金 飛，馬 瑞，楊春來

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

火電廠脫硝環(huán)保系統(tǒng)改造及優(yōu)化

金 飛，馬 瑞，楊春來

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對河北省南部電網(wǎng)某火電廠2號機組脫硝環(huán)保系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，從煙氣測量、噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性和控制策略等方面制定具體改造方案，由改造效果可知此次優(yōu)化改造能保證氮氧化物排放達到環(huán)保部門新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

脫硝系統(tǒng)；煙氣連續(xù)測量；氮氧化物排放；控制邏輯

1 概述

2015年8月，河北省環(huán)保廳下發(fā)了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求河北地區(qū)現(xiàn)役火力發(fā)電機組在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氮氧化物排放小于50 mg/m3。

河北省南部電網(wǎng)某火電廠1期2臺機組燃燒的是山西褐煤，鍋爐為∏型鍋爐，對沖燃燒，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下省煤器出口氮氧化物濃度在300～600 mg/m3波動，工況較為惡劣，于2013年加裝SCR脫硝系統(tǒng)，位置在省煤器和空預(yù)期中間，三層SCR反應(yīng)器全部投入并且完成鍋爐低氮燃燒改造，但運行期間出現(xiàn)很多問題，使SCR出口氮氧化物濃度很難達到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，對其已運行的脫硝環(huán)保系統(tǒng)進行分析試驗，從煙氣測量、噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性和控制策略等方面制定具體改造方案并實施，以下以該電廠2號機組為例，介紹其改造優(yōu)化方法和效果。

2 脫硝環(huán)保系統(tǒng)存在的問題分析

2.1 煙氣連續(xù)檢測系統(tǒng)(CEMS)測量不準(zhǔn)確且頻繁故障

2號機組CEMS系統(tǒng)采用的是抽取法檢測，其“L”型采樣抽取管道過長，造成近1 min測量的延遲；脫硝裝置區(qū)域煙塵濃度較高，最大高于20 000 mg/m3，有濾塵器進行過濾，煙塵濃度大，容易濾塵器堵塞，濾塵器堵塞會使測量值偏低延遲加大，清理濾塵器過程中會造成測量中斷；脫硝裝置區(qū)域除了煙塵濃度高，還存在高流速顆粒物，對檢測探頭的沖刷打磨非常嚴(yán)重；現(xiàn)有的抽取法儀器使用普通特氟龍管線不能適用260 ℃以上高溫，脫硝裝置區(qū)域煙氣溫度高，大于400 ℃，會變形或加速老化；脫硝后煙氣含逃逸氨，在低于280 ℃時會產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，進而堵塞管線。

2.2 噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性差

2號機組脫硝系統(tǒng)在運行過程中，噴氨流量經(jīng)常大幅波動，調(diào)節(jié)閥線性惡化，調(diào)節(jié)閥動作頻繁，經(jīng)常在完全關(guān)閉和打開之間反復(fù)波動，造成整個系統(tǒng)振蕩，出口氮氧化物濃度超標(biāo)[1]。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)制氨過程中蒸發(fā)器溫度和出口氨氣壓力不穩(wěn)定是噴氨流量波動大的成因。

2.3 噴氨自動控制品質(zhì)差

2號機組原噴氨控制策略為傳統(tǒng)PID單回路，用出口氮氧化物濃度與設(shè)定值之間的偏差乘以PID函數(shù)加上負荷變動前饋，控制噴氨調(diào)節(jié)閥開度，以到達出口氮氧化物濃度設(shè)定值。

當(dāng)爐膛燃燒發(fā)生變化時，SCR入口氮氧化物濃度隨之變化，出口氮氧化物濃度會發(fā)生跳變，噴氨調(diào)節(jié)閥劇烈擺動，氮氧化物排放超標(biāo)。每隔1 h的脫硝系統(tǒng)吹掃過程中，出入口氮氧化物濃度測量設(shè)備會保持當(dāng)前值，造成近3 min的盲區(qū)，測量恢復(fù)后，噴氨調(diào)節(jié)閥會劇烈擺動，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3 優(yōu)化改造措施

3.1 應(yīng)用脫硝檢測新技術(shù)

針對原有抽取式檢測方法產(chǎn)生的各種缺陷，現(xiàn)采用噴射引流+煙氣回流組合探頭的新技術(shù)來進行檢測，探頭示意如圖1所示。

圖1 噴射引流+煙氣回流組合探頭示意

新技術(shù)產(chǎn)品采樣探頭為煙道旁直接測量，取消了采樣抽取管道，實際響應(yīng)時間為5 s以內(nèi)；采樣探頭的工作原理是基于文丘里效應(yīng)，持續(xù)向煙道內(nèi)噴射壓縮空氣，探頭前端不加濾塵器，利用高溫顆粒物的流動性，將含顆粒物的煙氣引至煙道外傳感器下方檢測，再與噴射空氣混合送回到煙道內(nèi)，這樣屏蔽了煙塵濃度高低對檢測的影響。該技術(shù)在一個傳感器內(nèi)連續(xù)完成了氧氣的檢測、二氧化氮向一氧化氮的轉(zhuǎn)換和氮氧化物的檢測，傳感器由氧化鋯厚膜材料組合成一體結(jié)構(gòu)，測量池、加熱和控溫均密閉在傳感器中，解決了環(huán)境惡劣對傳感器的影響；整個探頭結(jié)構(gòu)均為金屬或陶瓷制品，沒有塑料/橡膠等不耐高溫的部件；雙池厚膜氧化鋯傳感器工作溫度大于800 ℃，無需降溫可以直接檢測大于300 ℃煙氣，當(dāng)煙氣溫度小于300 ℃時脫硝裝置會停止噴氨，故不會發(fā)生銨鹽結(jié)晶。

該技術(shù)檢測氮氧化物濃度采用雙池厚膜氧化鋯傳感器，傳感器原理和結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，具體檢測原理如下。

圖2 雙池厚膜氧化鋯傳感器原理和結(jié)構(gòu)

a.被測氣體擴散進入傳感器第一測量池：第一測量池內(nèi)的氧氣被排出(氧泵)，產(chǎn)生極限電流，通過測量這一極限電流來檢出被測氣體中的氧氣濃度。同時第一測量池內(nèi)還發(fā)生二氧化氮分解反應(yīng)：2NO2→2NO + O2,完成NO2→NO轉(zhuǎn)換。由于此過程中產(chǎn)生的氧氣濃度量綱僅為10-6V/V，所以對氧氣測量的影響可忽略不計。

b.被測氣體繼續(xù)擴散進入傳感器第二測量池：第二測量池內(nèi)一氧化氮產(chǎn)生分解：2NO→N2+ O2，分解的氧氣被排出(氧泵)，產(chǎn)生極限電流，通過測量第二測量池的極限電流來檢出被測氣體中的氮氧化物濃度。

3.2 加裝調(diào)節(jié)閥

a.從輔汽聯(lián)箱來的蒸汽直接進入蒸發(fā)器加熱液氮，溫度高于70 ℃關(guān)閉進口閥門，低于60 ℃打開，溫度的波動造成蒸發(fā)器內(nèi)壓力的波動，進而影響噴氨流量。在蒸汽進口處加裝調(diào)節(jié)閥來穩(wěn)定蒸發(fā)器溫度，如圖3所示，采用單回路PI控制，P=0.4、I=80，將溫度設(shè)定為65 ℃。

圖3 脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥安裝位置

b.在緩沖罐出口有一個氨氣快關(guān)閥，在出口氨氣壓力到達0.5 MPa時聯(lián)鎖關(guān)，低于0.3MPa時聯(lián)鎖打開，蒸發(fā)器內(nèi)壓力變化很快，而緩沖罐容積過小，造成快關(guān)閥頻繁動作，出口氨氣壓力頻繁波動，氨氣流量頻繁變化，最終使SCR出口氮氧化物濃度排放超標(biāo)。在快關(guān)閥前加裝調(diào)節(jié)閥來穩(wěn)定蒸發(fā)器出口壓力，如圖3所示，采用單回路PI控制，P=2、I=100，將壓力設(shè)定為0.25MPa。

3.3 升級噴氨自動控制策略

a.將原有單回路PID升級為可以消除噴氨流量內(nèi)擾的串級回路控制，主調(diào)節(jié)參數(shù)為P=1.0、I=90，副調(diào)參數(shù)為P=0.95、I=35，控制策略流程見圖4。

圖4 脫硝噴氨系統(tǒng)控制流程

b.鍋爐燃燒過程中，氧量變化可以快速表示SCR入口氮氧化物濃度變化，選取氧量作為前饋的因變量。

c.經(jīng)過反復(fù)觀察，兩側(cè)SCR出入口氮氧化物濃度在運行過程中成等趨勢變化，而且兩側(cè)脫硝系統(tǒng)吹掃的時間不一樣，因此在吹掃時選取對側(cè)出入口氮氧化物濃度作為本側(cè)測量值，吹掃結(jié)束后恢復(fù)。

4 優(yōu)化改造效果

該電廠脫硝環(huán)保系統(tǒng)改造優(yōu)化后，由現(xiàn)場試運期間的數(shù)據(jù)分析，取得了顯著效果。

a.CEMS系統(tǒng)采用噴射引流+煙氣回流組合探頭的新技術(shù)，提高了測量數(shù)據(jù)快速性和準(zhǔn)確性，減少了日常人工清理的工作量，降低探頭的故障率，為脫硝系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行打下了堅實基礎(chǔ)。

b.在蒸發(fā)器前后加裝蒸汽調(diào)節(jié)閥和氨氣調(diào)節(jié)閥，保證了蒸發(fā)器溫度和壓力的穩(wěn)定，使噴氨調(diào)節(jié)閥具有較好的流量特性。

c.加入氧量前饋，根據(jù)爐膛燃燒變化確定SCR入口氮氧化物含量；加入吹掃時對側(cè)入口氮氧化物濃度切換，避免吹掃引起的測量盲區(qū)，提高穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且能適應(yīng)變負荷的各種工況。可以達到較為理想的控制效果，脫硝系統(tǒng)的控制效果如圖5所示。

圖5 脫硝系統(tǒng)的控制效果

5 結(jié)束語

被控對象信號測量的快速準(zhǔn)確和執(zhí)行機構(gòu)的線性是自動控制的基礎(chǔ)，再根據(jù)實際選取最能代表被控對象變化的前饋量，保證了整個自動調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)。該電廠2號機組的脫硝環(huán)保系統(tǒng)，通過此次改造優(yōu)化，使SCR出口氮氧化物濃度變化平穩(wěn)，排放值也到達環(huán)保部門的要求，可為類似的工程提供參考和借鑒。

[1] 盧建強.脫硝噴氨流量波動原因分析及解決措施[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)報，2013(9)：76-79.

本文責(zé)任編輯：王洪娟

Reconstruction and Optimization of Environmental Protection System ofPower Plant NOxSystem

Jin Fei,Ma Rui,Yang Chunlai

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

：As the new standard to NOxemission，on the denitration environmental protection system of a power plant in southern Hebei network issues.This paper introduces an ammonia injection of specific reform program from the flue gas measurement,valve flow characteristics and control strategy.The effect of the transformation from the transformation of the optimization to ensure the NOxemissions to reach the requirements of environmental protection departments.

NOxsystem;CEMS;NOxemission;control logic

2016-09-12

金 飛(1984-)，男，工程師，主要從事電源側(cè)環(huán)保優(yōu)化及電源電網(wǎng)協(xié)調(diào)工作。

TK323

B

1001-9898(2016)06-0032-02