媽灣電廠SCR噴氨自動(dòng)控制的優(yōu)化

譚永茂 留 凌

（深圳媽灣電力有限公司，廣東深圳518052）

0 引言

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格及執(zhí)法力度的加大，深圳媽灣電廠先后進(jìn)行了燃燒器低碳改造和脫硝裝置加裝，其中脫硝裝置采用SCR法（SelectiveCatalytic Reduction，選擇性催化還原法）。SCR法是將氨類等還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

脫硝裝置的煙道及反應(yīng)器位于鍋爐省煤器后空預(yù)器前，氨噴射格柵放置在SCR反應(yīng)器上游的位置。煙氣在鍋爐出口處被平均分成兩路，每路煙氣并行進(jìn)入一個(gè)垂直布置的SCR反應(yīng)器里，即每臺(tái)鍋爐配有兩個(gè)反應(yīng)器，在反應(yīng)器里煙氣向下流過(guò)均流板、催化劑層，隨后進(jìn)入回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、靜電除塵器、引風(fēng)機(jī)和FGD，最后通過(guò)煙囪排入大氣。

1 媽灣電廠尿素?zé)峤夤に嚱M成和描述

媽灣電廠尿素?zé)峤夤に囍饕赡蛩責(zé)峤庀到y(tǒng)、尿素車間、稀釋風(fēng)、熱解爐、計(jì)量模塊（MDM）和脫硝反應(yīng)器組成。

（1）尿素?zé)峤庀到y(tǒng)（DecompositionChamberSystem，簡(jiǎn)稱DC系統(tǒng)）用于產(chǎn)生脫硝反應(yīng)所需要的氨。尿素經(jīng)過(guò)DC系統(tǒng)分解產(chǎn)生氨氣，經(jīng)過(guò)稀釋空氣稀釋后再噴入SCR反應(yīng)器，與煙氣中的氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硝反應(yīng)。

（2）脫硝還原劑來(lái)自尿素車間自制備公用區(qū)配置好濃度的尿素溶液罐，尿素溶液經(jīng)由HFD高流量循環(huán)模塊、計(jì)量與分配裝置、霧化噴嘴等進(jìn)入熱解爐。

（3）稀釋風(fēng)采用鍋爐的熱一次風(fēng)（7.13kPa（G），312℃），經(jīng)過(guò)電加熱器加熱后達(dá)到熱解所需溫度進(jìn)入熱解爐，來(lái)完全分解要傳送到氨噴射系統(tǒng)的尿素。

（4）霧化后的尿素液滴在絕熱分解室內(nèi)分解，生成的分解產(chǎn)物為NH3、H2O和CO2，尿素?zé)峤夂螽a(chǎn)生氨氣，經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)AIG送入SCR系統(tǒng)煙氣中。熱解反應(yīng)器生成的氨氣分別送入鍋爐脫硝反應(yīng)區(qū)域，同時(shí)通過(guò)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域前的調(diào)節(jié)閥分配至反應(yīng)區(qū)。

（5）脫硝反應(yīng)器利用催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O。

（6）MDM裝置（尿素分配及熱解爐）根據(jù)需氨量信號(hào)對(duì)噴氨管道上的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。計(jì)量與分配模塊用于將從循環(huán)泵來(lái)的尿素溶液分配輸送至熱解室，這是SCR能否有效控制NOx的關(guān)鍵。SCR煙氣脫硝噴氨的噴氨量自動(dòng)控制應(yīng)能實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的目標(biāo)。

2 媽灣電廠SCR煙氣脫硝噴氨原來(lái)的自動(dòng)控制方式

媽灣電廠采用尿素溶解成50%濃度尿素溶液，其主要的計(jì)算公式如下：

2.1 反應(yīng)器的煙氣流量計(jì)算式

實(shí)際進(jìn)入鍋爐反應(yīng)器的煙氣流量（Nm3/h）=1144221×（鍋爐負(fù)荷測(cè)量值）/300

式中，1144221Nm3/h為電廠鍋爐100%BMCR標(biāo)態(tài)、干基、6%O2工況下的煙氣量。

2.2 NOx濃度計(jì)算方法

煙氣中NOx的濃度（干基、標(biāo)態(tài)、6%O2）計(jì)算方法為：

NOx（mg/Nm3）=NO（mg/m3）×N×（21-6）/（21-O2）式中，NOx（mg/Nm3）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、6%氧量、干煙氣下的NOx濃度；NO（mg/m3）為實(shí)測(cè)干煙氣中NO的質(zhì)量含量；O2為實(shí)測(cè)干煙氣中的氧含量（%）；N為由NO質(zhì)量含量mg/m3到NOx質(zhì)量含量mg/Nm3的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 脫硝效率

脫硝效率=[（反應(yīng)器入口NOx濃度-反應(yīng)器出口NOx濃度）/反應(yīng)器入口NOx濃度]×100%

2.4 需氨量計(jì)算

反應(yīng)器A/B噴氨系統(tǒng)的前饋控制回路，反應(yīng)器入口NOx濃度（干態(tài)）減去出口煙氣NOx含量的設(shè)定值，得到要脫掉的NOx含量，再乘上入鍋爐反應(yīng)器煙氣流量，再乘上系數(shù)Kst，就得到需氨量。

50%尿素溶液量（kg/h）=入鍋爐反應(yīng)器煙氣流量×反應(yīng)器入口NOx換算濃度×脫硝效率×Kst×3.75×10-6式中，3.75為經(jīng)計(jì)算的氨氣與尿素的質(zhì)量轉(zhuǎn)換比；Kst為NOx和氨氣的化學(xué)計(jì)量比。

2.5 脫硝噴氨原來(lái)的自動(dòng)控制原理

SCR煙氣脫硝噴氨原來(lái)的自動(dòng)控制原理圖如圖1所示。

圖1 SCR煙氣脫硝噴氨原來(lái)的自動(dòng)控制原理圖

通過(guò)計(jì)算得出的需氨量除以已投入的槍數(shù)得到每支槍所需的流量，和實(shí)測(cè)的每支槍流量組成一個(gè)閉環(huán)，經(jīng)PID計(jì)算得到每個(gè)尿素調(diào)閥的開(kāi)度。從上文可以看出需氨量計(jì)算非常重要。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)入鍋爐反應(yīng)器的煙氣流量和負(fù)荷不是完全的線性關(guān)系，NOx的測(cè)量采用德國(guó)西門(mén)子紅外氣體分析儀，它每4h需要自動(dòng)校驗(yàn)零點(diǎn)保證測(cè)量的精度，每次20min，在自動(dòng)校驗(yàn)過(guò)程中，其輸出值保持不變，而NOx的值是不斷變化的，特別是機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，NOx變化很大。為了避免NOx測(cè)量不準(zhǔn)，需氨量計(jì)算時(shí)一般都偏大，造成出口煙氣NOx含量和設(shè)定值存在不小的偏差。噴氨多會(huì)造成氨逃逸，噴氨少則會(huì)造成NOx超標(biāo)，常常需要運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)，改變出口設(shè)定值或切至手動(dòng)控制。

3 媽灣電廠SCR煙氣脫硝噴氨自動(dòng)控制方式優(yōu)化

為了更好地解決需氨量計(jì)算的問(wèn)題，應(yīng)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一個(gè)控制回路，利用SCR出口NOx，通過(guò)PID搭建出反饋控制回路控制，修正原來(lái)計(jì)算的需氨量，得到精確的值，從而提高控制的可靠性。優(yōu)化原理圖如圖2所示。

圖2 脫硝噴氨自動(dòng)控制優(yōu)化原理圖

SCR出口NOx測(cè)量值經(jīng)過(guò)出口氧量修正得到SCR出口NOx的實(shí)際測(cè)量值，它減去SCR出口NOx設(shè)定值經(jīng)過(guò)PID計(jì)算得到0～100%的指令，經(jīng)過(guò)F1（X）轉(zhuǎn)化為0.5～1.0的修正系數(shù)（原來(lái)的計(jì)算值比實(shí)際需求值大），對(duì)原來(lái)的經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的需氨量進(jìn)行修正，得到實(shí)際的需氨量。

由于機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，SCR入口NOx變化非常大，進(jìn)入鍋爐反應(yīng)器煙氣流量是經(jīng)負(fù)荷折算得到的，它的值比較小，這時(shí)計(jì)算的需氨量更不能反映實(shí)際所需，SCR出口NOx比SCR入口NOx晚變化幾分鐘，這就容易造成SCR出口NOx的大幅度變化，特別是減負(fù)荷時(shí)，有可能造成煙囪NOx短暫超標(biāo)。為了更好地解決SCR入口NOx波動(dòng)大造成的擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)SCR入口NOx的前饋回路，當(dāng)SCR入口NOx波動(dòng)到一定值時(shí)，由F2（X）算出一個(gè)值和PID得到的值相加，作為最終的修正系數(shù)，乘以計(jì)算得到的需氨量，得到最終的實(shí)際需氨量。它除以已投入的槍數(shù)得到每支槍所需的流量，和實(shí)測(cè)的每支槍的流量比較后，經(jīng)PID計(jì)算得到每個(gè)尿素調(diào)閥的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)SCR出口NOx。

實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)SCR入口NOx、SCR出口NOx有時(shí)偏差大，有時(shí)甚至不同步，另外SCR入口NOx、SCR出口NOx測(cè)量裝置每天會(huì)自動(dòng)校驗(yàn)零點(diǎn)，NOx的測(cè)量值會(huì)保持不變，當(dāng)測(cè)量裝置校驗(yàn)完成后，數(shù)值有可能變化很大（機(jī)組剛好變化負(fù)荷時(shí)），這種情況下，如果單獨(dú)計(jì)算得到的各自修正系數(shù)，反而會(huì)造成調(diào)節(jié)的波動(dòng)，不利于穩(wěn)定。為了更好地解決波動(dòng)問(wèn)題，取兩側(cè)SCR入口NOx、SCR出口NOx的平均值作為測(cè)量值，參與整個(gè)回路計(jì)算。這樣處理后，控制的效果明顯好了許多。

另外，原來(lái)設(shè)計(jì)有效率控制模式，由脫硝效率的計(jì)算可知，反應(yīng)器出口NOx濃度=[（100-脫硝效率）/100]×反應(yīng)器入口NOx濃度，當(dāng)反應(yīng)器入口NOx濃度變化大時(shí)，很容易造成出口NOx濃度超標(biāo)。如脫硝效率設(shè)定為85，入口NOx濃度為200mg/m3，反應(yīng)器出口NOx濃度為30mg/m3，當(dāng)入口NOx濃度為400mg/m3時(shí)，反應(yīng)器出口NOx濃度為60mg/m3，這時(shí)NOx濃度超標(biāo)（機(jī)組出口NOx濃度應(yīng)小于50mg/m3），投入效率控制模式更不容易對(duì)機(jī)組出口NOx濃度的控制，實(shí)際中很少投運(yùn)，建議取消。

從圖3、圖4可以看出，氨氣流量經(jīng)PID控制器的比例積分作用和SCR入口NOx的前饋?zhàn)饔眯拚?，SCR出口NOx自動(dòng)控制的精度和穩(wěn)定性大大提高。負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，SCR出口NOx能控制在設(shè)定值±3mg/m3，機(jī)組出口NOx保證在30～35mg/m3之間。負(fù)荷變化、SCR入口NOx大幅度波動(dòng)時(shí)，SCR出口NOx控制也能穩(wěn)定在設(shè)定值附近，保證了機(jī)組出口NOx在30～40mg/m3之間。這說(shuō)明了優(yōu)化后既保證了煙囪NOx排達(dá)標(biāo)放，還減少了噴氨量，節(jié)約了能源消耗，同時(shí)也減輕了運(yùn)行操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖3 優(yōu)化前控制效果

圖4 優(yōu)化后控制效果

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格及執(zhí)法力度的加大，采用SCR法脫硝的火力發(fā)電廠在確保煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)，還要增強(qiáng)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。目前火電廠面臨著環(huán)保和電價(jià)的壓力，精確而經(jīng)濟(jì)地控制脫硝系統(tǒng)的噴氨量具有十分重要的意義。

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