燃煤机组脱硝系统智能优化关键技术探讨

燃煤机组脱硝系统智能优化关键技术探讨

当前，我国大气污染状况依然十分严重，主要表现为煤烟型污染，城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标，二氧化硫污染一直在较高水平，氮氧化物污染呈加重趋势。煤炭消耗量不断增加，在各类排放源中，电厂和工业锅炉排放量占到70%，但脱硫脱硝行业尚处于起步阶段，且技术主要依赖进口。本文介绍了燃煤机组脱硝系统智能优化关键技术，探讨通过改善氨逃逸、烟气喷氨优化等技术，形成符合我国国情的燃煤烟气污染物超低排放技术路线，实现清洁排放，污染物大幅度降低，具有良好的环境、经济和社会效益。未来，进一步研究燃煤电厂烟气污染物深度脱除技术及二氧化碳捕集技术等，最终实现燃煤烟气污染物的近零排放。

脱硝系统；智能控制；卡边控制；氨逃逸

1 前言

当前，我国大气污染状况依然十分严重，主要表现为煤烟型污染，大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标，二氧化硫污染一直在较高水平，氮氧化物污染呈加重趋势。煤炭消耗量不断增加，随之带来二氧化硫排放总量急剧上升，在各类排放源中，电厂和工业锅炉排放量占到70%。我国目前在发电机组上应用的烟气脱硝技术除个别单位自行开发了具有自主知识产权的核心技术外，绝大多数单位采用的SCR、SNCR烟气脱硝技术尚处于引进、消化吸收和初步应用阶段，企业的技术水平亟待提高。

2013～2015年，随着环保要求的不断提高，环保连发“三道金牌”，特别排放限值催生“超低排放”，燃煤电厂仍然是脱硫脱硝重点行业，促成燃煤电厂超低排放形成气候。全国各大电厂纷纷进行脱硫、脱硝和除尘技术改造，然而这些改造是分批分时进行，造成脱硫、脱硝、除尘各行其道，各厂家各系统形成了设备孤岛，互不关联，孤岛效应使脱硫、脱硝和除尘不能完全发挥各自的功效，由此衍生出了一系列的问题。如：各系统有各自的操作室，有各自的操作人员，造成了人员的浪费，降低了工作效率；在实际生产工况发生变化时，不能快速做出调整，造成环保指标波动较大；操作大起大落，环保指标一般控制在非常低的水平，造成脱硫剂、脱硝剂以及电能的浪费。

近年来，国家通过多项科技项目部署了大量经费用于支持燃煤电厂大气污染物控制理论提升及技术研发工作，在SO2、NOx、颗粒物等污染物控制方面取得了重大突破，为探索建立一套使燃煤电厂主要污染物排放达到排放限值的脱除技术提供了有力保障。SO2控制方面，发展了石灰石/石灰-石膏湿法、烟气循环流化床法、海水法等脱硫技术，其中石灰石/石灰-石膏湿法烟气脱硫技术在我国已投运燃煤脱硫机组中占90%以上的份额，其脱硫效率一般可达95%以上；NOx控制方面，发展了有低NOx燃烧技术、选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝技术、选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝技术和SNCR-SCR耦合脱硝技术等，其中SCR烟气脱硝技术在我国已投运燃煤脱硝机组中占95%以上的份额，其脱硝效率一般为70%～85%，最高可达90%以上；颗粒物控制方面，发展了静电除尘、袋式除尘和电袋复合除尘等除尘技术，其中现有近80%的火电机组安装了静电除尘器，而随着近年电除尘技术及协同除尘处理技术的进步，电除尘应用正呈现上升趋势。通过对SO2、NOx、颗粒物等多种污染物高效脱除与协调控制技术全智能集成研究，可以实现燃煤机组的超低排放。[1～5]

燃煤机组脱硝系统智能优化技术通过智能优化控制技术、协调优化控制技术和故障容错及自愈控制技术等，实现液氨蒸发温度、烟气喷氨和脱硝氨逃逸等控制回路长期可靠的全自动优化运行。[6～10]

2 脱硝智能优化控制关键技术

2.1 液氨蒸发温度自动控制

液氨蒸发温度自动控制回路根据实际使用液氨流量和生成液氨量的差值，通过先进控制模块调节，实现液氨温度的自动控制，使使用液氨流量和生成液氨流量达到平衡。同时将锅炉生产工况和氮氧化物的控制点作为前馈，对液氨蒸发装置温度实现超前补偿，使控制效果更加平稳，具体如图1所示。

图1 液氨蒸发温度控制框图

2.2 烟气喷氨智能优化控制

脱硝系统的喷氨优化控制采用精细化的卡边、分区、分级、预测、协调、优化控制。

精细化控制：根据烟气中所含有的氮氧化物的含量，结合环保排放的要求以及设定脱销效率，精确计算当前需要的氨气量，通过串级控制算法，主调节为带有分级（锅炉生产工况如燃煤量、炉膛温度、进出口氮氧化物含量）计算需要的氨气量作为设定值，副调节根据氨气量设定值和实际的偏差值计算阀门开度；

卡边控制[11]：通过实时计算统计每小时内的均值，根据实际均值与环保考核上限修改二氧化硫控制回路的控制点，实现卡边控制。控制指标既能满足环保要求，又能将指标控制在环保要求的上限，从而节约脱硫剂；根据环保要求的排放指标的上限作为氮氧化物的控制指标，由此，明显减少氨逃逸。

预测控制：由于脱硝被控对象（NH3流量烟囱入口处NOx浓度）的响应纯延迟时间接近3分钟，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象。带有前馈回路的分区串级控制系统已可达到分区精细化控制目标，但为实现喷氨量更优控制，并使得控制目标与环保考核目标相一致，按照环保考核特点，设计了基于预测控制的优化策略。选择烟囱入口处NOx测量值作为控制目标，即优化的总喷氨量，烟道两侧SCR脱硝塔出口分区NOx测量值则通过的加权平均后作为参考校正，用于决定左右烟道各自的喷氨需求量。该预测控制采用神经网络系统在线辨识的方法，采用喷氨量、燃煤量、烟气量作为系统的输入，出口氮氧化物含量作为输出，通过在线系统辨识，辨识出输入与输出的关系，根据当前的喷氨量预测出口氮氧化物的含量，提前动作，稳定出口氮氧化物的含量。

图2 喷氨智能控制框图

分区控制：将分区串级控制系统加入上一级带有前馈回路的串级控制系统，当各区域间NOx浓度偏差较小时，分区控制回路解除，利用同操器进行同操控制，同操器输出直接控制各区域喷氨阀门，以利增加调节系统的快速性；当各区域内NOx浓度偏差超过一定数值时，同操自动解除，控制系统自动切入分区控制系统。利用优化算法的控制策略，喷口出口处氨气浓度分布更加均匀，还原剂的利用率将得到大幅提高，具体如上图2所示。

2.3 两侧反应器平衡协调

对于现场具有两个脱硝反应器的烟道脱硝系统，总的排放标准是达标的，但单个反应器排放可能是不达标的，造成两侧催化剂的使用量及使用时限会造成差别，有效控制两侧反应器的平衡，是对脱硝系统有效的诊断，达到自愈控制的目的，具体如图3所示。

图3 反应器平衡协调控制框图

2.4 脱硝氨逃逸智能控制

2.4.1 氨逃逸现状及危害

氨气逃逸后和三氧化硫反应生成硫酸氢氨，硫酸氢氨在180℃～200℃的环境中呈“鼻涕”状的粘性物，在空预器高温段和低温段处烟气中的灰尘在该处容易和硫酸氢氨一块极易粘附于空预器换热面上，使空预器换热元件脏污，降低空预器的换热效果，从而排烟温度升高，锅炉效率降低。为减少脱硝装置运行时对锅炉的影响，控制硫酸氢氨的生成量就显得尤为重要。生成硫酸氢氨的反应速率主要与温度、烟气中氨气、SO3及水含量有关。对于实际运行的火电机组，锅炉烟气中SO3及水的含量无法控制。因此，必须严格控制氨的逃逸率。[12]

2.4.2 氨逃逸智能控制

（a）正常运行中严格控制氨的喷入量，防止氨气过量而造成氨逃逸，正常情况下应控制氨逃逸率不超过3ppm。控制上实行喷氨卡边控制，有效控制氨的喷入量。

（b）锅炉正常运行中通过开大低氮燃烧器燃烬风风门开度，降低SCR脱硝装置入口NOx指标，从而达到既满足环保要求，又减少了喷氨量。从锅炉的协同控制上，降低氮氧化物的生成量。

（c）正常运行中脱硝出口氮氧化物排放不能高于50mg/Nm3，AB两侧偏差不大于15mg/Nm3。利用两侧反应器协同平衡技术，保证两侧的氮氧化物浓度偏差，避免造成一侧过大，喷氨量过大造成的氨气逃逸问题。

（d）加强空预器进、出口差压的监视，发现空预器进、出口差压增大时及时自动减少喷氨量，增加空预器低温段的吹灰次数。

3 解决的问题

燃煤机组脱硝装置优化关键技术的成功研发，将解决以下问题：

（1）极大地降低工人劳动强度，实现环保岛系统的准无人化操作，提高工作效率和安全生产水平；

（2）实现脱硫剂、脱硫岛内温度和脱硫岛内床压的自动控制，明显提高对应指标的控制精度；

（3）实现环保岛装置的集中操作，将多台锅炉脱硫脱硝设备实现集成智能控制和管理，实现所有环保在线实时显示和统计，实现多装置间的及时协调和控制，使控制指标的合理、平稳；

（4）实现控制指标卡边控制，在满足烟气SO2排放指标的前提下，实现脱硫剂用量最少，电耗下降；

（5）实现脱硝装置的及时有效调控，控制指标合理稳定，减少氨逃逸，使换热器效率进一步提升，提高了锅炉效率。

4 结语

随着我国经济的进一步发展，人均用能水平的不断提高，以及对空气质量改善的需求，未来大气污染物排放要求必将日趋提高。在新能源发展尚不能满足我国现阶段经济和社会发展需求时，火电机组脱硫脱硝技术是我国目前能源客观条件下的必然选择。尤其是在人口密集、经济发达的重点地区，更清洁的煤炭发电技术是未来燃煤电厂发展与立足的必由之路。

当前在我国能源资源短缺和节能减排双重约束下，发展清洁煤技术是当前我国重大战略需求，智能优化控制技术最新的研究和工程实践，实现煤电产业节能减排，是我国大气污染防治的一条重要可持续发展路线。

燃煤清洁发电技术是当前国际能源环境领域的战略性前沿课题之一，也是研究热点和难点问题之一。针对我国大气污染治理的严峻态势，通过燃煤烟气污染物超低排放的新思路，实现燃煤烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等多种污染物排放达到或优于标准排放水平，具有良好的经济、环境和社会效益。

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Discussion on Intelligent Optimization Key Technology for Denitration System of Coal-f i red Unit

In recent years, air pollution is very serious, mainly manifested as soot pollution. The concentration of total suspended particulate matter in urban atmospheric environment generally exceeds the standard, and the pollution of SO2has been at a high level. Coal consumption continues to increase, in various types of emission sources, power plants and industrial boilers account for 70% of emissions. Desulfurization and denitration industry is still in its infancy, and technology is mainly dependent on imports. This work introduces the intelligent optimal control idea of thermal power unit denitration system. By improving the ammonia escape andoptimal technology, we attempt to form the ultra-low emission technology roadmap of flue gas pollutants in line with national conditions, and achieve clean emissions. It is possible to achieve a substantial reduction of pollutants with good environmental, economic and social benefits. In the future, the further research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants. This work discusses the existing problems of environmental Island, through the side control and ammonia escape technology can achieve a substantial reduction of pollutants, with good environmental, economic and social benefits. In the future, the research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants.

Denitration system; Intelligent control; Borderline control; Ammonia escape

俞金树（1960-），男，福建莆田人，高级工程师，本科，现任福建省鸿山热电有限责任公司总经理，主要研究方向热电厂生产运行和技术管理、过程控制技术等。

B

1003-0492(2017)04-00104-04

TP273

★俞金树（福建省鸿山热电有限责任公司，福建 石狮 362712）