基于全截面氨逃逸零超标的SCR脱硝控制系统研究与应用

华电滕州新源热电有限公司 闵国政 北京新叶科技有限公司杭州分公司 夏仁杰

选择性催化还原脱硝控制（Selective Catalytic Reduction，SCR）作为国内多数火力发电厂的脱硝控制方案，对于目前日益严格的排放标准已经逐渐力不从心，急需做出改造。目前，控制方式存在几个较明显的缺陷：一是适应性差，针对不同的工况，只有一套可用的PID 控制方案；二是经济性差，为了满足环保考核指标而过度喷氨，将氮氧化物浓度控制的非常低，却忽略了氨逃逸以及氨耗量等其他要素；三是没有做到控制程序与硬件相结合。

除了氮氧化物的控制外，氨逃逸的控制也是SCR 脱硝控制中重要的一环。但是现在大部分燃煤电厂对于氨逃逸都只处于一个监测的状态，并没有将其运用到脱硝控制中；或者只有单点的氨逃逸监测控制，无法做到全截面全烟道的监测控制。目前的控制策略仍有较大的提升空间。

本文使用了某先进高精度高效率测量仪表，结合前馈控制、分区控制、全截面氨逃逸控制及多级PID 控制对SCR 脱硝系统做出改造，并在某燃煤电厂进行应用示范。该系统的应用可显著提升SCR 脱硝控制系统的稳定性、适应性和经济性，提高机组经济效益与竞争力。

1 脱硝控制系统

1.1 SCR 脱硝控制原理

在一般的火力发电厂中，作为还原剂的NH3通过SCR 反应器内的专用管道，在专用喷头的作用下喷入烟道与锅炉烟气均匀混合。在一定的温度和合适的催化剂的条件下，烟气和NH3在SCR 反应器中反应生成无害的氮气N2和水H2O，具体反应方程式如下：

反应过程中，还会有部分NOx 被氧化：

目前，一些火电厂针对锅炉出口NOx 的调节方式主要是通过喷氨量进行调节。根据SCR 反应器出口NOx 的实际测量值与期望设定值的偏差，调节SCR 反应器入口处的喷氨调节阀开度来控制出口NOx 的浓度，使出口NOx 浓度保持在合适的值。

但是，当前燃烧烟气在线监测系统（CEMS）在使用过程中也暴露出了一些问题：维护工作内容多；维护消耗成本高；测量在时间上存在滞后性，在空间上不具有代表性，等等。这导致DCS 得到的数据并不能准确地反映测量时机组的真实情况，有较大的改进空间。

1.2 基于全截面氨逃逸零超标的SCR 脱硝控制系统原理

本控制系统由三部分组成：一是以多变量专家预测控制为前馈，串级PID 为主体的总量喷氨控制；二是以调平烟道烟气浓度为目标的分区控制；三是在前两层控制基础上降低氨逃逸的氨逃逸控制。

测量仪表及测量方法的改进。快速测量仪表：在硬件层面上，针对目前CEMS 仪表存在的测量滞后、维护困难等问题，本系统选择改用快速测量仪表。测量方式从原位取样测量法变成了紫外差分吸收光谱法。NLC-01型快速测量系统采用的是紫外差分吸收光谱法，该方法是在吸收光谱法的基础上发展起来的，对被测气体浓度进行比较准确定量分析的光谱分析方法。其基本原理为朗伯比尔定律：

公式中，I（λ）为经过气体吸收之后的光谱；I0（λ）为光源原始光谱；L 为光程；δj（λ）为第j 种气体的吸收截面；cj为第j 种气体的气体浓度；εR（λ）为瑞利散射；εM（λ）为米氏散射；A（λ）为仪器干扰。

在紫外差分吸收光谱测量的计算中，光谱仪直接测量的光谱并不是单纯所检测气体吸收的光谱，而是一个综合因素掺杂影响而呈现的光谱，需要对光谱进行滤波处理。影响因素主要有：水蒸汽和其他气体的吸收、各种光学器件造成的折射和光强衰减、Mie 散射和Rayleigh 散射消光等。其中，Mie 散射和Rayleigh散射等因素引起的光谱随波长变化为慢变的宽带吸收，吸收气体引起的光谱随波长变化为快变的窄带吸收，利用算法处理可将其慢变和快变部分分离，得到只表征吸收气体的光谱。

1.3 分区同步测量法

分区测量仪表方面，本系统使用的NOx 分区同步测量系统。同步测量法是指每个测点探头在同一时间抽取烟气，因为流速一致，通过修改每根样气传输管长度，控制样汽的流动时间，使样汽到达分析仪的时间不同，制造一个时间差，分析仪在一个循环内测量显示的NOx 数值是每个测点探头同一时间抽取的烟气，从而达到同步轮测。

1.3.1 以神经网络为基础的专家预测前馈

通过与DCS 通讯得到入口NOx浓度、出口设定值、烟气流速、煤量等提前于出口NOx 浓度的数据，初步计算出在当前期望出口NOx 浓度下需要的喷氨量，公式如下：

其中，c0（NOx）代表SCR 反应器入口NOx浓度，cs（NOx）表示系统SCR 反应器出口NOx期望值，v 表示当前的烟气流速，MNOx表示NOx的平均相对分子质量，MNH3表示NH3的相对分子质量，k 表示单位换算值，k1表示化学方程式配平系数。

通过以上公式，系统可以在烟气刚进入SCR 反应器时，就计算出当前入口条件及出口设定值情况下所需要的喷氨量，相比于对出口NOx 实际浓度和期望浓度的偏差反馈控制更加提前。

除了入口前馈，本系统还增加了针对磨组启停时的启停磨前馈。在观察机组历史运行趋势后，选取磨煤机电流、一次风量作为启磨信号，选取给煤机电流和给煤量作为停磨信号。当启磨信号或者停磨信号来时，便对喷氨量做出一定的修正，作用时间也远远提前于出口控制。

1.3.2 分区与氨逃逸控制

在总量控制的作用下，本系统保证了脱硝作业在时间上控制的提前与准确。但是在烟道的空间分布上并不具备代表性。所以本系统增加了分区控制，对SCR 喷氨格栅和喷头进行前后左右分区，增设各分区对应支管调节门、实现各分区的独立调节。分区的控制分为一层NOx 控制和二层氨逃逸控制，目的是尽可能的将两项指标同时控制在合理范围内。

分区阀门主要调节手段是对氨空混合器后的混合还原剂进行分配调节，使得进入喷氨格栅各个区域的还原剂浓度相对关系发生变化，而不对总喷氨量进行调节，总喷氨量调节仍由喷氨总管上的流量调节阀进行。分区调节的目标是在总排口不超标的情况下使得SCR 出口NOx 测量值尽可能平均，同时优先保证SCR 出口各个氨逃逸分区测点低于报警值。

图1 总量控制优化策略

图2 分区滚动均值轮侧算法

1.4 基于滚动均值的反馈控制算法

分区自动控制在运行过程中，会不断接收分区轮侧仪表传输过来的数据，并根据逻辑不断更新分区的浓度均值。分区调节阀自动调节时，NOx 浓度相对较高的分区对应的调节阀则根据算法往高阀位动作，NOx 浓度相对较低的分区对应的调节阀则根据算法往低阀位动作。在此过程中，分区均值不断变化，但由于分区的实际浓度并不能代表当前烟道内的实际流场情况，所以分区的控制往往需要较长的时间进行数据收集，然后再对阀门进行控制。

在实现总量控制和分区控制投入并分区调平后，本系统将进行动态随动微调，对于分区的控制目标不再是不均匀度，而是各分区的氨逃逸值。对于氨逃逸高的分区，微调分区阀门向下关闭；对于氨逃逸低的分区，微调分区阀门向上打开，从而控制SCR 出口处的氨逃逸小时均值不超标，并在保证净烟气出口NOx浓度不超排的情况下，将各分区的氨逃逸最小化。

这种氨逃逸控制逻辑相较于以往的氨逃逸控制，被控对象更加细化，从整个烟道单点测量变成按分区细化后的多点测量，大大地减少了氨逃逸在局部超标的可能，做到了烟道全截面零超标的氨逃逸控制。

1.5 基于负荷判断的模型辨识算法

燃煤机组在正常工作过程中，会根据电网调度不断改变负荷，这也代表着NOx 浓度、流场会随着负荷不断改变。本系统针对不同机组的工作情况，提供了一种基于负荷判断的模型辨识算法。当机组运行过程中发生负荷变动时，各个分区会依据当前负荷的变化方向，在发生特定变化的负荷段自动进行一次阀位变动，以达到更快的控制效果。

1.6 基于稀释风和阀位均值的保护逻辑

在调节过程中，由于阀位的变化对锅炉SCR 区域的稀释风流量会有较大的影响，为了避免因稀释风过低而产生事故，所有的分区都会有一定的开度下限进行约束，也有保护逻辑进行保护。当某个分区的阀位低于下限，或者稀释风量低于保护值时，该分区或所有分区阀门都会向上打开一定开度，避免控制系统发生事故。

对于分区而言，不均匀度是代表分区调节效果的最好指标，公式如下：

其中，n 代表分区个数，xi代表第i 个分区的NOx 浓度，代表整个烟道各个分区NOx 浓度的平均值。不均匀度越高，烟道内各个分区浓度越波动。不均匀度越低，烟道内各个分区越平均。

2 系统应用效果

以某机组350MW 超临界燃煤机组为对象。采用基于全截面氨逃逸零超标的SCR 脱硝控制系统进行控制后发现，整体系统实现了设计要求，与机组DCS 系统融为一体，有效地实现了对于脱硝系统的控制。

一是采用原位快速测量仪表代替传统直抽法CEMS，目前数值一致情况下原位法比直抽法CEMS 快90s。二是采用新型烟道取样装置，实现出口全截面的氮氧化物、氧含量、氨逃逸同步测量，目前已实现5min 内单侧8分区的全截面测量。三是总量控制，基于精准预测与快速测量相融合，出口及外排口双重反馈的智能控制，实现耗氨率由项目前的5.23kg/万kWh 下降到3.77kg/万kWh。单周最低3.22kg/万kWh。四是分区调平控制，在总量投入稳定情况下。根据入口流速场分布匹配与对应分区氮氧化物、氧量、氨逃逸相结合，利用三种稳定工况（50%、75%、90%）4～8h 调整实现各分区氨逃逸小时均值小于3PPM，不均匀度20%以内。

表1 某电厂改造前后一个月单位发电量耗氨对比

3 结语

SCR 脱硝系统，作为燃煤电厂最重要的系统之一，一直以来都是实现完全自动化难点。本系统在设计过程中学习了大量国内外的经典控制思路，并在投入使用后成功实现设计目标，提高了控制效率，节约了控制成本，解放了人力资源。