燃煤电站烟气SCR脱硝控制系统改进

马立阁

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)



环保技术

燃煤电站烟气SCR脱硝控制系统改进

马立阁

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

摘要：介绍了烟气SCR脱硝工艺及反应原理，对其喷氨控制传统方案存在的问题进行了分析，并进行了改进。工程实践证明：改进后的串级-前馈控制方式控制效果良好，既满足了环保排放标准，又降低了电厂脱硝运行成本，提高了脱硝控制系统的自动投入率。

关键词：烟气脱硝； 分散控制系统； 喷氨流量控制

喷氨流量控制是烟气SCR脱硝控制系统的主要任务，其控制品质的好坏直接影响到脱硝系统的运行效果，影响到电厂环保指标的考核。喷氨不足，会引起锅炉排烟中氮氧化物排放质量浓度ρ(NOx)超标；喷氨过量，氨逃逸率增大，不仅会增加脱硝运行成本，还会引起二次污染。喷氨量控制既要满足ρ(NOx)排放指标，又要控制氨逃逸率不超标，在脱硝控制的工程实践中存在一定难度，因此研究如何准确控制喷氨量对电厂SCR脱硝系统经济稳定运行具有非常重要的意义。

由于喷氨流量控制对象具有大滞后、时变的特性，以脱硝效率或出口氮氧化物排放质量浓度ρ″(NOx)为被控量的单回路控制方式，经常存在ρ″(NOx)波动大，容易超标，氨逃逸率高等问题。笔者对此进行原因分析，提出简单有效的改进方案，改善了系统控制品质。

1SCR脱硝技术工艺及反应原理

烟气SCR脱硝反应原理见图1[1]。

以液氨作为还原剂原料，典型的烟气SCR脱硝工艺系统分为两个部分：一是还原剂制备系统，即氨区；另一个是反应塔系统，即SCR反应区。液氨由液氨槽车运送，利用液氨卸料压缩机将其送入液氨储罐，再经过蒸发器蒸发为氨气；通过缓冲罐和输送管道进入SCR区，经过空气稀释混合后，通过喷雾装置在SCR反应器上方与烟气充分混合；再通过反应器内触媒层进行还原反应，完成脱硝过程。

SCR原理是将还原剂喷入燃烧产生的原烟气中，两者在反应器中进行充分接触；在催化剂的作用下，还原剂NH3优先选择性地与烟气中的NOx反应，将烟气中的NOx还原为无毒的氮气和水，其主要反应式为[2]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

(2)

烟气中的NOx主要由NO和NO2组成，其中NO体积约占NOx总体积的95%，NO2体积约占NOx总体积的5%。因此，化学反应式(1)是脱硝反应的主要反应方程式。

从上面的反应过程及原理来看，主要影响脱硝反应的因素有：反应温度、催化剂的特性、空气速度、氨氮摩尔比n(NH3)/n(NOx)等。这些影响因素中，在脱硝控制系统中唯一可调的是氨氮摩尔比，理论上1 mol NH3可以近似处理1 mol的NOx，在工程实践中需要根据环保要求、设计脱硝效率、催化剂实际运行性能来确定不同的氨氮摩尔比，并根据烟气中NOx的脱除总量不断调节喷氨量。

2喷氨流量常用控制方式

SCR喷氨控制有两个主要指标：一是控制SCR装置ρ″(NOx)在一定值，满足环保排放的标准要求；二是控制氨逃逸率在一定范围，防止造成二次污染。目前应用较多的典型控制方式是ρ″(NOx)定值控制方式和固定摩尔比控制方式。

2.1 出口NOx质量浓度定值控制方式

图2为ρ″(NOx)定值控制原理图。

由图2可知，该控制方式是以ρ″(NOx)为被控量的单回路控制方式，ρ″(NOx)设定值与实际测量值的偏差经过PID控制器输出，控制喷氨调节阀的开度，从而控制喷氨流量的多少。此方法的优点是控制方案简单，易于调试，在锅炉排烟NOx总量稳定的情况下可以基本满足要求。但在负荷变化、入口NOx质量浓度ρ′(NOx)变化等干扰因素的影响下，ρ″(NOx)容易超标，氨逃逸也容易过大，克服干扰的能力较差。

ρ″(NOx)为出口NOx质量浓度，mg/m3；φ″(O2)为SCR出口O2体积分数，%；ρ(NOx)为出口NOx质量浓度设定值，mg/m3。

图2ρ″(NOx)定值控制原理图

2.2 固定摩尔比控制方式

固定氨氮摩尔化控制原理见图3。固定摩尔比方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式。

ρ″(NOx)为出口NOx质量浓度，mg/m3；F(NH3)为氨气质量流量，kg/h；R为氨氮摩尔比n(NH3)/n(NOx)设定值；P为机组负荷，MW；ρ(NOx)为出口NOx质量浓度设定值，mg/m3。

图3固定氨氮摩尔比控制原理图

利用固定的氨氮摩尔比R来控制所需要喷入的氨气量，SCR反应器ρ′(NOx)乘以烟气流量得到ρ(NOx)信号，该信号乘以所需R就是基本氨气流量信号。此信号作为给定值送入PID控制器与实测的氨气的流量信号比较，由PID控制器经运算后发出调节信号控制SCR入口氨气流量调节阀的开度以调节氨气流量。这种控制方式只考虑了脱硝效率，未考虑ρ″(NOx)的变化，在ρ′(NOx)比较低的情况下容易引起过度脱氮，不能实现按需脱硝。

2.3 影响控制效果的主要因素

以上常用的两种控制方式在实际的应用过程中，控制效果不够理想。影响喷氨流量控制效果的因素主要有以下几方面：

(1) SCR脱硝被控对象是一个大滞后、时变过程，常规单回路控制方法难以满足系统对SCR脱硝控制品质的要求。滞后环节主要表现在两个方面:一是从喷氨调节阀动作到氨气和烟气中NOx进行催化还原反应是一个大滞后过程；二是ρ″(NOx)测量信号反馈存在较长时间的滞后。

(2) 负荷变化、燃烧状况变化、ρ′(NOx)变化的扰动影响。负荷或燃烧状况变化时，由于燃烧过程的滞后，ρ″(NOx)不能及时地发生变化，控制系统不能及时地进行调整，对负荷等变化响应较慢，容易引起ρ″(NOx)排放超标。

(3) 喷氨量自发性扰动的影响。氨气压力的变化、氨气温度的变化、喷氨调节阀的故障等因素都会影响喷氨量变化。

(4) 氨氮摩尔比R=n(NH3)/n(NOx)的影响。氨氮摩尔比与脱硝效率及氨逃逸之间存在一定的关系[3]，见图4。

氨氮摩尔比R越大，脱硝效率越高，但同时氨逃逸率也会增高。如果NH3不足，会导致NOx脱除率降低；如果过量会导致氨逃逸率变大，不仅浪费，还会造成二次污染，影响下游设备。

(5) 烟气分析测量装置定期吹扫的影响。烟

气分析测量装置测量需要定期吹扫，吹扫过程中NOx测量波动较大，对控制系统连续投入自动带来一定困难。

从以上分析来看，SCR氨气流量控制策略的优化需要考虑如下几个问题：(1)ρ″(NOx)反馈存在较长时间的滞后问题；(2)控制系统对负荷变化、ρ′(NOx)变化等扰动的响应问题；(3)烟气分析测量装置定期吹扫对控制的影响问题；(4)氨气逃逸率的控制问题等。

3控制方式改进

针对上述问题，对常用控制方式进行了改进，采用传统的串级-前馈控制方式，兼顾脱硝效率和ρ″(NOx)，其控制原理见图5。

ρ′(NOx)为入口NOx质量浓度，mg/m3；φ′(O2)为SCR入口O2体积分数，%；ρ″(NOx)为出口NOx质量浓度，mg/m3；φ″(O2)为SCR出口O2体积分数，%；ρ0(NOx)为出口NOx质量浓度设定值，mg/m3；P为机组负荷，MW；F(NH3)为氨气质量流量，kg/h；p(NH3)为氨气压力，kPa；T(NH3)为氨气温度，℃。

图5串级-前馈控制方式原理图

串级-前馈控制方式在以下几个方面做了改进：

(1) 应用串级PID控制，改善系统的滞后、延迟问题。

由于ρ″(NOx)控制存在延迟，而NH3流量的控制滞后小，反应快，可提前预报ρ″(NOx)的变化。因此构成以ρ″(NOx)为主参数，NH3流量为副参数的串级控制系统。在串级控制中，副回路的任务是尽快消除NH3流量的自发性扰动和其他进入副回路的各种扰动，对SCR的ρ″(NOx)的稳定起粗调作用。

(2) 采用基于物料平衡的前馈信号，改善负荷变化等扰动的响应性问题。

引入氨基本需求量前馈回路，根据测得的机组负荷P、ρ′(NOx)、氨氮摩尔比R计算得出氨气的基本需求量：

(1)

由于前馈控制是按扰动变化的大小进行调节的，调节作用在扰动发生的同时产生，而不是等到扰动引起被调量发生波动后才产生。此前馈控制及时克服了机组负荷、ρ′(NOx)的变化等干扰因素的影响，提高了喷氨量控制对机组负荷变化的响应速度，增强了系统调节的及时性。

(3) 由于脱硝反应器催化剂的特性所限，锅炉负荷稳定的情况下，也将会出现波动，引入ρ″(NOx)的微分信号作为动态前馈补偿，通过副控制回路对这种波动进行修正。

(4) 解决烟气分析测量装置定期吹扫带来的干扰问题。

因为A、B侧烟气的ρ(NOx)相差不大，利用A、B侧烟气分析测量装置定期吹扫校准不同步，在A侧吹扫时，可以利用B侧的ρ(NOx)值代替A侧值，为了不带来扰动，需要进行差值叠加。若A、B侧同时吹扫时，保持测量值不变，并保持调节器的输出不变，采用变PID参数，减弱吹扫时PID控制器的积分作用，防止因为吹扫前控制偏差的存在，引起PID控制器的继续较大幅度调节，一定程度上解决了烟气分析测量装置定期吹扫校准导致的波动。

(5) 氨逃逸率的控制改进。

为了控制氨逃逸率不超标，此方案加入了氨逃逸率超限时闭锁氨流量调节器输出增加的控制措施，限制喷氨流量增加，进而控制氨逃逸率进一步增大。

(6) 氨气压力控制的改进。

在负荷变化时，为了提高氨气压力控制对负荷变化干扰的响应速度，保证喷氨控制氨气流量的稳定控制要求，在原有的氨气缓冲罐压力控制回路中引入了氨气流量信号作为前馈信号，提高了氨气压力在负荷变化时控制的稳定性。

4投运效果

改进后的串级-前馈控制方式，在实际的脱硝改造工程中得到应用。以南京某热电有限公司2台330 MW燃煤机组脱硝改造工程为例，工程采用ABB Symphony Plus DCS控制系统，对脱硝系统采用集中控制方式，SCR区控制站纳入主机DCS控制系统，氨区控制站通过远程I/O方式与主机DCS连接。

2014年6月17日—18日机组投运后的控制效果见图6。

在负荷从271 MW降到232 MW时，喷氨流量及时响应了负荷的变化，ρ″(NOx)及氨逃逸率也控制在设定的范围内，ρ″(NOx)控制在50 mg/m3左右,氨逃逸率也控制在3×10-6以内，满足环保排放要求。

5结语

改进的串级-前馈控制策略，以ρ″(NOx)为被调量，以烟气中的NOx流量为主动流量，氨气流量为从动流量，引入基于物料平衡计算基本氨需求量的前馈信号，有效地解决了ρ″(NOx)因惯性大反馈延迟、对负荷变化等扰动响应速度慢、烟气分析测量装置定期吹扫干扰等问题。改进后的控制方式是一种按需脱硝的控制模式，通过设定ρ″(NOx)达到排放要求，相对固定摩尔比控制方式可以防止过度脱氮，降低电站脱硝运行成本。

参考文献：

[1] 赵毅. 燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究[J]. 电力环境保护，2009,25(1)：7-9.

[2] 李云涛，钟秦. 低温NH3-SCR反应机理及动力学研究进展[J]. 化学进展，2009,21(6)：95-96.

[3] 刘武标. 影响火电厂烟气脱硝效率的主要因素研究[J]. 工业安全与环保，2013,39(1)：47-48.

Improvements on Control System for SCR Flue Gas Denitrification of Coal-fired Power Plants

Ma Lige

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：Based on the SCR flue gas denitrification technology and its reaction principle, problems existing in traditional method of SCR ammonia injection control were analyzed, to which improvement measures were proposed and taken. Engineering practices have proved that the improved cascade-feedforward control method has a good control performance. On the premise of environmental protection, the denitrification cost of the power plant is reduced, while the automatic input rate of the control system is improved.

Keywords：flue gas denitrification; distributed control system; ammonia injection flow control

收稿日期：2015-11-04

作者简介：马立阁(1978—)，男，工程师，主要从事电站及工业过程控制系统的设计与研究工作。E-mail: malige@speri.com.cn

中图分类号：X701

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0210-05