火电厂脱硝系统控制分析及优化

倪新宇

（中国华电集团公司望亭发电厂，江苏 苏州 215155）

火电厂脱硝系统控制分析及优化

倪新宇

（中国华电集团公司望亭发电厂，江苏 苏州 215155）

介绍了选择性催化还原法（SCR）脱硝的原理及工艺流程，论述了脱硝系统测量数据的处理原则，针对原控制逻辑的不足进行了优化，找到了一个既能控制NOx脱除，又能控制氨逃逸的控制策略，使调节品质明显提高。

烟气脱硝；喷氨控制；前馈控制；氨逃逸率；调节品质

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0 引言

自2006年开始，我国燃煤机组已逐步投运脱硝系统，典型火电机组具有脱硝、除尘、脱硫三大烟气净化环保设施。GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，从2012年1月1日起，新建火电机组NOx排放质量浓度控制在100mg／m3以下；在环保重点地区，要求2013年完成火电机组脱硝改造，机组NOx排放质量浓度不超过100mg／m3。鉴于治霾形势严峻，有的机组已设定50mg／m3的排放目标。

选择性催化还原法（SCR）脱硝是目前国内外火电机组应用比较广泛的一种烟气脱氮技术，但在应用上还有诸多不完善的地方，本文将根据工作实践提出控制方面的优化建议。

1 SCR脱硝工艺

SCR脱硝系统按设备所在区域和功能，分为储氨区（氨站）和脱硝区（反应器），脱硝系统在燃煤电厂中的布置情况如图1所示。

图1 脱硝系统在燃煤电厂中的布置示意

1.1 脱硝原理

氨气先与20倍于自己体积的空气混合，再与320～420℃的烟气混合，然后通过催化剂完成脱硝反应。影响反应的主要因素为活性区域因子（比表面积、孔体积和活性成分浓度的函数）、烟气温度和反应物浓度。

脱硝过程发生的主要化学反应为：

反应（1）为主要反应，烟气中氧量为2%即可满足反应需求。但在实际反应中，为达到所要求的NO脱除率，需要多喷入适量NH3来补偿混合的不均匀性。

1.2 储氨站生产工艺流程

储氨站主要生产工艺流程如图2所示。除主要工艺流程外，还设置了事故氨吸收及液氨储罐降温冷却水循环等辅助系统。液氨储罐设置了液位高低报警装置并与卸氨压缩机联锁，控制卸氨压缩机的启停；气化缓冲系统根据蒸发的氨气温度控制电加热器或加热蒸汽，应对供应氨气流量的变化设置压力自动调节阀，整个工艺流程自控化水平较高，可以实现无人值守。

图2 储氨站生产工艺流程

1.3 SCR脱硝装置各系统的作用

（1）氨的喷射系统。来自储氨站的氨气经过氨气流量调节阀和鼓风机的空气以1∶20以下的比例进入混合器混合，混合均匀后经氨气喷嘴均匀喷入SCR入口烟道。

（2）烟气系统。包括省煤器出口烟道到SCR反应器入口和SCR出口到空气预热器进口烟道，要保证烟气流速的均匀性。

（3）SCR反应器。包含反应器壳体、催化剂、壳体内部所包含的支撑结构、烟气整流装置、密封装置、反应器的平台扶梯等，是发生化学反应的场所。

（4）吹灰系统。包括吹灰系统所有设备部件、相关阀门管路系统、控制设备等，采用声波吹灰器清灰。

1.4 氨气逃逸控制要求

1.4.1 氨气逃逸的危害

氨气逃逸后与 SO3反应生成 NH4HSO4，在150～200℃时为黏性残余物，在空气预热器（以下简称空预器）冷端沉积，造成堵塞和腐蚀。以空预器为例，国外经验表明，当氨气残余量大于0.010‰时，必须1～2周对其进行一次全面清洗，否则空预器许多部件的寿命只有2个月左右。但应用氨气残余分析仪之后，可将氨气残余量控制在0.003‰以内，这样每年只要进行一次清洗就可保证空预器正常使用。

1.4.2 控制氨气逃逸量的作用

（1）准确的氨气逃逸率读数是监控脱硝系统正常工作的一个重要参数，可用来控制脱硝系统正常工作，避免增加空预器阻力，甚至造成腐蚀。

（2）氨气逃逸率的精准计量可用来延长SCR中催化剂的使用时间，从而经济地更换下一批催化剂。

（3）预估催化剂的更换和再生时间。由于催化剂的制造和交货周期都比较长，可采用SCR以外的方法提高脱硝能力，延长催化剂寿命。

2 脱硝系统测量数据的处理

由于一般采用抽取冷凝干燥后烟气进行分析的方法，所以仪表输出数值已为干标态浓度，不需换算。标准中所规定的大气污染物浓度均指标准状态下干烟气的数值，简称“干标态”。

在SCR反应器前后烟道上测量NOx浓度时，一般烟气在线连续监测系统（CEMS）可测量出采样气体中NO的浓度，或者测量出NO+NO2的浓度。在脱硝工艺中，NO占NOx的大多数，测量前者即可，如果是排放检测，就要求测全氮，即NO+NO2。为了方便环保监测数据的上传比较，我国统一以干标态的NO2计算浓度代表NOx浓度。由于大气污染物排放指标是以基准氧含量折算后的浓度，所以，在脱硝工艺的监控中还需将干标态的浓度进行基准氧含量折算。

烟气脱硝过后的氮氧化物，在现有空预器、除尘器、脱硫工艺中只有少量损失，绝大部分由烟囱排放。为了控制排放浓度，应使SCR工艺统一以环保标准计量NOx。

3 脱硝系统顺序控制逻辑

3.1 控制设备

（1）稀释风机A／B。

（2）反应器氨气速关阀。

3.2 设备控制

锅炉送风机启动后，手动启动稀释风机；锅炉引风机停止后，手动停止稀释风机。

3.2.1 稀释风机

启动允许条件（AND）：（1）无故障信号；（2）稀释风机A远程启动允许。

联锁开（OR）（以稀释风机A作为备用为例）∶（1）稀释风机B运行且A／B两侧任一空气流量小于x1（定值x1为单台反应器8%氨额定体积浓度下稀释风量，m3／h）；（2）稀释风机B故障停运。

联锁停（OR）：（1）稀释风机任一轴承温度大于95℃，延时3 s（温度坏点除外）；（2）稀释风机运行且稀释风机进任一氨／空气混合器流量小于x2，延时10 s（定值x2为单台反应器16%氨额定体积浓度下稀释风量，m3／h）；（3）稀释风机电气故障。

3.2.2 反应器氨气速关阀

启动允许条件（AND）：（1）反应器入口烟气温度大于315℃的3取2逻辑（定值为脱硝运行温度下限）；（2）稀释风进14A侧混合器流量正常，即大于x3（定值x3为混合气体5%氨额定体积浓度下稀释风量，m3／h）；（3）锅炉无主燃料跳闸（MFT）；（4）至少1台稀释风机在运行；（5）至少1台引风机在运行；（6）无联锁关条件；（7）反应器氨气供应压力大于120 kPa。

联锁关（OR）：（1）引风机均未运行；（2）稀释风机均未运行；（3）稀释风机混合器流量小于x4（定值x4为混合气体10%氨额定体积浓度下稀释风量，m3／h）；（4）反应器入口烟气温度小于310℃，延时5 s（3取2任一温度低于315℃报警）；（5）反应器入口烟气温度大于430℃，延时5 s（3取2任一温度高于420℃报警）；（6）锅炉MFT。

3.2.3 其他

（1）反应器脱硝后烟气 NH3体积分数高于0.003‰高报警、高于0.005‰高高报警。

（2）脱硝CEMS数据的处理。CEMS在自动吹扫、维护、故障时NOx和O2浓度信号不做保持；在喷氨自动回路中可根据需要做必要保持，以不影响脱硝运行为准。

4 SCR脱硝控制

氨站的氨气缓冲罐压力由蒸发器出口调节阀控制，保证供气母管压力稳定在0.2MPa；反应器的氨气流量由控制阀调节，目标是控制好烟囱排放口NOx的浓度。由于烟气中难溶于水的NO占NOx的95%以上，所以，只要控制了SCR出口的NO浓度就能保证排放达标。

喷氨控制的两个目标：一是控制SCR出口的NOx浓度不超标，二是控制氨气逃逸率不超标。

根据脱硝原理，喷氨自动控制系统的调节品质越好，氨气逃逸率越接近SCR固有的最小量，这样可使空预器冷端产生的硫酸氢铵最少，最大限度地减少空预器阻力增加，从而减少检修和厂用电率，提高机组发电效率。

4.1 单回路控制

单回路控制系统如图3所示，假设在锅炉输出NOx总量稳定的情况下，单回路控制可以满足要求。由于测量仪表及实际工况的影响，NOx浓度的变化速率和幅度随着时间的推移变化较大，这时比例增益不能适应，微分作用不能用，控制效果很不理想。

图3 单回路控制原理

4.2 单回路变参数控制

在单回路控制的基础上做了如图4所示的改进，增加与负荷变化相适应P，D参数。随着负荷的减小，NOx浓度增加，系统产生了等幅振荡，还是不能适应50%～100%的负荷变化，控制效果无明显好转。

图4 单回路变参数控制原理

4.3 前馈控制

在300MW燃煤供热机组的脱硝改造中，采用SCR入口NOx浓度为干扰信号（如图5所示），取消了PID变参数功能，采用干扰信号作为控制器前馈，直接调整喷氨调门大小，通过开环控制，快速响应NOx的浓度变化，喷氨阀位、流量随入口NOx浓度变化而调节，SCR出口NOx质量浓度控制在（45± 7.5）mg／m3，基本消除了振荡，实现了稳定控制，脱硝氨逃逸率也能稳定在0.0015‰左右。

图5 前馈控制原理

4.4 物质平衡前馈控制

在前馈控制的基础上，运用脱硝选择性还原方程，得到喷氨流量与SCR入口NOx总量相匹配的原理（如图6所示），采用测量相对稳定可靠的锅炉总风量乘以SCR入口的NOx浓度，作为前馈控制器的输入信号，使得前馈控制的量既能够适应燃烧质量的变化，又能适应燃烧负荷的变化，使SCR出口浓度过调量小、稳态精度高，脱硝氨逃逸率也能稳定在0.0015‰左右，控制总体平稳。

图6 物质平衡前馈控制原理

4.5 适应全工况的控制

由于CEMS维护频繁，通常的办法是改为手动控制，当仪表发出故障时，自动切到手动控制。当机组运行稳定时，这种方式可维持脱硝系统正常运行。但由于燃烧工况突变，NOx浓度在短时间内的变化较大，运行人员难以控制，来不及应对，致使排放浓度超标或氨逃逸率超限。

为此，设计了如图7所示的特殊控制方式，作为正常控制的补充，采用条件切换实现。可满足2014年5月新考核办法的要求，在脱硝CEMS维护、消缺中也能实现正常的脱硝运行，达到既能控制氨逃逸，又能减排的目的。

图7 特殊控制方式设计

当SCR入口NOx浓度仪表故障或定期维护时，可以切除前馈控制功能；当SCR出口NOx浓度仪表故障或定期维护时，可以切换到氨逃逸率闭环控制（如图7所示的脱硝系统），将氨逃逸率设定在0.0015‰，再加上机组排放口烟囱处NOx的大延迟闭环控制，当氨逃逸率检测仪表工作不稳定时，可仅用烟囱处NOx的大延迟闭环控制。

5 结束语

实践表明，优化前馈控制可使调节品质明显提高。为了使NOx进一步减排，在保证氨逃逸率在允许范围内的情况下，大幅降低SCR出口NOx浓度，需以SCR性能测试为前提，实践以SCR出口NOx闭环控制为主、NH3逃逸参与闭环控制的运行方式，优化得到一套行之有效的控制策略。

（本文责编：白银雷）

TM 621.7

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：1674-1951（2015）

倪新宇（1970—），男，江苏苏州人，工程师，从事热工测量与控制技术方面的工作（E-mail：chdwdnxy＠163.com）。

2014-06-05；

2014-10-10