火力发电厂脱硝自动控制系统的优化与改进探讨

吕巍　刘洋

摘要：文章阐述了SCR尿素脱硝工艺的流程与特点及火力发电厂脱硝自动控制系统优化与改进的重要性，分析了火力发电厂脱硝自动控制中存在的问题，从脱硝自动控制系统的优化、现场设备的故障处理与改进和确保脱硝自动控制系统正常运行的措施入手，探讨了火力发电厂脱硝自动控制系统的优化与改进方法及其在火力发电厂脱硝控制中取得的成效。

关键词：脱硝自动控制系统；SCR尿素脱硝工艺；系统优化；系统改进；设备故障 文献标识码：A

中图分类号：X773 文章编号：1009-2374（2016）05-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.016

在火力发电厂的生产运营中，不可避免会产生很多的氮氧化物。如果处理不当，会对大气造成严重污染，引发酸雨和酸雾等问题，并且破坏大气的臭氧层。火力发电厂主要利用脱硝自动控制系统处理氮氧化物，如SCR脱硝系统，如果系统操作人员不能及时处理因机组负荷变化等造成的影响，将会使脱硝后的氮氧化物排放超标，增加消耗的液氨量及运行成本。因此，探讨火力发电厂脱硝自动控制系统的优化与改进，对避免造成环境污染、降低火力发电厂的运行成本非常重要。

1 SCR尿素脱硝工艺的流程与特点

SCR尿素脱硝工艺采用水解法或者热解法，前者是将尿素以水溶液形式进行分解，后者是加热雾化后的尿素溶液，得到固态或者熔化态的尿素，纯尿素在加热条件下分解后为SCR提供氨气。热解法相对优越，不会产生聚合物，应用也更为广泛。

1.1 SCR尿素脱硝工艺的流程

尿素热解法脱硝工艺以尿素为吸收剂，工艺流程是将尿素输送到溶解罐中，用除盐水将固体尿素溶解为质量分数为50%的尿素溶液，然后经过混合泵输送到尿素溶液储罐，经过给料泵、计量及分配装置和雾化喷嘴等进入到绝热分解室，与加热的稀释空气充分混合，雾化后的尿素液滴在绝热分解室分解生成氨气与二氧化碳，经过氨喷射系统，将得到的氨气与烟气进行混合，氨气和氮氧化物发生反应，从而减少烟气中氮氧化物的含量，最终实现烟气脱硝的目的。

1.2 SCR尿素脱硝工艺的特点

尿素热解法制氨脱硝工艺操作简单，不需要很多的人力与维护，并且跟踪机组负荷变化能力强，响应的时间比较短，没有高压容器，也不会有中间聚合物的产生，不存在氨泄露问题，消除了可能存在的安全隐患，实用性与安全性大大增强。

2 脱硝自动控制系统优化与改进的重要性

很多火力发电厂希望利用物理原理，从设备结构与运行方式等方面优化脱硝系统，忽视了对脱硝自动控制系统的优化与改进，但是事实证明脱硝自动控制系统直接影响着火力发电厂的运行成本，其重要性不容忽视。

有资料表明，火力发电厂脱硝过程使用尿素的成本占脱硝运行总成本的一半以上，如果脱硝自动控制系统的运行不畅，很容易使火力发电厂氮氧化物的排放超标。火力发电厂为了使氮氧化物排放符合国家规定排放标准，只有降低氮氧化物的平均浓度，不得不增加尿素的喷射量，造成火力发电厂的运行成本增加。因此，火力发电厂脱硝自动控制系统优化与改进不仅是实现经济效益最大化的有效措施，也是保证火力发电厂安全正常生产的根本途径。

3 火力发电厂脱硝自动控制中存在的问题

3.1 影响火力发电厂脱硝自动控制的因素

依据SCR脱硝系统的运行特性及设备性能特点，影响脱硝自动控制的因素主要包括：（1）测量仪表：SCR入口与出口、烟囱入口的氮氧化物分析仪、SCR出口的氨气分析仪和测量系统等出现故障；（2）锅炉系统：燃煤质量差、机械设备出现故障、燃烧情况较差和反应催化剂已经老化等；（3）人员问题：不熟悉脱硝工艺、故障处理不及时和监管不负责任，没有及时发现系统异常等。

3.2 影响火力发电厂脱硝控制方式的问题

SCR脱硝的控制方式主要为两种：（1）固定摩尔比，将定值设为脱硝效率或综合氨氮的摩尔比，根据烟气流量、氨氮的摩尔比和SCR入口的氮氧化物浓度等，求出氨气的需求量，然后通过调节阀控制氨气的实际流量；（2）固定SCR出口的氮氧化物浓度，以固定摩尔比的控制方式为基础，将定值设为SCR出口的氮氧化物浓度，结合烟囱入口的氮氧化物浓度偏差，对氮氧的摩尔比进行修正，最终实现控制SCR出口氮氧化物浓度的目的。两种控制方式在实际运行中均存在如下问题：（1）没有将烟囱入口的氮氧化物作为控制量，从而使氮氧化物控制目标偏离了环保考核的目标；（2）控制方式的设计比较简单，对滞后被控对象控制效果不显著；（3）控制系统只考虑了机组负荷和烟气量的变化等和被控对象之间的静态关系，不适应煤种变化和机组负荷的指令变化等。

4 脱硝自动控制系统的优化与改进方法

4.1 脱硝自动控制系统的优化

通过分析SCR脱硝自动控制系统运行环境、特性数学模拟和考核要求等，提出基于模糊控制、预测控制和自适应控制的SCR脱硝自动控制的优化与改进解决方案，并利用PLC控制设施实现此优化方案。优化改进后脱硝自动控制系统有如下优势：（1）以烟囱入口的氮氧化物浓度值为调节目标，保持与环保考核的一致性，方便机组运行时进行调整；（2）可以依据机组指令变化规律，实时预测氮氧化物浓度波动情况，对控制算法进行适当调整，保证契合机组指令的变化相位相反，避免出现叠加震荡等调节控制，降低氨气的消耗量。

4.2 现场设备的故障处理与改进

SCR脱硝自动控制系统中的各设备主要故障与改进措施：（1）对SCR入口与出口的氮氧化物分析仪，其前端的取样胶管容易出现破裂和损坏，从而使胶管出现漏气情况，导致测量数据出现错误。改进措施是对优化探头前端的预处理部件，取消不必要的部件，可以有效消除故障；（2）改进氮氧化物的测量系统，并在氮氧化物分析仪的机柜处安装二级除湿与样气精滤等装置，降低或者消除水和氧气灰等对氮氧化物分析仪的影响；（3）原来氮氧化物的测量系统吹扫过程中，测量数据会发生突变，改进措施是修改系统程序，保持测量系统吹扫数据，避免对脱硝自动控制系统造成不利影响。

4.3 确保脱硝自动控制系统正常运行的措施

4.3.1 注重检修人员的技能培训。如果检修人员对脱硝设备的性能和运行状况不熟悉，没有良好的环保意识，就无法妥善解决设备故障问题，从而影响脱硝自动控制系统的正常运行。因此，火力发电厂需要注重对检修人员的技能培训。一方面，火力发电厂需要提高检修人员的业务能力和技术水平，熟悉脱硝设备的性能及构造，可以解决设备出现的各种故障，并定期对脱硝设备的运行状况进行检修，做到防患于未然；另一方面，火力发电厂需要增强维修人员的环保理念，注重环保重要性的宣传，帮助维修人员熟悉环保考核的各项指标与规则，确保火力发电厂的氮氧化物排放量符合国家规定标准。

4.3.2 加强尿素区域的检查。当系统中所有阀门送气、送电工作均已到位，应加强尿素区域的检查，尤其应认真检查尿素溶解罐中尿素浓度。同时确保尿素溶液高度处于规定的范围内。另外，还应重视尿素相关仪表工作状态的检查，确保其处于最佳的工作状态，避免仪表反馈错误信息，影响系统的正常工作。

5 脱硝自动控制优化及改进取得的成效

5.1 有效控制氮氧化物浓度变化

当脱硝为手动控制时，氮氧化物浓度的变化比较大，并且不容易恢复到设计要求的定值；当脱硝自动控制优化及改进后，氮氧化物的浓度有效控制在设定值允许变化的范围内。

5.2 节约了氨气的用量

火力发电厂脱硝自动控制系统优化及改进后，当机组的燃煤品质发生变化，使得脱硝入口处氮氧化物的浓度下降，自动控制系统可以立即关闭氨气阀，降低了氨气的用量。有数据统计，相同机组时，脱硝自动控制系统优化与改进后，氨气用量可以降低20%左右。

5.3 降低了氮氧化物的排放量

在传统脱硝控制方式中，烟囱入口处的氮氧化物排放浓度>250mg/Nm?，脱硝效率为45%；当脱硝自动控制系统优化与改进后，氮氧化物的排放浓度为90mg/Nm?，脱硝效率为75%。

6 结语

总之，火力发电厂脱硝自动控制系统的优化及改进不仅关系到火力发电厂的经济效益和社会效益，而且关系到绿色社会的建设。火力发电厂只有认真分析脱硝控制系统中存在的问题，并采取针对性的优化与改进措施，才能降低火力发电厂氮氧化物的排放量，为社会民众创造绿色环保的生活环境。

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（责任编辑：周 琼）