脱硝SCR喷氨自动控制策略分析及优化

程松党（大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂，河北 张家口 75300）

脱硝SCR喷氨自动控制策略分析及优化

程松党（大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂，河北 张家口 75300）

脱硝系统是燃煤电厂降低锅炉出口烟气NOx含量的必要设施，如何控制喷氨流量则成为控制NOX排放的关键因素，本文从脱硝系统原理、喷氨自动控制的策略等方面入手，深入浅出地论述了脱硝系统喷氨自动控制的概况，并依据先进和成熟的控制理论对此进行优化，对其他电厂脱硝项目的调试和运行也具有重要的借鉴意义。

脱硝系统；喷氨流量；自动控制

1 引言

下花园电厂#3炉为670t/h自然循环锅炉，烟气脱硝系统于2013年12月初竣工，采用SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法）技术。根据GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》要求，燃煤电厂必须于2014年7月1日开始，NOx排放达到100mg/m3以下，下花园发电厂响应国家号召，提前半年多达到了排放限值。脱硝SCR区位于省煤器出口和空预器入口之间，接入DCS集控运行。锅炉烟气NOx控制先利用燃烧中的低氮燃烧技术，控制锅炉出口NOx在450mg/Nm3以下，之后经过脱硝SCR反应区，使进入烟囱的NOx降低到90mg/Nm3以下。其中关键的脱硝步骤在SCR区的喷氨量控制，在其它影响因素不变时，直接关系到脱硝效率和氨逃逸量，本文重点讨论如何更有效地应用喷氨自动控制。

2 下花园发电厂脱硝工艺概况

下花园发电厂#3炉配备一个氨区和两台SCR反应器，氨区包括液氨的存储与蒸发系统，水浴槽温度控制在80℃±2℃，压力控制在0.2~0.4Mpa，但压力必须要稳定，否则会对下游SCR区的喷氨自动控制造成影响，将氨气加热至41℃后输送到SCR区氨气（温度7℃~8℃），SCR区进入稀释风管前的氨气压力在0.12~0.08MPa之间，这里氨制备区不做重点论述，本节主要介绍SCR区的反应原理。每台SCR反应器布置有两层催化剂，同时预留一层备用空间（采用2+1方式），当运行的催化剂活性降低时，可以加装新催化剂。烟气中的NOx经过氨气喷射格栅和烟气/氨气混合器与所喷入的氨气混合均匀后在催化剂催化作用下发生催化还原反应，在一定烟气温度 (一般为300℃～400℃) 条件下生成无毒害的氮气和水。烟气流程为：省煤器出口（经过气力除灰），催化反应器进口烟道，氨气喷射格栅，烟气/氨气混合器，均流板，催化反应器（配备16台声波吹灰），催化反应器出口烟道，空预器。脱硝工艺流程图如图1所示。

图1 脱硝工艺流程图

主要化学反应方程式：

烟气中的NOx主要有两种成分：NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2，国家环保部门要求排放显示为NOx含量。本工程中采用了ABB的EL3020在线红外烟气分析仪直接测量NO含量，然后通过乘以NO2/ NO摩尔比1.53，换算为NO2含量作为NOx显示。

2.1 优化前基于固定摩尔比的单回路控制方式

本工程最初设计的氨流量调节是基于固定的摩尔比。氨的需求量是按进入催化剂反应器前的NOx的含量（由锅炉负荷换算烟气量）乘以固定的NH3/NOx摩尔比（根据计算大约在1.05~1.08）来计算的。氨流量的测定是由流量变送器和温度、压力补偿后的信号决定的。补偿后的氨流量与需求量进行比较。比较后的差值用作（通过P+I 控制器进行）流量调节阀的调节。NH3/NOx的实际摩尔比M公式如式（3）所示：

为保证脱硝效率和降低氨逃逸，固定摩尔比的数值控制在比设计脱硝效率值略高一点。（对于运行一定年限的催化剂，其活性有所下降，必要时要考虑其相对衰减率）。在固定摩尔比设定值下，进氨调节阀控制指令随着SCR入口浓度的增加而增加，直到其进氨流量达到该设定值对应下的流量值时，进氨调节阀趋于稳定。实际脱硝运行中，NH3/NOx摩尔比控制在一个合理的范围内，既能保证脱硝效率控制在一个较高的范围，又能使SCR出口氨逃逸控制在较低的范围。图2为NH3/NOx与脱硝效率的关系。

图2 NH3/NOx与脱硝效率关系图

该控制方式作为设定值可调的单回路控制系统，PID参数容易整定。这种控制系统只考虑了脱硝效率，未考虑出口NOx浓度的变化，在入口NOx浓度比较低的时候容易使系统过度脱氮。基于固定氨氮摩尔比的调节原理图如图3所示。

图3 基于固定氨氮摩尔比的调节原理图

2.2 优化后基于出口NOX的串级控制方式

该串级控制回路是由主调和副调控制回路组成，现分别予以介绍。

主控制回路：由入口烟气NOx浓度和烟气流量的乘积得到入口NOx流量，计算出入口NOx流量；设定脱硝效率=（进口NOx浓度-出口NOx设定值）/进口NOx浓度；由函数f1(x)得到不同脱硝效率下对应的摩尔比；设定值与出口NOx浓度的比值经PID控制器输出指令作为修正值叠加到固定摩尔比上，最终生成修正的NH3/ NOx摩尔比。生成副调节回路的需氨量给定值。如图4所示。

图4 基于出口NOx控制调节回路的主回路逻辑图

图5 基于出口NOx控制调节回路的副回路逻辑图

副控制回路：根据修正的NH3/NOx摩尔比提供反应器所需要的氨气流量，通过限速和限幅模块对前馈量进行限制，防止系统过调：氨气流量设定值=入口NOx流量×实际的NH3/NOx摩尔比。脱硝自动控制系统优化这种控制方式中，摩尔比不是固定不变，而是根据入口NOx浓度、出口NOx浓度设定值以及出口NOx浓度变化而变化的动态值，最终生成进氨流量设定值，与实际进氨流量进行比较后由控制系统形成进氨流量调节阀的控制指令，通过调节进氨流量，最终将出口NOx浓度控制设定值范围内。在充分考虑脱硝效率和催化剂脱硝能力的基础上，避免了固定摩尔比控制带来的过度脱氮，又能将出口NOx浓度控制在合理范围内。副回路控制原理如图5所示。

2.3 喷氨自动控制优化分析及对策

（1）首先要保证喷氨自动的相关参数测量准确稳定及执行器动作灵活，如SCR出、入口NOx浓度、氧量、烟气流量、氨气流量、压力、温度，氨逃逸量等，现逐一进行分析。

· 由于脱硝CEMS采样探头采用直抽法，处于高温、高含尘的烟气中，虽然探头采取了电加热方式防止烟尘凝固堵塞取样，但根据实际运行来看仍容易堵塞探头，目前采取了缩短反吹间隔时间的办法，另外加强探头处的保温。

· 氧量采用了氧电池测量原理，一旦取样管路有泄露，氧量测量不准确，进而导致经过6%氧量折算的NOx异常，在资金允许时需增加4套氧化锆测点，不但不受取样管路影响，而且能够进行湿度计算，对烟气流量进行实际补偿。

· 烟气流量采用了皮托管差压式测量，单点测量，由于A侧测点靠近管道边缘，导致流速场不稳定，因此波动较大。需要在检修中更换位置，或改造为矩阵式多点测量方式，能够提高测量精度和稳定性。

· 压力和温度测点对烟气流量起到修正作用，如果异常后将导致流量不准确，目前A侧有一点温度偏低，主要是由于在CEMS取样探头内，DCS逻辑内只简单进行了选中值进入补偿回路，未进行坏点剔除判断，检修中需要对温度判断逻辑进行完善。

· 气动执行器由于受气源含水量较大的影响，到冬天数次发生压缩空气管路内空气结冰断气现象，导致调门自动关闭，进而出口NOx超标。目前采取了定期对储气罐放水，压缩空气管路增加电伴热及保温，气动门前的减压阀常开放气等措施，效果尚可。检修中需对压缩空气进行治理，或将气动执行器更换为电动执行器，可避免冬季冻管。

· 当反应器出口氨逃逸量超标时，应适当控制降低脱硝效率，减少喷氨量。

（2）进行必要的喷氨优化调整试验，AIG喷射流量不均匀，会引起反应器出口NOx分布不均匀，进而导致出口NOx测量不准确，从而影响喷氨自动调节效果。主要有两方面原因。

· 部分喷嘴积灰堵塞。主要是由于稀释风机的非正常停运造成烟气中的飞灰在喷嘴出口积灰堵塞，从而引发喷氨不均匀。因此要保证声波吹灰器及SCR入口除灰设备的正常。

· AIG手动调节门未进行调整，可能造成SCR运行一段时间后反应器区域的NH3分布不均。在每个喷氨调节阀前设计安装了的节流装置，通过测量节流装置的前后差压可以反映出进氨量的大小。喷氨优化调整试验主要是通过调整每路进氨支管手动调节阀的开度，动态的调整不同区域的喷氨量，观察反应器出口水平烟道截面各点NOx浓度，最终实现SCR反应器出口NOx浓度的均匀分布。

（3）优化喷氨自动PI参数的比例带、积分时间以及出口NOX前馈的微分参数，并根据时滞性的大小调整前馈参数。当被调量反映过慢时，适当增强增益作用，根据静态偏差的大小调整积分时间，减少静态偏差。一般应维持衰减率i≥0.75~0.9。

3 喷氨自动调节效果分析

根据2013年12月3日8时开始168试运的结果表明，脱硝系统能基本满足机组各种参数运行工况的变化，自动调节有效，设计为出口NOx含量在设定值的±20mg/m3范围内波动，喷氨自动控制能满足运行要求，只是延迟性较大，还需要对前馈值进行优化。氨的逃逸率控制在限制范围内（小于3.3ppm），没有发生局部过喷氨使氨逃逸率超过控制标准。喷氨自动调节趋势图如图6所示，从4:41:04开始投入脱硝喷氨自动控制，到4:59:32退出脱硝喷氨自动控制，期间最大的超调量为16mg/m3，低于设计值，其余点均维持在设定值附近波动。出口NOx在环保标准要求的100mg/m3以下，证明脱硝喷氨自动能够满足控制要求。

图6 喷氨自动调节趋势图

4 结语

168小时试运期间共耗氨18.48吨，日均耗氨2.64吨左右。每吨按2500元计算，日运行费用为6600元，而日脱硝补偿电费约4万元，因此每日为厂里创造约3万余元的经济效益。脱硝系统经过近3个月的运行，目前还处于设备磨合阶段。由于2014年7月1日即将实施新的排放标准（NOx小于100mg/m3），因此在这期间要继续抓好设备维护及改造，防止由于设备缺陷造成排放长时间超标。从目前情况看脱硝系统总体正常，喷氨流量自动控制也能够长期投入，一来减轻了运行人员监盘负担，二来提高了喷氨效果，既将NOx控制在达标范围内，又不浪费液氨原料，节省运行成本，并且控制氨逃逸量，减少对空预器等设备的腐蚀。

[1] 赵毅, 朱洪涛, 安晓玲, 等. 燃煤锅炉SCR法烟气脱硝技术[J]. 锅炉技术，2009, 40 (2) : 76 - 80.

[2] 中华人民共和国环境保护部. GB13223-2011. 火电厂大气污染物排放标准[S].

[3] 下花园发电厂脱硝工程调试报告[Z].

Analysis and Optimization of the Automatic Control Strategy for SCR Injection

The denitrification system is the necessary infrastructure to reduce NOx content in boiler flue gas at the outlet of the coal-fired power plants. How to control the ammonia injection flow become the key factors to control the NOx emission. In this paper, starting from the denitrification system principle, ammonia injection automatic control strategy, we survey the automatic control of denitrification system in simple terms, and propose an optimization strategy based on the mature and advanced control theory. It has an important reference for commissioning and operation of denitration project of other plants.

Denitrification system; Jet flow; Auto-Control

程松党（1982-），男，河南漯河人，工程师，2006年毕业于东北电力大学，现就职于大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂设备部，从事火电厂热工自动化专业工作，主要研究方向为热工自动及DCS逻辑优化。

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1003-0492(2015)09-0096-04

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