烟气脱硝喷氨自动控制回路的优化

毛奕升

(广东粤电珠海金湾发电有限公司，广东 珠海 519050)

0 引言

我国目前新建的大型火力发电机组烟气脱硝项目大多采用选择性催化还原法(SCR)，其原理是在催化剂作用下，还原剂NH3在290～400 ℃下将NO和NO2还原成N2，而几乎不发生NH3的氧化反应，从而提高了N2的选择性，减少了NH3的消耗。随着GB 13223—2011《火力发电厂大气污染物排放标准》的颁布实施以及脱硝电价的落实，对脱硝系统的自动投运提出了更高的要求，不仅要求及时投运SCR，还要求精确、经济地控制脱硝系统的喷氨量。

1 优化喷氨运行温度

由于机组负荷低(一般为400 MW)会导致锅炉排烟温度低于原设计喷氨温度(314 ℃)，在继续投运脱硝时，催化剂活性呈现出非最佳运行状态，特别是在低温时，SO3与NH3反应生成的硫酸氢铵容易在锅炉空气预热器冷端局部换热面形成硫酸氢铵黏性物质，该物质会堵塞空气预热器换热元件，造成空气预热器烟气侧和空气侧进、出口差压升高且伴随波动，影响锅炉风烟系统运行安全。因而脱硝入口温度(三取二)低于314 ℃时，喷氨关断阀应强制关闭并停止喷氨。

为争取更长的脱硝运行时间，根据日本巴布科克日立公司(BHK)提供的最低运行温度及工况对照表(见表1)，依据SO2质量浓度来确定喷氨关断阀强制关闭的温度条件，在减少空气预热器堵塞风险的基础上，极大地提高了系统运行时间。

表1 SO2质量浓度与最低喷氨温度

2 喷氨自动调节的实现

2.1 液氨蒸发自动控制回路介绍

液氨通过蒸发槽加热生成氨气，液氨蒸发槽一用一备。通过蒸发槽液氨入口调节阀控制出口气氨压力为0.3 MPa，为单回路控制；辅助蒸汽供蒸发槽入口调节阀控制蒸发槽水温在70 ℃左右，为单回路控制。在机组运行期间，保持2个回路一直为自动状态，停止供氨时蒸发槽液氨入口调节阀自动全关。

2.2 喷氨自动控制回路介绍

脱硝装置的烟道及反应器位于锅炉省煤器后空气预器热前，氨喷射格栅放置在SCR 反应器上游的位置。烟气在锅炉出口处被平均分成2路，每路烟气并行进入垂直布置的SCR反应器，在反应器里，烟气向下流过催化剂层，随后进入空气预热器。其主要的化学反应方程式如下：

(1)

(2)

烟气中的NOx主要由NO和NO2组成，其中NO约占NOx总量的95%，NO2约占NOx总量的5%。因此，化学反应方程式(1)被认为是脱硝反应的主要反应方程式。

广东粤电珠海金湾发电有限公司(以下简称金湾发电公司)的喷氨控制采用固定出口NOx质量浓度控制方式，整个控制回路为NOx控制回路和喷氨流量控制回路组成带前馈的串级控制。这种控制方式的优点是可以做到按需脱除NOx，克服整个系统的测量延时，改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。喷氨控制原理框图如图1所示。

图1 喷氨自动控制原理框图

从科学仪器制造商协会(SAMA)工程组态图(如图2所示)中可以看出，使用A侧威力巴流量计测得的烟气质量流量(若该测点故障则切换至锅炉风量折算值)、出口NOx质量浓度设定值与NOx入口质量浓度通过F1(x)公式计算出预期供氨质量流量作为前馈量送入主控制器PID2，该PID对出口NOx质量浓度设定值与出口NOx质量浓度测量值进行偏差调节。PID1作为副控制器对PID2送出的需求喷氨量与喷氨质量流量进行偏差调节。

图2 喷氨自动控制SAMA图

由于从喷氨到烟气自动监控系统(CEMS)分析仪表测量存在3 min左右的延时，因而在回路设计过程中为减少扰动、保持调节的稳定对回路进行了一些优化。

(1)由于CEMS分析仪表每隔4 h进行10 min的吹扫校准，在10 min内，CEMS分析仪表端可进行保持处理，在10 min内，如果发生变负荷影响NOx质量浓度的扰动，在CEMS测量恢复后，会导致比例-微分-积分(PID)调节的波动。因而调节不能简单地通过测量保持来解决，若利用A，B侧CEMS吹扫校准不同步，则A侧吹扫时通过B侧替代，考虑到A,B侧测量不一致，需要进行差值叠加。这样就能很好地处理吹扫校准而导致的波动。

(2)由于整个回路存在3 min的延时，为避免手动且自动后的超调，主控制器PID2跟踪切换前的喷氨量3 min后再进行自动调节。

(3)为避免过量喷氨，导致空气预热器堵塞，应对不同负荷段的最大喷氨量进行限值。

(4)全自动模式下投入喷氨后，主控制器PID2跟踪前馈量，3 min后再进行自动调节，以避免过度超调。

3 实现A，B侧喷氨全自动启、停

受深度调峰的影响，脱硝喷氨需要频繁启、停，不仅增加了运行人员的操作负担，同时也因不及时投运而减少脱硝投运时间进而影响脱硝电价。因此，在喷氨自动调节的基础上对回路进行了优化，可实现脱硫喷氨全自动启、停。

3.1 脱硝喷氨停运自动

当脱硝入口温度(三取二)低于最低连续喷氨温度或其他跳闸条件满足时，应强制关闭供氨关断阀并将供氨调节阀限位在0%。机组停止喷氨，液氨蒸发自动控制回路保持在自动状态，脱硝喷氨处于热备用状态。

3.2 脱硝喷氨启动自动

当脱硝喷氨处于热备用状态(即A液氨蒸发槽出口阀已开或者B液氨蒸发槽出口阀已开)时，喷氨全自动按钮投入。当脱硝入口温度(三取二)高于最低连续喷氨温度或其他跳闸条件消失时，延时180 s，发出3 s自动投运脉冲(自动投运逻辑如图3所示)。该脉冲用于开启供氨关断阀并将喷氨自动控制回路投入自动运行。投入喷氨控制初期，为保证调节的稳定，先通过F1(x)公式计算出预期供氨质量流量作为粗调量，进行3 min的喷氨，待出口NOx质量浓度在此喷氨量作用下保持稳定后，投入NOx质量浓度主控调节用于修正NOx质量浓度的设定值与测量值的偏差。在全自动模式下，NOx质量浓度的设定值由系统给定，485 MW以上按80%脱硝率自动计算NOx质量浓度的设定值，485 MW以下按系统默认值70 mg/m3(名义工况下)进行调节，全程无需运行干预。

图3 脱硝喷氨自动投运逻辑

4 结论

金湾发电公司的脱硝喷氨自动控制采用的控制模式是一种按需脱除烟气中NOx的控制模式。通过对喷氨低温运行认识的深入了解，依据SO2质量浓度与喷氨最低运行温度的对应关系，延长了脱硝喷氨运行时间；通过对喷氨自动调节回路的设计及优化，实现了高品质的回路控制，为脱硝喷氨全自动启、停奠定了基础；为减少操作量，提高系统自动化程度，对喷氨自动调节回路进行了优化调整，实现了脱硝喷氨控制的全自动启、停。通过对3个方面的设计优化，满足了SCR脱硝自动化控制的要求，为脱硝系统的安全、稳定和经济运行提供了保障。

参考文献：

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[2]王建国，孙灵芳，张利辉.电厂热工过程自动控制[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]王立,贺悦科.SCR烟气脱硝自动控制系统及其在三河电厂的应用[J].华北电力技术，2009(2):29-31.