度，確保煙氣脫硝效率，增強脫硝系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性以及經(jīng)濟性。

噴氨調節(jié)門的開度不合理，噴氨量少造成脫硝效率過低，出口氮氧化物排放超標；噴入過多氨氣不但增加脫硝運行成本，還會造成氨逃逸（氨逃逸率小于 3 μL／L）［3］， 未參加化學反應的氨氣與煙氣中的SO2反應生成硫酸氫氨，附著于催化劑或者飛灰從反應器的出口被帶入下游的空氣預熱器換熱面上方，造成催化劑失效、空預器堵塞，還會引起尾部煙道積灰。

在脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)中，由煙氣連續(xù)監(jiān)測裝置測量得到反應器出口的一氧化氮濃度，通過換算和修正后得到用于實際計算和控制中所需NOx濃度。經(jīng)脫硝DCS系統(tǒng)計算比較NOx濃度變化情況后，發(fā)出噴氨自動調節(jié)門開度指令控制噴氨量，從而保證設計的脫硝效率。

超低排放施行后，煙氣出口氮氧化物排放濃度指標由 100 mg／m3降低到 50 mg／m3［4］，為達到環(huán)保要求，進一步提出將脫硝出口NOx濃度嚴格控制在80%排放標準線以下的要求。

機組脫銷系統(tǒng)2013年投運，采用脫硝效率調節(jié)方式，根據(jù)設定及實際脫硝效率實時調整噴氨調節(jié)門開度控制噴氨量，確保達標排放。此種方式易于調試和整定，工況穩(wěn)定的時滿足SCR反應器要求；機組負荷波動大、工況調整頻繁時，出入口氮氧化物將大幅變化，瞬時超標現(xiàn)象嚴重，調節(jié)系統(tǒng)失去作用。此時采用手動控制調節(jié)門開度的方式運行，完全依賴于運行人員的經(jīng)驗，環(huán)保達標和經(jīng)濟性很難平衡，運行人員調整不及時將造成出口NOx值超高越線，各種不確定因素的存在給系統(tǒng)的正常運行造成了隱患。

2 脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化

在新的控制邏輯中，對CEMS吹掃、PID調節(jié)、手動控制方面做了調整，如圖2所示。

CEMS實時測量所得SCR入口NO濃度轉換為SCR入口NOx濃度，與煙氣流量作為前饋信號，經(jīng)判斷是否處于手動、吹掃狀態(tài)，無特殊狀態(tài)下進入PID調節(jié)方式。PID控制器將設定值（出口NOx濃度）和測量值（CEMS測得的實際出口NOx濃度）的偏差生成噴氨調節(jié)門指令，實時調整調節(jié)門的開度，實現(xiàn)控制脫硝出口NOx濃度的目的。

圖2 出口NOx濃度調節(jié)方式框圖

2.1 CEMS采集及NO濃度與NOx濃度的轉換

煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）是由采樣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成的監(jiān)測體系，能完成采集并處理數(shù)據(jù)，控制自動操作功能。其中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要由PLC、工控機及相應軟件組成， 能自動監(jiān)測 SO2、NO、CO、CO2、O2及其他有關參數(shù)，如煙氣溫度、濕度、煙氣流量、壓力及含氧量?？刂萍皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）采用PLC實時控制分析過程，實時采集分析儀器的測量數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，實時顯示采樣數(shù)據(jù)，并可自動歸檔以及生成報表。

因燃煤電廠中煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）測量到的是煙氣中的一氧化氮（NO）濃度，且脫硝噴氨自動調節(jié)系統(tǒng)控制算法是以脫硝出口NOx濃度為變化量計算。所以需對數(shù)值進行換算，即NO先轉換為NO2再折算為 NOx。

2.2 前饋控制

噴氨自動控制方式基于脫硝效率和催化劑脫硝能力，邏輯簡單，采用單回路調節(jié)方式，僅以脫硝出口NOx濃度作為被調量，處理工況調整頻繁的方面欠缺。且由于催化劑的消耗等原因的存在，脫硝過程是非線性化學反應過程，脫硝過程動態(tài)特性變化較大。造成噴氨自動調節(jié)滯后。

為快速響應機組負荷、磨煤機運行方式、省煤器出口氧量、CCOFA風量、偏置風量等工況突變引起NOx濃度擾動，同時彌補反應器和煙氣分析儀的滯后，增強調節(jié)效果，在控制邏輯引入脫硝入口煙氣流量和SCR入口NOx濃度兩個參數(shù)作為前饋信號。

2.3 CEMS儀表定期吹掃

為防止脫硝煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）堵塞，設置定期吹掃功能，吹掃時采集到的煙氣失去真實性，測量值大幅變化，影響了測量準確度和響應時間，出口氮氧化物濃度波動頻繁。

在控制系統(tǒng)中加入吹掃信號，對CEMS采集到的測量信號進行品質判斷確定所得信號是否是處于吹掃狀態(tài)。吹掃狀況下，保持前一狀態(tài)數(shù)值，維持系統(tǒng)的正常運行。持續(xù)時間以NOx濃度恢復正常確定，一般情況下吹掃后3 min即切換至正?？刂茽顟B(tài)［5］。

同時，為進一步提高儀表測量準確性和及時性，應盡量減小CEMS儀表的取樣管路的長度及彎曲度，同時進行定期校驗。

2.4 PID調節(jié)

PID控制是比例積分微分控制。積分調節(jié)可以消除靜差，但有滯后現(xiàn)象，比例調節(jié)沒有滯后現(xiàn)象，但存在靜差。PI調節(jié)就是綜合P、I兩種調節(jié)的優(yōu)點，利用P調節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調節(jié)消除殘差［6］。

在脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)中采用比例調節(jié)，在負荷擾動下的調節(jié)過程結束后，SCR出口NOx濃度不可能與NOx濃度設定值準確相等，它們之間一定有殘差。因為根據(jù)比例調節(jié)的特點，只有調節(jié)器的輸入（SCR出口NOx濃度）有變化，即被調量和設定值之間有偏差，經(jīng)PID運算后生成噴氨調節(jié)門指令，實時調整調節(jié)門的開度，從而得到更準確的供氨需求量。

3 優(yōu)化效果

系統(tǒng)優(yōu)化后，在工況穩(wěn)定的情況下進行脫硝出口NOx濃度定值擾動試驗，通過噴氨調門開度控制噴氨流量的，響應出口NOx濃度設定值的突變，如圖3所示。

出口NOx濃度設定值在1min處由60 mg／m3階躍至80 mg／m3，通過噴氨調門開度調整噴氨流量，噴氨流量由140 kg／h調整至120 kg／h。因CEMS采樣延遲、催化劑反應等原因的存在造成出口NOx濃度響應曲線在1 min處有12 s延遲，趨于穩(wěn)定過程大約有6 min長，在4 min處達到第一峰值88 mg／m3，超出正常值8 mg／m3；第一谷值在6 min處出現(xiàn)，超出正常值2 mg／m3，衰減率為75%，系統(tǒng)優(yōu)化后，控制精度、穩(wěn)定性效果良好。

圖3 出口NOx濃度設定值擾動曲線

在出口NOx濃度設定值維持在70 mg／m3時，通過調整鍋爐燃燒情況，檢驗機組工況快速變化，入口NOx濃度大幅波動時，是否存在滯后現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 機組工況突變時優(yōu)化前后對比曲線

機組工況在1 min處發(fā)生變化，4 min處趨于平緩，3 min內入口 NOx濃度測量值上升 100 mg／m3，出口NOx濃度測量值在優(yōu)化前后變化明顯。

優(yōu)化前，第一峰值超調40 mg／m3，第一谷值超調30 mg／m3，衰減率為25%，波動較大，滯后現(xiàn)象嚴重；邏輯優(yōu)化調試后，第一峰值超調20 mg／m3，第一谷值超調10 mg／m3，衰減率為50%，可見優(yōu)化后噴氨調節(jié)門能及時根據(jù)負荷與入口NOx的變化及時動作，噴氨調門自動調節(jié)良好，滯后現(xiàn)象得到明顯改觀，有效提高了脫硝控制系統(tǒng)的品質。

4 結語

脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后，PID控制有效利用脫硝入口煙氣流量和氮氧化物濃度作為前饋信號，根據(jù)機組工況自動調節(jié)噴氨量，解決了調節(jié)滯后問題，增強噴氨自動調節(jié)的穩(wěn)定性，效果良好。

［1］環(huán)境保護部.火電廠大氣污染物排放標準：GB 13223—2011［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

［2］馬光輝，閆麗.SCR 煙氣脫硝方式及優(yōu)化［J］.電力基礎，2014，24（9）：118-120.

［3］羅賢里，孟啟珠.燃煤電廠SCR煙氣脫硝噴氨系統(tǒng)控制方式優(yōu)化［J］.電力工程，2014，27（4）：69-73.

［4］楊萌，張國凌.SCR 脫硝技術及應用［J］.山東電力技術，2015，12（1）：50-51.

［5］于國華，王心凌.工況變化對 NOx的影響［J］.東北電力技術，2014，27（8）：34-40.

［6］李建華.PID 控制應用［J］.電力基礎，2014，22（2）：33-36.

［7］王鎮(zhèn)，薛姍姍，盛玉和.火電廠SCR煙氣脫硝控制邏輯優(yōu)化［J］.黑龍江電力.2015，37（5）：463-466.

The Automatic Control System of Nitrate Ammonia Removal

XUE Shanshan，WANG Zhen，ZHOU Shuang，YU Zhixin
（Huadian Weifang power plant，Weifang 261204，China）

This paper introduces the automatic control system of the nitrate ammonia removal system 2×670 MW power units of Huadian Weifang Power Company Limited，and analyzes the problems existing in the automatic ammonia injection control.By adopting PID regulator with signal feedforward in the control system and dynamic adjustment of ammonia injection valve opening degree，the operator will be able to control the amount of ammonia spray more effectively in real-time thus better control on the nitrogen oxide emissions.This would ensure safe and stable operation of the denitration system.

denitrification system；automatic control；PID control；process optimization

X701

B

1007－9904（2017）11－0052－03

2017-06-08

薛姍姍（1981），女，碩士，從事火電廠熱工控制系統(tǒng)的研究工作。