大唐陜西發(fā)電有限公司 陳鎖宏

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燃煤火力發(fā)電廠脫硝噴氨自動控制方案優(yōu)化研究

大唐陜西發(fā)電有限公司 陳鎖宏

【摘要】燃煤火力發(fā)電廠主要是利用脫硝裝置控制鍋爐脫硝出口氮氧化合物（NOx）的排放濃度，多數(shù)采用選擇性催化還原（Selective Cataletic Reduction，簡稱：SCR）法，利用液氨還原劑噴入鍋爐省煤器出口與空預器之間高粉塵區(qū)，產(chǎn)生化學反應，實現(xiàn)自動、精確控制出口NOx濃度的方案。大唐戶縣第二熱電廠（以下簡稱“戶二”）脫硝裝置投入前期，因自動控制方案不完善，控制參數(shù)調(diào)整不準確，多次造成鍋爐出口氮氧化合物（NOx）排放超標。通過對脫硝噴氨自動控制方案的改進和參數(shù)的精細化調(diào)整，解決了這一技術難題。本文詳細介紹了戶二脫硝自動控制優(yōu)化后的方案。

【關鍵詞】脫硝；氮氧化合物；控制方案；優(yōu)化調(diào)整

1　前言

脫硝工程的建設有利于提高企業(yè)社會形象和實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在認真履行社會責任方面起到模范作用，對改善周圍環(huán)境、促進地區(qū)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。2014年國家發(fā)改委、國家環(huán)保部、國家能源局三部委聯(lián)合下發(fā)“關于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》的通知”，要求燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量、濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米）。戶二2015年底1號機組超低排放改造工程完成并投入運行。為了達到安全、經(jīng)濟、環(huán)保、精細化的噴氨量調(diào)整控制，在總結各種控制方式優(yōu)缺點的基礎上，設計出一種雙回路串級預估值摩爾比的一種控制方式，有效滿足了鍋爐脫硝出口NOx濃度在不同運行工況下的控制指標要求，降低了氨逃逸，抑制了空預器堵塞，節(jié)能、環(huán)保效果明顯。

2　控制方案優(yōu)化背景

目前行業(yè)內(nèi)對脫硝噴氨自動控制方案，主要集中在單回路控制、單回路前饋控制、雙回路串級控制等方式。從目前使用情況來看，控制效果均不理想，尤其是CEMS表計反吹或校驗，測量信號失效時，噴氨調(diào)節(jié)長時間失去控制，造成脫硝出口NOx排放超標嚴重，氨逃逸偏大，空預器頻繁堵塞。分析不同的控制方案，單回路控制方式因生產(chǎn)工藝的特性，根本無法在各種燃燒工況下投入自動運行。單回路前饋控制方式下頻繁出現(xiàn)出口NOx超標或氨逃逸偏大。為了達到鍋爐脫硝出口NOx含量控制在國家環(huán)保的排放標準內(nèi)，設計出一種既能達到環(huán)保指標要求，又能保證鍋爐設備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的控制方案，顯得尤為重要和勢在必行。

3　控制方案優(yōu)化設計

3.1信號測量預估值計算

戶二自低氮燃燒器改造投運以來，多次發(fā)生鍋爐脫硝兩側出口NOx瞬間超標。通過對脫硝出口NOx超標時的歷史數(shù)據(jù)分析，造成鍋爐脫硝兩側出口NOx瞬間超標因素，主要集中在鍋爐兩側NOx儀表反吹或儀表測量失效時，NOx測量信號失效，造成自動控制運算失效。要提高NOx測量的可靠性，最直接的辦法是增加冗余測量儀器，但因NOx測量儀表CEMS價格高、維護量大、對工作環(huán)境要求苛刻等因素，目前各廠無法實現(xiàn)通過增加冗余測量儀器的方法解決這一技術難題。

圖1　脫硝A、B出入口NOx變化波動趨勢

在機組運行期間，根據(jù)鍋爐脫硝工藝特性，通過歷史數(shù)據(jù)（如圖1）的分析，發(fā)現(xiàn)脫硝A、B兩側入口NOx值，在不同的運行工況下，兩側入口NOx數(shù)值雖不同，但變化波動趨勢相同。脫硝A、B兩側出口NOx數(shù)值，在A、B兩側噴氨調(diào)閥增量相同時，脫硝A、B出口NOx的變化趨勢相同?；谶@種設備運行工況的特性，我們設計出不需要增加冗余測量儀器，通過鍋爐A、B兩側出、入口NOx數(shù)值冗余替換，替代失效信號的邏輯設計方案（如圖2），很好的解決了這一技術難題。

圖2　邏輯設計方案

當脫硝A、B兩側出、入口一側反吹或信號失效時，折算另一側值表征失效側的值，參與邏輯運算控制，達到出口NOx達標。在圖2邏輯切換器中，因在信號未失效時，信號實時跟蹤，由邏輯“0”切為邏輯“1”時，無需速率限制。在信號失效后恢復正常值時，因脫硝A、B兩側實際測量信號有偏差，由邏輯“1”切為邏輯“0”時，必須設置速率限制，防止引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)震蕩。同時，通過調(diào)整鍋爐兩側NOx儀表設置，防止脫硝A、B兩側同時反吹，也可在邏輯切換器中增加“無兩側同時反吹”切換條件。

3.2脫硝噴氨自動控制調(diào)節(jié)方案設計

根據(jù)系統(tǒng)工藝流程（圖3）及特點，氨氣流量控制是SCR反應器控制最為重要和核心的部分。鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下，產(chǎn)生的化學反應存在復雜性和滯后性。同時結合CEMS表計測量的精確性和滯后性、氨氣逃逸率測量的不準確性這些諸多因素，我們設計出雙回路串級預估值摩爾比控制方案，很好的解決了因工藝特性引起的控制難點。下面闡述這一設計方案的設計思路。

圖3　系統(tǒng)工藝流程圖

3.2.1雙回路串級預估值摩爾比外環(huán)控制回路

鍋爐脫硝出口NOx在催化劑作用下的反應，存在復雜性和滯后性；CEMS表計的測量，存在精確性和時間滯后性。要及時準確的在鍋爐燃燒工況變化，而脫硝出口NOx未變化時，提前預估判斷出下一時刻脫硝出口NOx變化幅度和趨勢，提前量的改變氨氣噴入量，才能保證鍋爐脫硝出口NOx的含量控制在需求范圍內(nèi)。本文闡述的雙回路串級預估值摩爾比外環(huán)控制回路，設計了鍋爐燃燒工況變化時預估計算出噴入氨氣的量，其原理是將鍋爐總風量流量信號和同側脫硝入口NOx計算值，被用作預示下一時刻脫硝出口NOx的超前信號，再與通過脫硝入口和出口NOx計算出的效率，計算出當前運行工況下需要的氨氣噴入量信號，控制閥門動作，調(diào)節(jié)噴氨量，達到提前量的預估控制?？刂圃O計方案外環(huán)控制部分。

SP2=0.5*（ηNOx/100+PID1OUT）*0.4869*C1NOx*?（∑Q）

PV2=WNH3

ηNOx=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx

式中，ηNOx為效率；PID1OUT為內(nèi)環(huán)控制器輸出；C1NOx為入口NOx折算值；?（∑Q）為總風量信號的函數(shù)關系；WNH3為氨氣流量；C2NOx為出口NOx折算值。

3.2.2雙回路串級預估值摩爾比內(nèi)環(huán)控制回路

由于受反應器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負荷穩(wěn)定的情況下，脫硝出口NOx濃度波動也較為頻繁。因此當鍋爐負荷穩(wěn)定，脫硝出口NOx濃度出現(xiàn)變化時，通過雙回路串級預估值摩爾比的內(nèi)環(huán)控制回路，精確的調(diào)節(jié)噴氨的量，使脫硝出口NOx濃度穩(wěn)定在需求值左右。另外，也可通過外環(huán)控制回路，精確校正鍋爐負荷變化后主回路控制的噴氨的量，降低氨逃逸率，減少氨氣對下游除塵、空預器等設備的損壞，防止除塵效率降低、空預器堵塞等現(xiàn)象。

SP1=100*（C1NOx-CNOx）/C1NOx PV1=100*（C1NOx-C2NOx）/C1NOx

式中，CNOx出口NOx設定值。

3.3氨氣流量限制、報警功能設計

前我國火力燃煤電廠，電網(wǎng)要求AGC負荷控制指標必須達到電網(wǎng)《兩個細則》的要求，鍋爐負荷響應必須迅速準確，才能滿足電網(wǎng)《兩個細則》的相關要求。當鍋爐荷變化快，燃燒工況變化大時，僅僅依靠噴氨量控制鍋爐出口NOx排放濃度，勢必造成出口下游氨逃逸率大大增加，不僅不利于經(jīng)濟環(huán)保運行，還會造成電除塵設備損壞，降低除塵效果，甚至導致空預器頻繁堵塞。為了解決這一問題，根據(jù)運行經(jīng)驗，控制方案里設計在不同的負荷段，噴氨量控制在一定的上限內(nèi)。當噴氨量達到這一上限，雙回路串級預估值摩爾比外環(huán)控制回路限制輸出增加，保證噴氨量不過調(diào)。同時，DCS畫面告警提示運行人員，需要通過調(diào)整SOFA二次風量，控制鍋爐出口NOx的濃度。

圖4　CEMS表計反吹優(yōu)化前后曲線對比圖

4　控制指標分析

通過信號測量失效時預估值計算控制方式的設計，很好的解決了燃煤火力發(fā)電廠的這一技術難題。從圖4不難看出，優(yōu)化前，當脫硝CEMS表計反吹信號失效后，在鍋爐燃燒工況變化時，噴氨控制輸出保持不變，導致CEMS表計反吹結束后，脫硝出口NOx值大范圍階躍變化，不僅造成控制回路的調(diào)節(jié)振蕩，同時有可能使脫硝出口NOx濃度嚴重超標。優(yōu)化后，當脫硝CEMS表計反吹信號失效，控制回路能根據(jù)預估值繼續(xù)調(diào)整，CEMS表計反吹結束后，脫硝出口NOx濃度控制在設定值的允許范圍內(nèi)。

圖5是采用雙回路串級預估值摩爾比控制方案后，鍋爐出口NOx濃度控制曲線圖，分析各項數(shù)據(jù)，在鍋爐燃燒工況的劇烈變化過程中，鍋爐出口NOx排放濃度均在燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度限值范圍內(nèi)。同時，氨逃逸率也得到了很好的控制，大大增強了戶二鍋爐安全、經(jīng)濟、環(huán)保運行。

圖5　自動優(yōu)化效果圖

5　結語

戶二2*300MW機組脫硝控制系統(tǒng)，設計的雙回路串級預估值摩爾比控制策略，不僅算法過程簡單、參數(shù)整定方式清晰，而且很好的解決了CEMS表計吹掃信號失效時的控制難點，解決了出口NOx濃度因大慣性而難于控制的問題。經(jīng)過一年多的運行參數(shù)的檢驗，達到各項環(huán)保要求控制指標，滿足了SCR脫硝自動化控制要求，為脫硝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行提供了保障，對于SCR脫硝系統(tǒng)，具有較強的通用性和實用性。