烟气脱硝控制系统研究分析

谷俊杰，贾明印, 海热提

（1. 中国大唐集团科技工程有限公司, 北京 100097； 2. 北京化工大学， 北京 100029）

在我国一次能源和发电能源构成中，燃煤占据了主导地位，在已探明的一次能源储备中，煤炭仍是主要能源。燃煤在工业领域的应用，在给国民经济带来大力发展的同时，也造成了严重的环境污染，有效控制煤燃烧产生的大气污染物是现阶段我们进行环境保护的主要目标。目前新建大型燃煤机组都同期设计有烟气脱硝系统[1]。以前的老机组由于对环境保护关注不够，未设置脱硝装置，随着国家对环保的日益重视，有必要对原有的发电机组进行污染物的排放控制，达到国家环保要求，因此需对原有火电厂机组增加脱硝装置，其脱硝控制系统要根据具体电厂及具体机组的情况进行设计。

控制技术随着时代的发展而不断发展，目前脱硝系统存在有几种不同的控制方案，选用何种控制方案是需要我们设计人员在设计阶段进行认真考虑的。选用的控制方案，既要保证控制系统的安全稳定，又要考虑运行人员的操作方便。本文从实际出发简单介绍了脱硝系统建设现状，介绍了目前几种常用的控制方案各自的特点，为今后设计人员进行控制方案选择时提供一些参考。

1 火电厂脱硝控制系统现状

通常脱硝工艺系统包含两方面：脱硝SCR区部分和脱硝还原剂制备区部分。SCR区通常布置在锅炉省煤器和空气预热器之间；脱硝还原剂制备区通常布置在厂区内，距离主机集控楼距离较远[2]。

根据燃煤电厂运行特点和脱硝系统与锅炉的关系，通常有以下几种控制方式。

1.1 控制方式一

脱硝SCR区控制设备纳入机组DCS系统，控制站布置于主机机组电子设备间内，还原剂制备区采用DCS远程站或DCS远程IO站，布置于还原剂制备区就地控制设备间内，通过冗余网络连接至主机两台机组DCS公用网络中。

该控制方式的主要特点是：（1）该控制方式可实现无需新增 DCS操作员站，直接利用主机 DCS操作员站对整个脱硝系统的监视和控制。（2）脱硝系统对应性强，机组之间互相独立。（3）还原剂制备区作为两炉公用接入主机DCS公用网络中，网络结构清晰。（4）脱硝系统运行与锅炉关系更紧密。（5）脱硝控制系统需与主机DCS需保持完全一致，实施起来较为困难。（6）脱硝DCS与主机DCS要实现无缝连接，实施起来存在一定风险[3]。

1.2 控制方式二

脱硝SCR区控制设备仍纳入机组DCS系统，控制站布置于主机机组电子设备间内。还原剂制备区采用采用以PLC加上位机的控制方式，设置一套完整的PLC控制系统。控制盘柜布置在脱硝还原剂储存和制备区电子设备间内,运行人员通过 PLC上位机对被控对象及工艺参数进行控制和监视。同时，脱硝剂制备区域控制系统与全厂辅控网设有冗余双向通讯接口，运行人员也可通过辅控网对还原剂储存和制备系统被控对象及工艺参数进行控制和监视，最终实现远方控制，就地无人值班。

该控制方式的主要特点是：（1）还原剂制备区设置就地操作员站，操起更方便快捷。（2）还原剂制备区相对独立，接入辅控网，方便电厂对辅助系统的集中控制。（3）脱硝SCR区控制系统需与主机DCS需保持完全一致，脱硝还原剂制备区PLC控制系统需与辅控网保持一致，实施起来较为困难。

1.3 控制方式三

脱硝控制系统与原主控制系统没有联系，是一个独立的控制系统，设置独立的设备间及控制室。该独立的控制系统可以根据用户的要求设计为DCS、PLC、现场总线任意一种形式，也可以设计成三个系统技术的综合控制系统。

该方案特点为：脱硝系统在运行、维护及检修上相对独立，与主机关联性小，便于实际实施，但SCR平台与主机控制系统脱离，系统划分不清晰[4]。

三种控制系统各具有优缺点，它们在许多电厂中都得到了广泛的应用，设计人员在具体脱硝设计时可根据系统的运行方式；控制系统的资金投入；现场与控制室的距离等选择最合适的控制系统。

2 脱硝系统控制策略分析

SCR脱硝装置不管采用何种控制系统，其目标是在保证脱硝效率的前提下，使氨逃逸量最小、催化剂的寿命最长、对空预器的腐蚀最小。因此采用合理的控制策略就成为 SCR系统提高可用率的关键，脱硝系统主要控制下面这三个方面：保证适当的反应温度、保证适当的NH3的喷入量、保持催化剂具有一定的活性。其中控制合适的NH3输入量又是其中的重中之重。

最常用的 SCR反应器氨气喷射量控制系统是依赖于一个简单的前馈环（带反馈调整），这个前馈环的基础是烟道NOX排放量和随负荷而变的NOX所需氨注入量的实验曲线。即加氨量由催化剂上游NOX浓度和烟气量所给出的正向信息控制，SCR控制系统根据计算出的氨需求信号去定位氨气流量调节阀，实现对脱硝的自动控制，通过在不同负荷下的对氨气流的调整，找到最佳的喷氨点。同时将SCR后实际氨气流量值和计算出的氨气流值进行比较，用反馈信号来修正喷氨量。SCR反应器氨气喷射量控制原理图如图1所示。

图1 SCR反应器氨气喷射量控制原理图Fig.1 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by SCR reactor

此种控制方案控制系统利用固定NH3/NOX摩尔比来提供所需要的氨气流量，一旦脱硝效率确定，则 NH3/NOX摩尔比通过实验曲线即可得知，进口NOX浓度和烟气流量的乘积产生NOX流量信号，此信号乘上所需NH3/NOX摩尔比就是基本氨气流量信号。脱硝效率控制在设定值，当实测进出口NOX浓度通过计算未达到设定值，而且其他条件没有达到限定值时，控制系统就会给气氨调节阀信号开大阀门。当进出口NOX浓度通过计算达到设定值，而且其他条件没有达到限定值时，控制系统就会给气氨调节阀信号关小阀门。

采用此种控制方案需要保证入口NOX值在较小范围内波动，否则容易引起脱硝效率的剧烈震荡，锅炉的燃烧温度在1 200 ℃左右，在这个温度下正是产生NOX的最敏感区域，NOX的波动是比较大的，因此此种控制方案的稳定性不高。而且如果入口NOX浓度超过设计值，则控制系统会给气氨调节阀开大阀门的信号，而实际参与反应的NH3小于供给的NH3,这样就造成反应器出口大量的氨逃逸。

而另一种经过改进的控制方案是控制反应器出口NOX排放浓度，通过操作人员首先给定一个SCR反应器出口NOX值，将SCR反应器出口设定NOX值带入公式计算得到设定脱硝效率，则设定NH3/NOX摩尔比通过实验曲线即可得知，此信号乘上入口NOX流量信号就是基本氨气流量信号，根据计算出的氨气流量信号去定位氨气流量调节阀，实现对脱硝的自动控制。改进后的SCR反应器氨气喷射量控制原理图如图2所示。

图2 改进的SCR反应器氨气喷射量控制原理图Fig.2 Diagram of the control principle of the ammonia injection quantity by the improved SCR reactor

此外，为了实现更为高效的控制，另外一种对控制系统的改进是利用基于人工智能、自适应神经网络、先进的控制和优化技术的优化程序组。这一改进的出发点是基于NOX排放量是个多个变量的函数，其中包括锅炉炉型、燃烧温度、燃料的化学成分、低氮燃烧控制方式的设计和运行、煤/空气分配、烟气含氧量、煤粉的颗粒尺寸等等，所有这些因素都对NOX的形成有影响。而来自烟道的NOX信号和分析指令延迟往往使氨注入量不够准确，这就导致控制性能变坏，其结果是造成NOX脱除率下降或氨的逃逸增加。而高的氨用量增加了硫酸铵和硫酸氢铵的生成，它们在催化剂上的沉积又减少了催化剂的寿命和空气预热器效率下降等一系列问题。神经网络是一个通用的函数逼近器，用它可以表示任何物理模型，而这些物理模型可以很容易地由试验数据、历史数据或者将二者相结合来得到。这就使得人们能够兼顾多个目标，比如既减少NOX排放又改进锅炉的热耗率等，而与此同时仍可保持电厂的其它参数如蒸汽温度、CO等在所希望的范围之内。在闭环监控模式下，通过测量关键的过程参数，由软件优化系统中各装置的性能或达到它所希望的目标。运用这样的软件组可以使热力系统和SCR的性能获得整体提升。系统设置到动态地调节最佳偏离或基于当前装置运行条件和所希望目标的设置点。

3 结 论

在火电机组排放的多种大气污染物中，氮氧化物是最近 30多年来受到世界极大关注的一种污染物。氮氧化物的排放对人体的致毒作用、对植物的损害以及在酸雨和光化学烟雾的形成、对臭氧层的破坏中所起的作用已经得到了科学的证明。随着今后电力工业的发展，国家会对NOX的排放进行越来越严格的限制，今后国家必然要求像脱硫一样新上机组必须同期建设烟气脱硝装置，当前我们就要先做好技术上的准备。

本文针对目前常用的脱硝控制系统及控制策略进行了简单分析，以供设计人员在进行脱硝设计时进行参考，选择合适的脱硝控制方案，保证脱硝控制系统的安全稳定和运行人员的操作方便。

［1］ 张强. 燃煤电站 SCR烟气脱硝技术及工程应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2007: 36.

［2］ 孙克勤,华玉龙. 火电厂SCR烟气脱硝工艺及其工程应用[C].全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集, 2006-02.

［3］ 段传和,夏怀祥,等.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京:中国电力出版社, 2009-04.

［4］刘刚.火电厂脱硫脱硝改造控制系统[J].仪表技术与传感器,2006(1):61-62.