串级前馈方法在SNCR烟气脱硝系统上的应用

李昌海，冯慧山，田金海，王金河

（中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270）

我国氮氧化物排放量2009年至2011年一直呈上升趋势，尤其2011年氮氧化物排放量已接近2000万吨[1-2]，为此我国2011年新颁布的标准《GB13223-201火电厂大气污染物排放标准》规定2012年后新建火电机组将执行100 mg/m3的氮氧化物排放限值，而现有机组也要在2014年7月1日前达到该排放标准，以控制氮氧化物的排放量。因此，我部积极地进行了脱硝改造，采用了SNCR+臭氧的脱硝方式，并于2015年6月20日将脱硝装置投入运行，脱硝效果良好，将氮氧化物控制在100 mg/m3以内。同时经过技术攻关，对氮氧化物排放量的控制实现了自动控制，控制效果良好。

1 SNCR脱硝反应原理

SNCR脱硝实际上就是在锅炉炉膛温度为850℃～1100℃的区域内，把还原剂尿素或氨气的稀释溶液喷入炉膛，还原器迅速热解出NH3气体，与烟气中的NOx进行反应生成N2和H2O，该方法在炉膛内部反应（无需SCR反应加装催化剂）。其主要反应如下：

尿素还原的主要反应为

2NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

氨还原的主要反应为

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

当温度过高超过反应温度区域 （1100℃以上）时，氨就又被氧化成NOx，该反应为[3]

4NH3+5O2→4NO+6H2O

2 SNCR脱硝工艺流程

SNCR的整个工艺流程分为尿素溶解存储部分、高流量部分、稀释计量部分和炉前分配部分。其流程为袋装尿素颗粒，经溶解罐与加热后的除盐水稀释（除盐水温度60℃左右），将尿素颗粒溶解稀释为50%的尿素溶液；溶解配制完毕后，将配置好的50%尿素溶液由尿素输送泵送至尿素溶液储罐，存储罐内部由低压蒸汽伴热管线，将尿素溶液储罐内的尿素溶液维持在60℃左右，存储的尿素溶液经过高流量循环模块将尿素溶液打循环，并保证前段循环母管压力不低于0.85 MPa（保证尿素溶液供应量以及稀释入口压头）；由高流量模块输送来的50%浓度的尿素溶液在稀释计量模块中由除盐水稀释至＜10%的尿素溶液，同时将稀释模块的出口压力维持在0.7 MPa（保证喷头处的压头需要）。稀释计量模块将稀释后的尿素溶液分别输送至分配模块DM1、DM2、DM3，在分配模块中，对压缩空气和尿素溶液进行精确计量分配，再输送给各支喷枪。由喷枪将雾化后的尿素溶液喷至炉膛的合适位置，进行脱硝反应。其具体工艺流程和喷枪位置如图1所示。

图1 SNCR脱硝工艺流程Fig.1 Flow chart of SNCR denitration

3 控制系统简介

我厂二电站DCS为OVATION3.0.4控制系统，有14个操作站 （分为OPR210～OPR220、OPR221～OPR223），控制器共26个，分为DPU1～DPU13以及DPU51～DPU63，其中DPU1与DPU51到DPU13与DPU63均为互为冗余的控制器，而DPU10/DPU60有远程I/O站 （通过光纤通讯），数据库站为EWS200、工程师站为 AMS170、历史站为 OPH160、外部通讯站为OPC180、OPC181。脱硝部分采用3对独立控制器 DPU11/DPU61、DPU12/DPU62、DPU13/DPU63，分别对应着 8#、9#、10#锅炉 SNCR脱销DCS控制。

4 脱硝控制方案

在整个SNCR脱硝工艺流程中，主要有4个主要的自动控制回路，分别为储罐温度控制、高流量模块尿素溶液母管压力控制、稀释计量模块稀释尿素溶液压力控制以及尾部烟道NOx含量控制。其中储罐温度控制、母管压力控制和尿素溶液压力控制均为简单的PID回路控制，这里就不再进行说明了；而尾部烟道NOx含量控制是比较复杂的控制，采用了变设定的PID控制，其PID设定值SP为根据负荷变化而给定的折线输出值（根据实际情况拟合的曲线），其负荷-尿素流量折线如图2所示，并将折线分为“折线 1”、“折线 2”、“折线 3”3 个区域（该折线为调试过程中数据采集后拟合得出），将对应折线的尿素溶液量送至PID模块的SP端，对尿素溶液调节阀进行控制，以调节控制实际尿素溶液的流量，即改变尿素溶液喷入量，以达到氮氧化物的控制效果，其控制逻辑如图3所示，可以看出该逻辑既可以在线指定锅炉负荷（即主蒸汽流量调节方式），也可以在线指定尿素溶液流量。

图2 负荷-尿素流量折线Fig.2 Curve of load of steam-flow of carbamide

图3 NOx含量控制逻辑Fig.3 Chart of control logic of NOxcontent

但该方案存在以下问题：①由于该控制回路的控制对象为尾部烟道的NOx含量，而该控制只与锅炉负荷有关，没有直接控制NOx含量，相当于开环控制，无法避免除锅炉负荷影响因素外的其他干扰因素的扰动，因此无法实现NOx含量控制；②由于我厂为焦煤掺烧的CFB锅炉，由于燃料的配比不同无法由单个负荷-尿素流量折线对应出控制NOx含量的规律[4]；③反应区的温度场调整变化，对SNCR的反应效率也有很大的影响[5]；④锅炉的配风和氧量变化，对SNCR的反应也有一定的影响[6-7]；⑤CFB锅炉炉内投入的石灰石量，对NOx的生成也有一定的影响；⑥依据图2折线中80%的负荷为跳变点，因此锅炉在370 t/h～375 t/h范围内变化时 （正常情况时，锅炉的负荷也在5 t/h的范围内摆动），导致锅炉喷按量跳变，无法实现NOx含量的平稳过渡，影响脱硝效果。

5 改进控制方案

针对上述问题，结合该热电厂的实际情况，对NOx含量自动控制方案进行了修改，在主蒸汽调整方式下，增加了NOx含量的反馈控制，将该回路设为主回路，尿素溶液量控制设为辅回路，并将主蒸汽负荷折线输出设置为尿素溶液流量的前馈，同时，为了避免NOx含量的反馈控制频繁震荡调节的问题，进行了阈值限定，这样既可对锅炉负荷的干扰进行及时调整，又可以对影响NOx含量的其它干扰进行调整，保证了控制回路对NOx含量的控制效果，其改进NOx含量控制逻辑图如图4所示。而对于80%临界负荷调整门跳变的问题，修改了前馈折线，即将图2折线修改为图5折线，修改后调整阀门在临界过渡区域平稳过渡。

图4 改进NOx含量控制逻辑Fig.4 Chart of control logic of improving on NOxcontent

图5 改进负荷-尿素流量折线Fig.5 Curve of improving on load of steam-flow of carbamide

在调试过程中，对控制逻辑的PID参数和修正值进行了整定，整定后NOx含量控制PID的参数为Kp=45，Ki=240，Kd=0.05，PID_OUTPUT=（-15%，15%）；尿素流量控制 PID 参数为 Kp=35，Ki=780，Kd=0；求和限制30%。

6 脱硝控制效果

调试整定后，发现电动调节阀的死区较大（死区为4%左右），整定参数后，控制效果良好。氮氧化物的排放实现了自动控制，如图6、7所示，分别为8#、9#锅炉氮氧化物控制曲线，实线为NOx含量的过程值PV，虚线为NOx含量的设定值SP，由图可知NOx含量均得到了控制。图6中 8：38：14锅炉负荷增加了 13 t/h的扰动，NOx含量最高达到90.4mg/m3后，又回到设定值附近，控制效果良好，图7为9#锅炉80%负荷稳定状态下NOx含量曲线。

图6 8#锅炉氮氧化物1 h控制效果Fig.6 One hour control effect of NOxcontent of the 8#boiler

图7 9#锅炉80%负荷下氮氧化物1 h控制效果Fig.7 One hour control effect of NOxcontent on 80%steam load of the 9#boiler

7 结语

针对尾部烟道NOx含量的控制，我部采用了SNCR的脱硝控制方式，修改了原变设定值SNCR的控制策略，采用改进串级加前馈的方法，算法简单，参数整定方式清晰，便于应用在DCS控制系统中，该控制方法利用负荷变化折线函数，有效地克服了负荷变化对NOx含量的扰动，同时使温度场、配风、氧量、石灰石投入量、燃料掺烧变化等干扰得到有效的控制，解决了SNCR脱硝方式下NOx含量排放的难于控制的问题；投运至今，NOx含量控制达到了预期控制指标，满足了SNCR脱硝自动控制的要求，为装置稳定、经济运行提供了保证，对同类型CFB锅炉SNCR脱硝自动控制具有一定的参考价值。当然，SNCR脱硝的控制方法也不是唯一的，可以通过细化前馈量、预估模型、自适应控制、模糊控制等相结合的复杂控制方法来达到或进一步提高SNCR脱硝的控制效果。

[1]环境保护部.环保部2010环境统计年报[R]，2010.

[2]国家发展和改革委员会.关于2011年国民经济和社会发展计划执行情况与2012年国民经济和社会发展计划草案的报告[R]，2012.

[3]胡浩毅.以尿素为还原剂的SNCR脱硝技术在电厂的应用[J].电力技术，2009（3）：55-57.

[4]侯祥松，张海，李金晶，等.影响选择性非催化还原脱硝效率的因素分析[J].动力工程，2009，25（增 1）：72-77.

[5]韩应，高洪培，王海涛，等.SNCR烟气脱硝技术在330 MW级CFB 锅炉的应用[J].节能减排，2013，19（6）：85-88.

[6]Lyon RK.The NH3-N0-02 reaction[J].International Journal of Chemical Kinetics，1976（8）：315-318.

[7]Muzio LJ，Arand JK，Teixeira DP.Gas phase decomposition of nitricoxide in combustion products[C]//16th Symposium（International）onCombustion，The Combustion Institute，1976：199-208.