火电机组脱硝系统测量与控制策略问题分析及优化

刘韬

（浙江省能源集团有限公司，杭州 310007）

火电机组脱硝系统测量与控制策略问题分析及优化

刘韬

（浙江省能源集团有限公司，杭州 310007）

大型火电机组的氮氧化物排放已受到多方关注，分析了SCR（选择性催化还原）脱硝系统存在测量和控制策略方面的问题，根据SCR脱硝的原理和工艺流程提出了优化措施，提高了脱硝系统运行的可靠性，已取得较好效果。

火电机组；脱硝；测量；控制策略

0 引言

随着国家环保战略的推进，火电机组的排放标准也在提高，到2020年前，我国的燃煤机组将全面实施超低排放。目前，主要通过低氮燃烧和烟气脱硝相结合的方式降低烟气中的氮氧化物含量[1]。低氮燃烧又可分为低氮氧化物燃烧器、低过量空气燃烧技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术和烟气再循环燃烧技术等[2]。烟气脱硝分为SNCR（选择性非催化还原技术）、SCR（选择性催化还原技术）及EBA（电子束法）等[3]，其中，SCR因脱硝效率较高而被广泛应用。

在对SCR脱硝系统运行情况进行调研和资料整理的基础上，从热控的角度对脱硝系统目前存在的问题进行了分析和总结，并根据SCR脱硝的原理和工艺流程从测量、控制策略等方面提出优化措施，以提高脱硝系统运行的可靠性。

1 测量与控制策略问题分析

1.1 问题的提出

SCR脱硝的基本原理是在催化剂的作用下，将液氨喷入烟气，通过化学反应将NOX转变为氮气和水的过程。因此，喷氨量的合适与否是影响整个脱硝流程效率的关键。喷氨量的计算，常常受到机组运行工况、周围环境、控制策略等多方面的影响，而任一环节波动造成的误差对于最终的控制效果都可能产生较大影响。

为找到影响系统正常运行的原因，对大型火电机组脱硝系统的运行情况进行了深入分析，并发现几个存在于测量、控制等环节中的普遍性问题，会对系统的正常运行产生不利影响。

1.2 测量回路问题

测量回路是整个脱硝控制的基础，通过各种测量回路对系统的运行状态进行表征，并为控制量的计算提供依据。测量信号的失真将直接造成控制结果的不准确，从而导致喷氨量不合适，产生脱硝效率不佳、空预器堵灰和出口NOX不稳定等问题。喷氨量的计算是由烟气流量、脱硝效率、进/出口烟气NOX含量等参数计算得到，其中任一测量环节的误差都可能影响喷氨量计算的准确性。

（1）SCR进、出口烟气NOX测量不准。从目前已投运的脱硝系统看，机组SCR进、出口烟气的分析仪表CEMS除少部份机组采用多点取样方式，其余均采用单点取样方式，测量信号无法真实、有效反映出所测烟气实际值，极大地影响喷氨自动控制的准确性。

（2）脱硝烟气流量测量不准。脱硝烟气流量是计算喷氨总量的重要信号，其测量准确性直接与控制效果相关。目前烟气流量的测量准确率普遍不高，不能直接用于喷氨量的计算，在脱硝控制中一般采用煤量和风量折算出的烟气量作为烟气流量信号。该方式通过经验将机组当前的煤量和风量折算为烟气流量，在折算过程中存在误差，且不体现脱硝反应器两侧的流量偏差，影响喷氨自动控制的准确性。

（3）分析仪表反吹或校正时的测量不准确。为避免采样回路堵灰，分析仪表采样系统每小时须自行反吹1次，持续时间约5 min。在反吹的过程中，参与喷氨控制的NOX信号保持吹灰前的值，会导致喷氨控制不准确。

（4）氨逃逸测量失准。氨逃逸量是脱硝控制的重要指标，其虽然不直接参与NOX含量的控制，但氨逃逸量过高会产生大量的硫酸氢铵，进一步则可能导致空预器堵塞等问题，故需运行人员在运行过程中密切关注该数值并据此对喷氨量进行调整。但目前该信号的测量效果不佳，测量准确性较差，对调整不具有参考价值。

1.3 控制策略问题

控制策略将采集到的信号依照一定的规则进行处理和计算，并输出喷氨量指令，实现对出口NOX含量的控制。目前脱硝的控制策略一般采用串级控制方式，主回路是根据SCR进口NOX含量、设定的脱硝率得出SCR出口NOX的设定值，SCR出口NOX测量作为反馈，两者偏差引入PI控制得到氨、氮摩尔比系数。副回路是根据计算的烟气流量、SCR进口NOX含量、设定的脱硝率和主回路的PI输出（氨、氮摩尔比系数），得出需要的氨量设定，实际测量的液氨流量作为反馈，两者偏差引入PI控制得到喷氨调节阀的开度指令。部份机组脱硝系统投运后做了一定的优化，在氨量设定值计算回路中引入了机组负荷信号作为运算前馈，以加快回路的响应。

串级控制回路的控制特点是：副回路作为粗调回路，要求是快速、随动，能够快速抑制扰动；主回路是细调回路。在脱硝系统中，副回路的主要扰动量是烟气流量、SCR进口NOX含量和主回路的输出，回路实际目的是控制出口的NOX，而烟气流量、SCR进口NOX含量对被控量的影响要快于喷氨对出口NOX的影响，2个主要扰动量和副回路的控制结果并没有相关性，其主要取决于煤量、煤种含氮量和烟气氧含量，因此副回路实际所起的粗调作用非常有限。氨量变化引起SCR出口NOX变化有一定滞后（约120 s，不同机组会有所差别），而且该过程还取决于反应器催化剂有没有反应饱和迟滞等因素。同时，烟气流量是计算得出，两侧SCR烟气流量偏差无法体现，低负荷时烟气计算量偏大，这些问题都影响喷氨量的自动控制。

2 优化建议

2.1 测量回路优化

（1）SCR进、出口烟气NOX测量不准：SCR进、出口烟气NOX测量取样采用烟道截面多点混合取样方式，提高测量信号有效性。在SCR进、出口烟道中布置横向贯通烟道的多点烟气取样管，考虑烟道纵向流场的差异，上、下部各布置1支单独取样管，迎着烟气流向、结合脱硝烟气导流板的布置在取样管上设置一定数量的进烟孔，将烟气引出烟道外混合，混合烟气于空预器前回流到烟道。分析仪表的烟气样取自烟道外混合后的烟气。为确保取样可靠，多点取样回路须设计可靠的空气吹灰装置，防止管路堵。

（2）脱硝烟气流量测量不准：为确保SCR脱硝烟气流量测量的准确性，采用多点阵列式风量测量装置，发烟气流量信号参与喷氨自动控制。而采用折算方法获得的烟气流量信号仅作为参考值在控制画面显示。

（3）分析仪表反吹或校正时测量不准确：为避免分析仪表采样系统反吹过程对喷氨自动控制的影响，有条件实施的机组可在 SCR进、出口烟气CEMS再加装1套采样探头，2套采样设计切换回路，确保任一路采样反吹时，信号测量仍然准确有效；或是根据历史数据，结合锅炉燃料量、煤种、磨煤机组合方式设计相应的软测量信号，系统反吹时引入软测量信号替代。

（4）氨逃逸测量失准：鉴于目前氨逃逸信号测量的效果，不宜将氨逃逸信号引入喷氨自动调节，根据现场实际的测量效果，可以用作报警取信；已安装氨逃逸计的机组，应积极联系厂家从装置安装、设备调试、校验等方面进行有效调整，提高氨逃逸信号的真实性。

2.2 控制策略优化

如上所述，在脱硝系统中采用串级控制模式会受到脱硝系统分析仪表取样检测的滞后、烟气流场存在偏差等因素的影响，实际的控制效果并不理想，宜采用单回路加前馈的控制模式。

该方式以控制脱硝率为目标，根据SCR进口NOX含量和脱硝率设定值得出SCR出口NOX定值。SCR出口NOX测量值作为反馈，两者偏差引入控制器；为有效控制氨逃逸量，在满足环保排放要求情况下，应尽量降低脱硝率的控制定值；引入锅炉燃料指令和烟气流量信号作为前馈信号，并适当加强前馈信号的作用强度，以克服系统的迟延，适当减弱PI控制回路的作用。

同时，脱硝系统经长时间运行后由于催化剂活性下降以及低负荷时烟温下降，引起反应迟缓，为减少氨逃逸量，控制输出可设计低选回路。低选比较值根据脱硝初投时（认为催化剂活性最优）试验的调阀开度加一定的偏置作为高限，或根据现场实际运行时喷氨调节阀的实际开度，在就地设计调节阀开度高限值（机械卡位），避免系统异常时过量喷氨。

此外，控制回路中的前馈信号还应根据不同的工况做相应的处理。主要包括：

（1）针对前后墙对冲燃烧方式的锅炉，磨煤机启停过程对炉膛NOX的生成有较大的影响，在前馈回路中引入磨煤机启停过程的超弛作用。

（2）入口NOX含量和绝对量的变化主要是因锅炉燃料量的变化引起，针对不同氧含量定值和炉膛NOX生成特性的差异，前馈回路影响设计曲线函数；锅炉燃料量的变化会引起进口NOX的变化，存在迟延，前馈信号设计惯性环节以匹配喷氨的特性。

（3）机组RB（辅机故障减负荷）工况时燃料量和配风量会快速下降，设计喷氨自动RB超弛作用，当RB触发时，调节阀开度超弛关到瞬间开度的60%。

2.3 其他优化措施

除测量和控制环节外，还针对脱硝系统的运行环节提出以下优化措施，帮助运行人员对脱硝系统的状况进行监视。

（1）随着脱硝系统改造的进展，各机组已逐步配置氨逃逸表计并引入控制系统，根据正常运行是现场氨逃逸信号的值，设计合理的氨逃逸量大和氨逃逸增加过快的报警。

（2）由于煤种特性的差异，当煤种变化时，SCR入口的NOX含量会有较大变化，根据正常运行情况的NOX信号，设计进出口NOX偏差小的报警，以便于煤种变化时，运行能够适度干预，减少氨逃逸。

（3）设计增加SCR进口折算后的NOX浓度高、低的大屏报警，达到报警值后，运行人员及时做好调整。

（4）加强测量仪表的维护和校验，确保氧量、进出口NOX、喷氨流量等信号测量的准确性。

3 结语

在对机组脱硝系统运行情况调研的基础上，针对目前脱硝系统运行存在的普遍性问题进行了分析，并根据SCR脱硝原理和工艺流程提出了相应的优化措施，为机组脱硝系统的稳定运行提供保障。本文中的一些优化措施目前已在部分机组上得到了应用，取得了较好的效果。

[1]吴碧君.燃烧过程中氮氧化物的生成机理[J].电力环境保护，2003，19（4）:9-12.

[2]赵卫星，肖艳云，林亲铁，等.烟气脱硝技术研究进展[J].广东化工，2007，34（5）:59-61.

[3]祝社民，李伟峰，陈英文，等.烟气脱硝技术研究新进展[J].环境污染与防治，2005，27（9）:699-703.

（本文编辑：徐 晗）

Analysis on Measurement and Control Strategy for Denitration System of Thermal Power Generating Units and Its Optimization

LIU Tao
（Zhejiang Provincial Energy Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China）

NOXemission of large thermal power generating units has been brought into sharp focus.The paper analyzes problems in measurement and control strategy of SCR（selective catalytic reduction）denitration system and presents some optimization and improvement measures in accordance with the principle and technical process of SCR denitration system.With the implementation of the measures，favorable effect has been achieved，and operation reliability of denitration system is improved.

thermal power units；denitration；measurement；control strategy

TK227.1

B

1007-1881（2016）06-0042-03

2016-03-30

刘 韬（1982），男，工程师，从事电力环保工程管理工作。