火电脱硝CEMS预处理和控制系统优化及应用研究

孟　坦　李　峰

1 国华徐州发电有限公司

2 美国博纯有限公司上海代表处

节能论坛Energy Conservation Forum

火电脱硝CEMS预处理和控制系统优化及应用研究

孟坦1李峰2

1 国华徐州发电有限公司

2 美国博纯有限公司上海代表处

分析了脱硝CEMS系统和脱硝控制系统主要存在的问题，针对这些问题进行了优化改造研究，提出了对脱硝CEMS系统和脱硝控制策略的优化方案，并对优化方案进行了实施与评估，获得了成功的应用。

脱硝；CEMS；预处理；控制；优化

大型火电机组目前均安装了脱硝系统，但是脱硝CEMS系统和脱硝控制系统从现场实际使用中看还存在一些问题，脱硝CEMS系统主要存在铵盐结晶和冷凝水的问题，严重影响了脱硝CEMS的正常运行和使用寿命。脱硝控制系统由于控制策略设计不完善、控制目标不明确等问题，系统的自动投入率和投入效果均较差，使得整个脱硝系统的运行性能受到明显影响。本文根据某电厂百万机组脱硝系统实际改造情况，分析了脱硝CEMS系统和脱硝控制系统主要存在的问题，并针对问题结合优化改造进行分析研究。

1　存在问题

火电厂的烟气连续排放监测系统（CEMS）最令人头疼的是气体采样中存有大量的气体尘埃、腐蚀性和潮湿的气体。目前火电CEMS系统预处理通用的做法是采用过滤、取样管线加热、压缩机冷凝，对于安装脱硝系统的机组，由于氨不可避免过量投加且其为碱性气体，且烟气中总是含有明显的SO2、SO3和NO2等酸性气体，它们会自然发生气溶胶反应。而在SCR的CEMS系统中，也会有因氨逃逸而导致的硫酸氢铵盐结晶。CEMS中气溶胶的发生，或凝结下来的铵盐结晶，会导致监测分析结果出现误差，另外，铵盐结晶会堵塞取样管线，降低CEMS冷凝器的冷凝效率，导致CEMS出现诸多问题。因SCR烟气没有经过脱硫，SO2含量很高（设计值大体在2 200 mg/Nm3左右），会溶于冷凝水而生成相应的酸，具有较强的腐蚀性，会腐蚀薄膜抽气泵的膜片，以及取样管线及元件，严重时还会严重腐蚀分析仪的气室，导致分析仪的损坏。

目前国内的SCR脱硝闭环控制策略，基本设计为固定摩尔比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。该控制方式下的设定值为氨氮摩尔比或者脱硝效率，控制系统根据当前的烟气流量、SCR入口NOx浓度和设定氨氮摩尔比计算出NH3流量需求，最终通过流量PID改变氨气阀开度来调节NH3实际流量，这种控制方式近似于开环控制，脱硝系统的NH3需求量仅根据静态物理特性计算得出；部分电厂总结固定摩尔比控制方式的不足，采取了固定SCR出口NOx浓度控制方式，此时系统设定值为SCR出口NOx浓度，并根据其与实际出口NOx浓度的偏差来动态修正氨氮摩尔比，达到闭环控制SCR出口浓度的效果。但对于煤种多变、机组负荷受AGC频繁调度、测量仪表存在失真的国内脱硝运行环境，不论上述何种控制方案，在正常运行中均表现出如下问题：NOx浓度也将受影响而反复波动，会出现因脱硝控制品质差出现NOx排放超标，喷氨量大、氨逃逸大，生成的铵盐对下游设备损坏大。

2　问题分析

某电厂100 MW机组初装的脱硝CEMS在实际运行中也存在诸多问题，主要为冷凝水析出及衍生出来的腐蚀等问题、铵盐结晶等，给系统运行维护带来了很多困扰。脱硝控制系统为传统的控制策略，采取了固定SCR出口NOx浓度控制方式，此时系统设定值为SCR出口NOx浓度，并根据其与实际出口NOx浓度的偏差来动态修正氨氮摩尔比，但仍存在无法精准控制NH3的投加，SCR出口NOx波动大。主要表现为：

2.1冷凝水问题

机组脱硝CEMS采用的是一级压缩机冷凝，冷凝器显示出口温度为4℃，但冷凝器之后至分析仪间样气管线内有时有明显的冷凝水滴析出，易发生样气携带冷凝水进入分析仪的情况。

因SCR烟气没有经过脱硫，SO2含量很高（设计值大体在2 200 mg/Nm3左右），会溶于冷凝水而生成相应的酸，具有较强的腐蚀性，会腐蚀薄膜抽气泵的膜片，以及取样管线及元件，严重时还会严重腐蚀分析仪的气室，导致分析仪的损坏。

2.2铵盐结晶问题

该机组SCR的CEMS投产1年已经发现明显的铵盐结晶问题，主要发生在空压机冷凝器的冷腔中。

2.3时间滞后问题

时间滞后的问题分析，主要为以下4方面。

（1）取样和气体传输引起的滞后。

（2）预处理系统（二次过滤及冷凝）的滞后时间约5 s。

（3）仪器的滞后时间，约3 s。

（4）仪器的电气时间常数1 s，二号机SCR出口处直接抽取法CEMS分析滞后时间约需要24s。

2.4控制特性不佳

在线分析数据滞后时间长，控制系统性能不好，无法控制NH3的精确投加，过量投加NH3，造成了成本升高，SCR出口NOx波动大，并带来了铵盐下设备腐蚀、催化剂失效等问题。

3　优化措施分析研究

3.1脱硝CEMS存在问题分析研究

针对以上SCR用CEMS中冷凝水和铵盐的问题，如采用传统的二级冷凝法虽然可以缓解CEMS系统样气中冷凝水的问题，但解决不了铵盐和气溶胶对取样管线和分析仪表的影响。经过分析研究，拟采用一种原位冷干直抽法脱硝烟气取样GASS预处理系统。该系统直接安装在就地取样装置后面，主要特点是在烟气取样装置后面增加了除氨装置和灰尘过滤装置、在气相状态下除湿装置等。系统烟气处理流量可达25 LPM，处理烟气湿度可超过65%，可同时除去样气中的酸雾和氨气。

图1　传统冷干和原位直抽冷干CEMS比较图

原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统包括整体式烟气取样探头。样气从探头出来先进入第一温区—热交换器，在这里，高温的烟气经热交换器降温到第二温区所需控制的温度。然后烟气通过凝聚式过滤器（过滤精度0.1 µm），还有一个专利除氨器除去氨（CEMS系统要除氨，否则发生气溶胶和铵盐结晶）。第二温区是Nafi on管干燥器温控区，其头部被动加热到样气露点以上，以避免样气出现水而引起Nafi on管故障，一般控制到120℃,防止烟气中的水分冷凝。样气在通过Nafi on管干燥器的其余部分后，样气露点进一步降低到-10℃。Nafi on管脱水技术，在直接抽取法采样的一开始，在气相状态下除去水分，避免样气冷凝形成酸，同时由于不产生冷凝水，因此不会造成任何易溶于水的成分的流失，如SO2、NOx等。加装整体式取样探头后，整套装置可直接安装在烟道壁上，所以，该脱硝样气处理系统本质上是具有完整性的“原位预处理法”设计，其后的采样管线可以不伴热，因为样气已经是非常洁净和干燥的，粉尘＜0.1 µm，露点-10℃。（Nafi on管是由美国博纯有限公司生成的气态除湿管，目前主要应用在医疗领域，它具有高选择性的除水性能，水通过Nafi on膜壁移动，随后蒸发进入周围空气中，管内外的湿度差驱动了这个过程，在气体连续排放监测应用中，Nafi on不会与其中的常规气体和蒸气反应。）

图1为传统冷干直抽法CEMS和拟使用的原位冷干直抽法CEMS的不同：

传统冷干直抽法CEMS：采用高温伴热管+冷凝器除湿。

原位冷干直抽法CEMS：系统采用Nafi on管除湿，并内置除氨器、可去除酸雾的絮凝过滤器，因此不需要高温伴热管和冷凝器。

总之，该冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统具有如下特点。

（1）避免了冷凝水的发生，因此保证了后续管线及分析仪无任何酸性腐蚀；避免了冷凝水和易溶解酸性气态的接触，保证了待分析酸性样气的完整保留，确保了分析的准确性。

（2）提前以气态的形式去除烟气中的氨气，确保了后续过程中无硫酸氢铵气溶胶及铵盐结晶的发生，避免了CEMS系统内发生铵盐结晶，导致管路堵塞等问题的发生。

（3）因系统在样气取样处，即原位进行了预处理，就可以省掉伴热管和冷凝器，这样，分析仪可在该系统后进行原位安装，其分析滞后时间可以大大缩减，就可以精确控制氨气的投加量。

3.2脱硝控制策略优化

（1）硝装置氨消耗量计算优化

原设计为进口NOx浓度和烟气流量的乘积为NOx流量信号，然后此信号与所要求的NH3/NOx摩尔比（取决于脱硝效率）相乘得到氨耗量信号。根据脱硝反应方程式，1摩尔NH3与1摩尔NOx进行反应。理论上所有氨参与反应，NH3/NOx摩尔比为0.8 时的脱硝效率可达到80%。根据所要求的脱硝效率为80%，氨逃逸率3 ppm，则相应的摩尔比约为0.820 5。摩尔比可由程序决定或在现场调试时设定。NOx控制回路的PID输出控制值限幅在±20%以内，PID输出值和理论氨/氮摩尔比之和作为修正摩尔比与进口NOx流量信号的乘积作为流量调节回路的设定值，并通过PI调节回路调整氨气气动调节阀的开度。原设计所计算的氨消耗量来自厂家的一些经验公式，实际使用中，部分区段准确度差，现根据行业标准重新优化计算，提高了氨消耗量计算的准确度。

重新优化计算过程如下：烟气流量是通过总风量计算采用质量流量（t/h），而氨气流量是采用体积流量（Nm3/h）。采用烟气标况密度1.34（kg/m3）进行转换，则转换系数为1 000/1.34=746.27。NOx浓度ppm转换标准单位时需要除以1000000，分成A、B两侧则实际除以2000000。在体积转换中若考虑入口NOx中NO及NO2的比重，则需乘系数1.03。因此优化计算的需要消除的A侧（或B侧）NOx流量值（Nm3/h） =烟气流量(t/h)×1000/1.34×A（或B侧）侧SCR的NOx浓度(ppm) ×1.03/2 000 000。需要消除的NOx流量值（Nm3/h）乘以NH3/NOx摩尔比才可得到最终的氨气流量设定值。

（2）NH3/NOx摩尔比优化修正

系统已设计有固定出口NOx含量的控制方式，可实现按需脱除NOx，减少氨气用量。由于A侧（或B侧）采用出口NOx浓度与设定值偏差经过PID运算来修正NH3/NOx摩尔比。A、B侧出口NOx浓度控制值之间有差异，造成氨气用量的过多使用。

为克服系统控制参数变化过程的时滞问题，设计了如下优化控制逻辑：采用增益自适应预估器对出口NOx进行预测。并将预测值与实际值进行加权计算，出口NOx浓度值预测修正值-计算的预测值×0.7+测量值×0.3，若需要减少氨逃逸率可调整加权比例为0.5：0.5。A侧和B侧出口NOx的实际值采用增益自适应预估器还可得到环保NOx预测值，出口NOx浓度值预测修正值与环保NOx监视值进行加权将能实现A、B侧出口NOx的偏差调整，实现优化的A、B侧氨气流量控制，达到进一步节省氨气的目的。

增益自适应预估器原理：增益自适应预估器其原理框图如图2，它是在Smith预估器的基础上增加了除法器、比例微分器、乘法器，这三个环节的作用是根据被调量和模型输出信号间的比值自动校正预估器增益信号。

图2　增益自适应补偿系统原理性框图

（3）数学推导过程

Y(s)=[R(s)-Y2(s)]Gc(s)G0(s)e-τs

若τ=τm，则得出式（1）

式（1）所示的闭环传递函数与预估器的传递函数（去掉纯迟延部分）Gm(s)无关，也与其增益无关，不管是否等于实际对象增益，式（1）总是成立的，但式（1）的成立条件与模型预估的纯滞后时间有关，因此对等效纯滞后参数变化大的对象，需要设计滑变的纯滞后时间回路，以便达到良好的调节效果。

采用增益自适应预估器对SCR出口NOx进行预测，就是是通过计算得到的氨气流量、NH3/ NOx摩尔比、SCR入口NOx浓度等值采用以上所说明的预估器原理，通过多阶惯性环节及纯滞后拟合计算出口NOx预测值，根据预测值修正NH3/ NOx摩尔比，达到超前调节，节约氨气用量的目的。若预测值与实际值有偏差预估器可通过反馈回路修正预测增益，采用增益自适应预估器对环保NOx进行预测与此过程类似。同时在该控制方式中引入烟气流量（根据需要可以选用机组负荷设定值）作为系统的前馈信号,进一步增强变负荷系统调节的及时性。

（3）优化后的控制逻辑组态图

图3为预估SCR出口NOx值形成回路图，图4为氨气调节阀控制指令形成回路图。

4　优化前后的效果对比

图5为该机组脱硝系统优化前的实际运行状况：在机组负荷基本不变的情况下（蓝线为机组负荷）SCR入口NOx浓度（红线）由248 mg/Nm3变化为470 mg/Nm3时，SCR出口NOx浓度（淡蓝线）由16 mg/Nm3变化为165 mg/Nm3，有时不满足江苏省环保厅的考核要求。

图3　预估SCR出口NOx值形成回路

图4　氨气调节阀控制指令形成回路

经过采用原位冷干直抽法脱硝烟气取样GASS预处理系统，并把SCR出口CEMS分析仪表直接安装在该预处理后面，脱硝控制系统按上述方案进行优化后，NOx控制目标的设定数值可以更加接近于环保考核值，在满足江苏省环保厅的考核要求的同时脱硝系统的氨气消耗量明显降低，SCR出口NOx浓度基本控制在设定值±15 mg/Nm3，如图6（蓝线为机组负荷，红线SCR出口NOx浓度）。

使用原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统和控制系统优化后的效果：样气露点温度：2013年3月在二号炉SCR出口CEMS安装原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统以后，从红外分析仪后样气出口测得的露点温度为-5℃,当时还是开着伴热管和空压机冷凝器，但冷凝器后的冷凝水集水桶中再也没有冷凝水；2013年4月，在安装原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统后的30 d，停止了伴热管的150℃加热，并关闭了空压机冷凝器，此时分析仪后样气的露点温度为-8℃；经过一年使用，2014年4月初测试的样气露点为-5℃。样气处理到-5℃露点，就彻底解决了冷凝水析出的问题，及其衍生的腐蚀。一年来，红外分析仪运行正常，样气抽吸泵再也没有更换膜片。

图5　优化前脱硝历史曲线

图6　优化前脱硝历史曲线

铵盐结晶：因为原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统中含有高温除氨器，可在80℃就把逃逸出来的氨气去除，因此Nafi on干燥管没有受到氨气的破坏，而整个CEMS系统也没有发生过铵盐结晶的问题。

分析滞后问题：2013年4月，将红外气体分析仪移到距离原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统约1米的探头区域。经计算，系统的整个CEMS滞后时间约为8 s，比原先的24 s缩短了16s，大大的缩短了分析的滞后时间，提高了SCR在线控制系统的响应速度。

氨气投加量：经过约180 d运行，对二号机组和一号机组进行了比较，基本确认：使用了原位冷干直抽法脱硝烟气取样预处理系统的SCR二号机较没有进行系统优化前在脱硝效率保持NOx脱除率不小于80%(含80%)时，NH3的投加量降低了。对比没有进行脱硝CEMS系统和脱硝控制策略优化的一号机组，氨气约节省了10%，全年可节省约80多万元的NH3；同时降低了因过量的NH3逃逸造成烟气系统诸多的后续一系列的负面影响,例如ABS(亚硫酸氢铵)在空预器及电除尘中的沉积，及对空预器及电除尘金属材质的垢下腐蚀等。

5　结语

经过加装新型脱硝CEMS烟气预处理系统，彻底解决了冷凝水析出的问题、铵盐结晶影响分析仪表正常工作问题，并且没有影响分析数据的真实性。该CEMS烟气预处理系统更加适用于没有GGH的脱硫烟气分析系统，具有一定的推广应用价值。

采用脱硝CEMS原位GASS预处理系统，然后将分析仪表移到原位，将分析仪表柜直接安装在就地脱硝烟气预处理装置的后面，有效缩短了分析仪表的滞后时间，提高了分析仪表的响应速度，为提高脱硝系统控制品质创造了有利的条件。

经过对脱硝控制的控制策略优化，用增益自适应预估器对SCR出口NOx进行预测，根据预测值修正NH3/NOx摩尔比，达到超前调节，节约氨气用量的目的。脱硝控制优化前要先进行锅炉氧量控制回路的优化工作，以保证锅炉氧量的稳定，保证在稳定燃烧的前提下尽量降低氧量并防止氧量大幅波动，因为氧的富余量对燃烧器生成氮氧化物影响非常大。

INFORMATION AND DYNAMIC

节能信息与动态

印度建成世界首个完全由太阳能供电的机场

最近，印度建成世界上首个完全使用太阳能供电的机场——科钦国际机场。机场占地182109m2，共使用太阳能面板46 150块。据介绍，由于利用太阳能供电，机场在未来25年内将减少碳排放量30万t，相当于种植300万棵树木。机场多余的发电量将出售给喀拉拉邦供电局，以作他用。

（李忠东 译 )

Optimization and Application Research
Pretreatment and Control System Continuous Emission Monitoring System of Power Plant Denitrification

Meng Tan1, Li Feng2
1 Xuzhou Power Generation Co.,Ltd of PR China
2 Perma Pure LLC Shanghai Representative Office of the United States

The article analyzes main existing problems of denitrification CEMS and control system and carries out optimization and reconstruction study on above issues. The author puts forward optimization solution for denitrification CEMS and control strategy and implements and evaluates solutions to achieve successful application.

Denitrification, Continuous Emission Monitoring System, Pretreatment, Control, Optimization

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.004

孟坦：（1976-），男，工程师，国华徐州发电有限公司，长期从事火力发电热控技术管理工作。