300MW亚临界机组SCR脱硝自动控制优化浅析

华能国际电力股份有限公司德州电厂 张兰庆 戴 晖 刘书杰

随着国家对超低排放概念的提出，NOx排放标准较现行《火电厂大气污染物排放标准》（GB13233-2011）大幅下降50%，限定为50mg/m3之下，各地环保局对火力发电机组NOx排放考核方式基本采用最终排放出口烟囱实时测量值，取小时平均不大于50mg/m3，适当允许瞬时超标。实际考核中，随着国家对环境保护意识的提高，部分省份已逐步要求火力发电机组提高自身NOx控制水平，逐渐杜绝瞬时超标现象。

当前降低燃煤锅炉NOx排放的技术路线主要分为两种：一是通过低氮燃烧技术控制煤燃烧过程中NOx（NOx含量）的生成；二是通过烟气脱硝技术对已生成的NOx进行处理，具体又可分为SCR（催化性还原）技术和SNCR（非催化性还原）技术。由于低氮燃烧技术对NOx的脱除效率仅有25～40%，大型燃煤锅炉单纯依靠这种技术显然无法满足最新的环保法规标准，烟气脱硝逐渐被采用，而烟气脱硝技术中SCR脱硝效率最高，已被大量成功应用于国内外燃煤电站。

华能德州电厂4号机组为国产300MW亚临界供热机组，扩容后最大出力330MW，锅炉已进行SCR脱硝整体改造，改造后脱硝喷氨自动控制系统投运至今，但由于煤质变化及脱硝调节测点（脱硝出口NOx含量）设计为单点取样，调节品质一直不太理想，严重影响脱硝系统稳定性和经济性，机组环保压力较大。

1 系统概况

华能德州发电厂4#机组为国产300MW亚临界发电机组，锅炉由哈尔滨锅炉厂生产，型号为300MWHG1025/182-M，扩容改造后最大出力为330MW。#4机组脱硝自动控制方式下，由于煤质的来源复杂性和燃烧工况的特殊性，主要碰到如下问题：

受制于燃煤市场价格波动因素，入炉煤质变化频繁，燃料含氮量的大幅变化必然会反应燃料型NOx含量的生成，同时煤质变化势必对过剩空气系数需求不一样，在同样过剩空气系数下则必然产生不一样的NOx含量生成量，最终影响到机组SCR脱硝NOx含量控制调节品质；机组大机组负荷变动时，出于对AGC控制的响应，锅炉需要在主力燃烧区间保持富氧增强燃烧，同时需在机组负荷变动时超调大量煤量，而主力燃烧区间温度则势必上涨，热量型NOx含量大量生成，低氮燃烧技术被抑制，最终影响到机组SCR脱硝NOx含量控制调节品质；由于空预器堵塞，烟气流场不均导致NOx含量单测点失真，测点失真后脱硝调节系统大幅开关喷氨阀，烟囱出口NOx含量控制不稳定导致氨逃逸增大，又容易引起空预器堵塞，加剧烟气流场不均，造成恶性循环。

#4机组脱硝自动控制系统受制于以上原因经常需运行人员干预操作，不仅增加了运行人员的工作，而且当锅炉运行工况发生改变时不能及时动作，造成烟囱出口NOx含量不能有效稳定控制，浓度超标或远低于环保标准运行，增加运营成本和催化剂中毒机率，当机组负荷变动剧烈时更是不能满足要求。

2 优化方案

#4机组SCR脱硝自动控制系统的原始控制策略采用固定摩尔比单回路控制方式，脱硝效率和SCR进口NOx含量含量通过对脱硝进口烟气流量的计算得到，同时计算出还原该部分NOx含量所需氨量的需求值，以实际测量得到的液氨流量作为实际的反馈，两者间的实际偏差引进到PI控制中，这样所得到的对喷氨调节阀的开关命令[1]。

#4机组SCR脱硝自动控制系统未优化前，烟囱出口NOx含量在机组大范围机组负荷变动时波动较大，经常性超过50mg/m3，最高值能达到85mg/m3，为了保证环保考核值（烟囱出口NOx含量小时均值）不超标，运行人员不得不采取暂缓负荷变动、手动调整喷氨阀门等方式来控制烟囱出口NOx含量，如图1。其中曲线1～9（7为发电机功率）分别为脱硝A侧出口NOx含量、脱硝A侧出口NOx含量设定值、脱硝B侧出口NOx含量、脱硝B侧出口NOx含量设定值、机组负荷、净烟气NOx含量、脱硝A侧喷氨阀指令、脱硝B侧喷氨阀指令。

通过对#4机组历史曲线和原有脱硝自动控制策略分析，发现机组烟囱出口NOx含量波动主要发生在以下情况：

机组机组负荷变动及启停磨阶段，由于现有控制策略中前馈部分只有SCR进口NOx含量信号，该信号与脱硝出口NOx含量变化趋势几乎同步，很难起到提前动作效果，烟囱出口NOx含量波动较大；机组负荷稳定时，由于现有控制策略为效率模式下固定摩尔比控制，消除偏差能力较弱，往往与设定值偏差由10mg/m3回复到设定值±3mg/m3以内的时间需要30分钟至50分钟不等，系统快速性严重不足，运行人员在此情况下，长期只能将脱硝出口NOx含量设定在较低的30mg/m3左右，以避免环保考核超限。

烟囱出口NOx含量与脱硝出口NOx含量偏差较大且具有明显非线性现象，该现象应为烟气流场不均所造成，往往脱硝出口NOx含量变化10mg/m3，烟囱出口NOx含量在延时3分钟后能变化20mg/m3左右，当系统进入烟气流场严重不均状态时，脱硝出口NOx含量会大幅波动，进而影响最终烟囱出口NOx含量的稳定；脱硝出口NOx含量吹扫时，由于现有控制策略仅仅按脱硝入口NOx含量估算喷氨阀门开度，导致吹扫结束后脱硝出口NOx含量会大幅波动且稳定时间很长。结合#4机组SCR脱硝自动控制系统运行实际情况及环保NOx相关规定，决定从以下方面对脱硝自动控制系统进行优化。

2.1 优化一

效率模式下的固定摩尔比控制策略对脱硝出口NOx含量的一般性波动调节较慢，不利于脱硝出口NOx含量调节的快速性及稳定性，针对此现象采取措施为将原有控制策略中基于固定摩尔比的单回路控制修改为串级控制：主调控制脱硝出口NOx含量，副调控制喷氨流量，同时对喷氨流量进行下限设置，避免由于喷氨压力的变化导致喷氨阀门线性变化带来的NOx含量波动。

2.2 优化二

脱硝出口NOx含量测量值均采用单测点测量方式，取样点仅能抽取锅炉烟道某一局部的烟气进行分析，而由于空预器堵塞导致烟气流场不均等现象，脱硝出口NOx含量取样不能有效反应整个烟道内NOx含量分布情况，经过脱硫装置烟气混合后，烟囱出口NOx含量经常与脱硝出口NOx含量发生较大偏差，为维持烟囱出口NOx含量在某一定值附近，须不断根据实际工况调整脱硝出口NOx含量设定值，采取措施为增加烟囱出口NOx含量小时均值，对脱硝出口NOx含量设定值修正功能：

当烟囱出口NOx含量小时均值低于45mg/m3且越过调节死区时，以积分形式逐步提高脱硝出口NOx含量设定值直到烟囱出口NOx含量小时均值维持在45mg/m3左右；当烟囱出口NOx含量小时均值高于45mg/m3且越过调节死区时时，以积分形式逐步减小脱硝出口NOx含量设定值直到烟囱出口NOx含量小时均值维持在45mg/m3左右，消除烟气流场不均对NOx含量调节的影响，调节死区设置为±2mg/m3，当烟囱出口NOx含量小时均值在调节死区范围内波动时（即烟囱出口NOx含量小时均值处于45±2mg/m3），脱硝出口NOx含量设定值修正功能不启用，其修正值保持当前值，当烟囱出口NOx含量小时均值越过调节死区范围时（即烟囱出口NOx含量小时均值越过45±2mg/m3），脱硝出口NOx含量设定值修正功能启用，其修正值以积分形式增减，直至烟囱出口NOx含量小时均值再次处于调节死区范围内。

2.3 优化三

机组负荷变动时，原来的控制策略仅采用脱硝入口NOx含量为前馈，此信号由于在时延性上与脱硝出口NOx含量几乎处于同步状态，因此无法有效产生提前量效果，反而在负荷变动后期容易造成脱硝出口NOx含量大幅波动，针对此现象，采取措施为增加机组负荷变动前馈信号：第一路取锅炉总风量指令信号经过线性处理及惯性环节后生成需氨量信号1；第二路取机组目标负荷指令信号经过线性处理及惯性环节后生成需氨量信号2；第三路取脱硝入口NOx含量值乘以脱硝入口NOx含量的微分值，经过线性处理及惯性环节后生成需氨量信号3；该三路机组负荷变动前馈经过权重分配后进行叠加，在机组负荷变动时提前变动需氨量，进而控制喷氨阀门提前动作，保证机组负荷变动时NOx含量不会大幅波动。

2.4 优化四

脱硝A/B侧出口NOx含量在吹扫维护时，CEMS系统为避免吹扫维护时NOx含量信号归零，会将NOx含量闭锁在当前值，一般吹扫时间为7至10分钟不等，在吹扫结束后NOx含量恢复为正常测量，在整个吹扫闭锁过程中，一旦出现负荷变动或燃烧工况变化，脱硝出口NOx含量无法进行正常调节，在吹扫结束后往往脱硝出口NOx含量会发生较大波动，不利于调节系统稳定性。

针对此现象，采取措施为将脱硝A/B侧入口NOx含量、脱硝A/B侧出口NOx含量吹扫维护时间进行奇偶点错时吹扫，当脱硝A/B侧出口NOx含量吹扫维护时，闭锁住此时相应脱硝A/B侧入口NOx含量和脱硝A/B侧出口NOx含量的偏差，再叠加上脱硝A/B侧入口NOx含量经过线性处理及惯性环节后形成模拟脱硝A/B侧出口NOx含量进行吹扫维护时的调节，避免当脱硝出口NOx含量信号吹扫维护时所发生的剧烈波动，在吹扫维护结束后能快速稳定脱硝出口NOx含量。

2.5 优化五

机组磨煤机启停时NOx波动较大，针对此现象，采取措施为取各磨组运行方式信号经权重校正及惯性环节后，形成启停磨需氨量信号。当起磨时，根据不同磨组对脱硝出口NOx含量变化影响，以不同的速度、幅度、时间增加需氨量；当停磨时，根据不同磨组对脱硝出口NOx含量变化影响，以不同的速度、幅度、时间减少需氨量，减弱机组启停磨对NOx含量的冲击。

3 优化后投运效果

通过对德州电厂#4机组SCR脱硝NOx调节系统原有控制策略进行相应修改、控制参数优化后，脱硝NOx（NOx含量）调节稳定性和快速性大幅提升，机组负荷稳定时烟囱出口NOx含量能稳定控制在设定值±5mg/m3，机组变负荷及启停磨时烟囱出口NOx含量能有效控制在设定值±10mg/m3，在运行人员控制烟囱出口NOx含量目标为42mg/m3时，完全可满足目前环保对烟囱出口NOx含量小时平均值低于50mg/m3的需求，同时对烟囱出口NOx含量瞬时值也能较好控制在50mg/m3标准之下。

图2～3为#4机组脱硝喷氨自动控制系统优化后投运效果，其中图2中曲线1～9（7为发电机功率）分别为：脱硝A侧出口NOx含量、脱硝A侧出口NOx含量设定值、脱硝B侧出口NOx含量、脱硝B侧出口NOx含量设定值、机组负荷、净烟气NOx含量、脱硝A侧喷氨阀指令、脱硝B侧喷氨阀指令；图3中曲线1～9（7为发电机功率）分别为脱硝A侧出口NOx含量、脱硝A侧出口NOx含量设定值、脱硝B侧出口NOx含量、脱硝B侧出口NOx含量设定值、机组负荷、净烟气NOx含量、脱硝A侧喷氨阀指令、脱硝B侧喷氨阀指令。

综上，本文对华能德州电厂300MW亚临界机组脱硝自动控制系统优化做了介绍，针对火力发电机组NOx（NOx含量）调节存在的影响考核指标的因素，做了具体分析并提出了解决方案，对原有控制策略进行了补足及调整，控制参数进行了优化，目前#4机组脱硝NOx（NOx含量）排放控制稳定，投入至今安全可靠。