火电厂SCR烟气脱硝控制逻辑优化

王 镇,薛姗姗,盛玉和

(1.华电潍坊发电有限公司,山东 潍坊 261204；2.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030)

火电厂SCR烟气脱硝控制逻辑优化

王 镇1,薛姗姗1,盛玉和2

(1.华电潍坊发电有限公司,山东 潍坊 261204；2.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030)

为了解决火电厂脱硝喷氨自动调节系统普遍存在的震荡、跟踪慢、过调问题,阐述了脱硝喷氨自动调节系统脱硝原理,并以华电潍坊发电公司二期2×670 MW机组脱硝系统为例,分析了其调节异常的原因,设计了脱硝出口NOx浓度调节方式,通过对脱硝喷氨自动调节系统和设备优化,解决了出口氮氧化物(NOx) 浓度波动大、超标、氨逃逸升高等问题。实践证明,采用脱硝出口NOx浓度调节方式,不断优化脱硝喷氨自动调节系统,能够增强喷氨自动调节的稳定性,提高了脱硝系统的可靠性、连续性及经济性。

火电厂;SCR;脱硝系统;自动调节

目前,中国各燃煤火力发电企业在对锅炉脱硝装置进行建设和改造中,发现脱硝喷氨自动调节系统普遍存在自动调节和整定问题,即脱硝出口和入口的烟气流量、NOx浓度波动幅度大、不规律、脱硝烟气连续监测系统(CEMS)定期,吹扫时CEMS测量数据变化幅度大等,造成了喷氨调节门跟踪不及时、NOx浓度超标[1]、喷氨量过大,氨逃逸升高,氨与烟气中的三氧化硫结合生成硫酸氢铵,以致使其粘附在脱硝催化剂和空预器的换热面上,堵塞了空预器[2]。为了确保烟气脱硝效率,增强脱硝系统的可靠性、连续性以及经济性,需要配置可靠性较高的自动调节系统。本文以华电潍坊发电公司二期2×670 MW机组脱硝系统为例,分析了脱硝系统调节异常的原因,设计了脱硝出口NOx浓度调节方式,通过对脱硝喷氨自动调节系统不断优化,加入PID控制前馈信号、动态调整PID控制的上限和下限、CEMS吹扫屏蔽等方式,增强了喷氨调节自动控制的稳定性,取得了良好效果。

1 脱硝控制系统脱硝原理

中国目前新建大型火力发电机组脱硝系统大多数采用SCR(Selective Catalytic Reduction,选择性催化还原法)工艺,SCR一般是将氨类(NH3)还原剂喷入烟气中,利用金属催化剂将烟气中的NOx转化为氮气(N2)和水(H2O)[3]。主要反应方程式为

4NH3+4NO+O2→ 4N2+6H2O

NO+NO2+2NH3→ 2N2+3H2O

由于SCR没有副产物,不形成二次污染,且装置结构简单,脱硝效率高,因此它得到了广泛应用[4]。华电潍坊发电有限公司(简称潍坊公司)二期工程2×670 MW机组采用SCR工艺,设A、B两侧SCR反应器,毎侧安装有声波吹灰器、蒸汽吹灰器、喷氨调节门、喷氨快关门、喷氨流量计、CEMS进出口NOx、氧气(O2)仪表等设备。

脱硝喷氨自动调节系统的基本原理是根据脱硝出口NOx浓度实时调整喷氨调节门的开度,达到控制脱硝出口NOx浓度的目标。其中,CEMS测量到的是烟气中的一氧化氮(NO)浓度,而在实际计算和控制算法中用到的是NOx浓度,这就需要通过公式进行换算和修正。烟气中NOx浓度(干基、标态、6%O2)的计算公式为

WNOx=WNO×1.53×(21-6)/(21-O2)

(1)

式中:WNOx为烟气中NOx浓度;WNO为CEMS测量到的是烟气中的NO浓度;O2为烟气中的氧浓度。

2 脱硝控制系统存在的问题

潍坊公司脱硝自动调节原有的控制方式为脱硝效率调节方式,根据脱硝入口NOx浓度、设定出口NOx浓度、实际出口NOx浓度,计算设定脱硝效率和实际脱硝效率;根据设定脱硝效率和实际脱硝效率的差值,实时调整喷氨调节门的开度,来达到控制脱硝出口NOx浓度的目标。

设定脱硝效率计算公式为K1=(W1-W2)/W1×100%

(2)

实际脱硝效率计算公式为K2=(W1-W3)/W1×100%

(3)

式中:W1为脱硝反应器入口NOx浓度;W2为脱硝反应器设定出口NOx浓度;W3为脱硝反应器实际出口NOx浓度。

在实际运行的过程中,通过对历史趋势进行查询研究,发现此种调节方式在负荷比较稳定时,自动投入情况能够满足SCR反应器运行的要求,但当负荷一旦变化时,由于出入口NOx都将随之大幅度变化,因此调节系统扰动较大,无法投入正常运行,造成出口NOx浓度值时常超标。

3 脱硝控制系统优化

脱硝效率调节方式没有直接以出口NOx浓度作为跟踪量,因此在原有脱硝效率调节方式的基础上,增加了出口NOx浓度调节方式。PID控制器的设定值为出口NOx浓度,被调量为实际出口NOx浓度测量值,根据设定的出口NOx浓度和实际出口NOx浓度的偏差,经PID运算后生成喷氨调节门指令,实时调整调节门的开度,来达到控制脱硝出口NOx浓度的目标。控制原理如图1所示。由于直接跟踪出口NOx浓度,因此调节更为直接有效。

由图1可以看出,出口NOx浓度由设定值随动的单回路控制系统控制,控制回路简单、易于调试和整定。在PID控制模块中,PID具体参数应根据设备运行实际状况来调整和优化。积分时间宜设定在400 s左右,比例系数宜设定为0.1～0.2。

图1 出口NOx浓度调节方式控制原理图

为了防止喷氨调节门过调,在PID控制模块中应加入自动调节的上限和下限,如设上限60、下限20,根据入口NOx浓度实时调整。具体方法为通过分析各种工况下的大量历史数据,记录不同入口NOx浓度下调节门开度波动的正常范围,将入口NOx浓度引入分段函数功能块,然后引入PID控制模块的上限和下限。例如,在入口NOx浓度为300 mg/m3时,调节门上限设为40、下限设为20;在入口NOx浓度为500 mg/m3时,调节门上限设为60、下限设为30。

造成脱硝入口NOx浓度波动的主要因素有机组负荷、磨煤机运行方式、省煤器出口氧量、SOFA风量、CCOFA风量、偏置风量等[5]。当机组工况快速变化、入口NOx浓度大幅波动时,往往出现自动调节滞后。此外,烟气在反应器中有一个化学反应过程,CEMS测量仪表取样管路通常较长,造成NOx测量存在明显滞后,进而造成自动调节滞后。因此需要在PID控制模块中加入前馈信号,使用脱硝入口烟气流量和入口NOx浓度的乘积得到的入口NOx含量作为前馈信号,这样有利于快速响应工况变化,也进一步增强了变负荷控制系统调节的及时性。

需要注意的是,由于出口和入口CEMS分析仪表需要进行定期吹扫,吹扫时CEMS测量到的NOx浓度大幅变化,失去其真实性,不能再将此时测量到的NOx浓度作为PID控制模块的跟踪量,因此加入了吹扫状态信号,当吹扫时跟踪量保持吹扫前数值,保持时间可以根据吹扫后NOx浓度恢复正常所需时间来确定,通常在吹扫结束后3 min恢复实时跟踪。用于跟踪量的出口NOx浓度和用于前馈信号的入口NOx浓度都要引入吹扫状态切换。

此外,还加入了自动切手动条件:调节门指令反馈偏差大、调节门反馈坏点、出口NOx浓度坏点、入口NOx浓度坏点、出口O2坏点、入口O2坏点等,切手动。当喷氨调节门切手动时,发出报警,及时提醒人员检查处理。

在工况稳定的情况下,进行出口NOx浓度设定值阶跃扰动试验,可以得到喷氨调节门开度响应曲线,如图2所示。

图2 出口NOx浓度设定值扰动曲线图

由图2可以看出,出口NOx浓度设定值由60 mg/m3调整为80 mg/m3后,喷氨流量由140 kg/h减小到120 kg/h,出口NOx浓度响应曲线存在12 s纯延迟,为大惯性控制对象,其调节过程较长,峰值时间为4 min,系统调节时间为10 min。出口NOx浓度测量值由60 mg/m3上升至第一峰值的88 mg/m3,超调为8 mg/m3,衰减率为75%,稳态误差<2 mg/m3,系统稳定性、及时性和控制精度均为优良。

在设定出口NOx浓度不变的情况下,通过锅炉燃烧调整,进行入口NOx浓度突升试验,对比控制方式优化前后出口NOx浓度变化曲线,如图3所示。

图3 入口NOx浓度突升试验曲线图

由图3可以看出,在设定出口NOx浓度为70 mg/m3的情况下,在3 min的时间里入口NOx浓度值由400 mg/m3上升到500 mg/m3,优化后出口NOx浓度控制效果较优化前大为改善。控制性能参数如表1所示。

表1 优化前后入口NOx浓度突升试验性能参数

4 脱硝控制系统设备优化

为了进一步提高自动调节效果,应尽可能缩短CEMS仪表烟气取样管路的长度和减少弯曲,以保证烟气分析仪表的快速反应。定期对CEMS仪表进行维护与校验,对烟气取样管路进行检查,确保CEMS测量的准确性[6]。

脱硝喷氨调节门和管道过滤网容易发生堵塞,会造成液氨供应不足。液氨的纯度通常很高,其浓度一般在99.5%以上,但还是会有少量杂质,这些杂质带有一定的粘性,粘附在调节门阀体和过滤网孔板处,长期积累后容易堵塞调节门阀体和过滤网孔板。因此,当发现供氨流量异常时,应当打开旁路阀手动调整供氨,将喷氨调节门和管道过滤网拆下,清理杂物,用压缩空气将附着在调节门阀体和过滤网孔板处粘性杂质清理干净。在系统实际运行过程中,应加强声波吹灰器和蒸汽吹灰器的检修维护,确保正常投运,防止出现催化剂表面挂灰或堵塞,避免影响催化剂活性。

5 结 论

1) 采用脱硝出口NOx浓度调节方式,不断优化脱硝喷氨自动调节系统,能够增强喷氨自动调节的稳定性。

2) 优化PID控制参数,能够解决调节系统震荡问题。

3) 使用脱硝入口烟气流量和入口NOx浓度的乘积,得到入口NOx含量作为前馈信号,能够增强工况变化时自动调节的及时性,解决自动调节跟踪慢的问题。

4) 动态调整PID控制的上限和下限,能够改善自动控制的超调问题。

5) 加入CEMS吹扫屏蔽能够确保跟踪量的有效性。

[1] GB 13223-2011,火电厂大气污染物排放标准[S].

[2] 武保会,崔利.火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电,2013,42(10):116-119. WU Baohui, CUI Li. SCR flue gas denitrification control and optimization in thermal power plants [J]. Thermal Power Generation, 2013,42(10):116-119.

[3] 罗子湛,孟立新.燃煤电站SCR烟气脱硝喷氨自动控制方式优化[J].电站系统工程,2010,26(4):69-63. LUO Zizhan, MENG Lixin. Ammonia flow automatic control mode optimization of SCR flue gas DeNOxfor coal-fired power pla-nt [J]. Power System Engineering, 2010,26(4):69-63.

[4] 杨冬,徐鸿.SCR烟气脱硝技术及其在燃煤电厂的应用[J].电力环境保护,2007,23(1):49-51. YANG Dong, XU Hong. Discussion on the application of the SCR technology in coal-fired power plants [J]. Electric Power Environmental Protection, 2007,23(1):49-51.

[5] 张伟,于丽新.锅炉燃烧调整对NOx排放影响的研究[J].东北电力技术,2011,32(12):38-40. ZHANG Wei, YU Lixin. Research for NOxemission of boiler by combustion regulation [J]. Northeast Electric Power Technology, 2011,32(12):38-40.

[6] 庄建华.SCR烟气脱硝技术的应用[J].发电设备,2010,24(2):142-145. ZHUANG Jianhua. Application of SCR flue gas denitrificati-on [J]. Electric Power Equipment, 2010,24(2):142-145.

(责任编辑 侯世春)

Optimization of SCR flue gas denitrification control logic

WANG Zhen1, XUE Shanshan1，SHENG Yuhe2

(1.Huadian Weifang Power Generation Company, Weifang 261204, China；2.Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin 150030，China)

In order to solve the problems of ammonia flow automatic regulation of denitrification system in coal-fired power plant, including oscillation, slow tracking and over regulation, this paper expounded the working principle of ammonia flow automatic regulation of denitrification system, taking the denitrification system of the second-phase 2×670 MW unit in Huadian Weifang Power Generation Company as an example, analyzed the reasons for abnormal regulation, designs denitrification export NOxconcentration regulation mode, and solved the problems of export NOxconcentration, such as wide oscillation, over standard and increased escaped ammonia through the optimization of ammonia flow automatic regulation of denitrification system and equipment. The practice proved that denitrification export NOxconcentration control was able to optimize ammonia flow automatic regulation of denitrification system, strengthen its stability and enhance its reliability, continuity and economy.

thermal power plant; SCR; denitrification system; automatic regulation

2015-03-06。

王 镇(1983—),男,硕士,助理工程师,从事火电厂热工控制系统研究工作。

TK323

A

2095-6843(2015)05-0463-04