脱硝喷氨自动控制系统优化

薛姗姗，王 镇，周 爽，于智新

（华电潍坊发电有限公司，山东 潍坊 261204）

脱硝喷氨自动控制系统优化

薛姗姗，王 镇，周 爽，于智新

（华电潍坊发电有限公司，山东 潍坊 261204）

介绍华电潍坊发电有限公司2×670 MW机组脱硝喷氨自动控制系统，分析喷氨自动控制系统存在的问题，通过对喷氨自动控制方式和系统设备的改进，采用PID控制加入前馈、动态调整喷氨调门开度等方式，实时调控喷氨量，有效控制氮氧化物排放，确保脱硝系统的安全稳定运行。

脱硝系统；自动调节；PID控制；过程优化

0 引言

随着我国环保要求的逐渐提高，火电超低排放工作进展迅速。各大型燃煤火电企业对锅炉进行脱硫、脱硝、除尘装置的建设和改造，脱硫脱硝技术工艺逐渐成熟，但仍有大量问题存在。

《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》［1］规定东部地区新建煤电机组大气污染排放基本达到超低排放限值——烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于 10 mg／m3、35 mg／m3、50 mg／m3， 相较之前的NOx排放浓度不高于100 mg／m3提出了更高要求。沿用以往的脱硝技术，已明显不能满足更加严格的烟气出口氮氧化物的排放标准，燃煤机组烟气脱硝系统亟待优化提高。

1 SCR系统现状

燃煤企业大都采用选择性催化还原工艺SCR（Selective Catalytic Reduction）。 将氨类（NH3）还原剂喷入烟气中，与稀释风在混合器中稀释后进入反应器，利用催化剂（铁、钒、铬、钴或钼等金属）在温度200～450℃时将烟气中的 NOx转化为氮气（N2）和水（H2O），达到除去氮氧化物的目的［2］，如图 1 所示。

图1 SCR系统工作原理

主要反应方程式为

脱硝系统运行关键的动态参数为氨气的喷入量，即喷氨量，根据脱硝出口氮氧化物浓度及要求的脱硝效率，在动态下找到最佳喷氨量，实时调整喷氨调节门的开度，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。

喷氨调节门的开度不合理，喷氨量少造成脱硝效率过低，出口氮氧化物排放超标；喷入过多氨气不但增加脱硝运行成本，还会造成氨逃逸（氨逃逸率小于 3 μL／L）［3］， 未参加化学反应的氨气与烟气中的SO2反应生成硫酸氢氨，附着于催化剂或者飞灰从反应器的出口被带入下游的空气预热器换热面上方，造成催化剂失效、空预器堵塞，还会引起尾部烟道积灰。

在脱硝喷氨自动控制系统中，由烟气连续监测装置测量得到反应器出口的一氧化氮浓度，通过换算和修正后得到用于实际计算和控制中所需NOx浓度。经脱硝DCS系统计算比较NOx浓度变化情况后，发出喷氨自动调节门开度指令控制喷氨量，从而保证设计的脱硝效率。

超低排放施行后，烟气出口氮氧化物排放浓度指标由 100 mg／m3降低到 50 mg／m3［4］，为达到环保要求，进一步提出将脱硝出口NOx浓度严格控制在80%排放标准线以下的要求。

机组脱销系统2013年投运，采用脱硝效率调节方式，根据设定及实际脱硝效率实时调整喷氨调节门开度控制喷氨量，确保达标排放。此种方式易于调试和整定，工况稳定的时满足SCR反应器要求；机组负荷波动大、工况调整频繁时，出入口氮氧化物将大幅变化，瞬时超标现象严重，调节系统失去作用。此时采用手动控制调节门开度的方式运行，完全依赖于运行人员的经验，环保达标和经济性很难平衡，运行人员调整不及时将造成出口NOx值超高越线，各种不确定因素的存在给系统的正常运行造成了隐患。

2 脱硝控制系统优化

在新的控制逻辑中，对CEMS吹扫、PID调节、手动控制方面做了调整，如图2所示。

CEMS实时测量所得SCR入口NO浓度转换为SCR入口NOx浓度，与烟气流量作为前馈信号，经判断是否处于手动、吹扫状态，无特殊状态下进入PID调节方式。PID控制器将设定值（出口NOx浓度）和测量值（CEMS测得的实际出口NOx浓度）的偏差生成喷氨调节门指令，实时调整调节门的开度，实现控制脱硝出口NOx浓度的目的。

图2 出口NOx浓度调节方式框图

2.1 CEMS采集及NO浓度与NOx浓度的转换

烟气连续监测系统（CEMS）是由采样系统、测试系统、数据采集与处理系统3个子系统组成的监测体系，能完成采集并处理数据，控制自动操作功能。其中，数据采集与处理系统主要由PLC、工控机及相应软件组成， 能自动监测 SO2、NO、CO、CO2、O2及其他有关参数，如烟气温度、湿度、烟气流量、压力及含氧量。控制及数据采集系统（DAS）采用PLC实时控制分析过程，实时采集分析仪器的测量数据，并将采集数据传输到工控机，实时显示采样数据，并可自动归档以及生成报表。

因燃煤电厂中烟气连续监测系统（CEMS）测量到的是烟气中的一氧化氮（NO）浓度，且脱硝喷氨自动调节系统控制算法是以脱硝出口NOx浓度为变化量计算。所以需对数值进行换算，即NO先转换为NO2再折算为 NOx。

2.2 前馈控制

喷氨自动控制方式基于脱硝效率和催化剂脱硝能力，逻辑简单，采用单回路调节方式，仅以脱硝出口NOx浓度作为被调量，处理工况调整频繁的方面欠缺。且由于催化剂的消耗等原因的存在，脱硝过程是非线性化学反应过程，脱硝过程动态特性变化较大。造成喷氨自动调节滞后。

为快速响应机组负荷、磨煤机运行方式、省煤器出口氧量、CCOFA风量、偏置风量等工况突变引起NOx浓度扰动，同时弥补反应器和烟气分析仪的滞后，增强调节效果，在控制逻辑引入脱硝入口烟气流量和SCR入口NOx浓度两个参数作为前馈信号。

2.3 CEMS仪表定期吹扫

为防止脱硝烟气连续监测系统（CEMS）堵塞，设置定期吹扫功能，吹扫时采集到的烟气失去真实性，测量值大幅变化，影响了测量准确度和响应时间，出口氮氧化物浓度波动频繁。

在控制系统中加入吹扫信号，对CEMS采集到的测量信号进行品质判断确定所得信号是否是处于吹扫状态。吹扫状况下，保持前一状态数值，维持系统的正常运行。持续时间以NOx浓度恢复正常确定，一般情况下吹扫后3 min即切换至正常控制状态［5］。

同时，为进一步提高仪表测量准确性和及时性，应尽量减小CEMS仪表的取样管路的长度及弯曲度，同时进行定期校验。

2.4 PID调节

PID控制是比例积分微分控制。积分调节可以消除静差，但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差［6］。

在脱硝喷氨自动控制系统中采用比例调节，在负荷扰动下的调节过程结束后，SCR出口NOx浓度不可能与NOx浓度设定值准确相等，它们之间一定有残差。因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入（SCR出口NOx浓度）有变化，即被调量和设定值之间有偏差，经PID运算后生成喷氨调节门指令，实时调整调节门的开度，从而得到更准确的供氨需求量。

3 优化效果

系统优化后，在工况稳定的情况下进行脱硝出口NOx浓度定值扰动试验，通过喷氨调门开度控制喷氨流量的，响应出口NOx浓度设定值的突变，如图3所示。

出口NOx浓度设定值在1min处由60 mg／m3阶跃至80 mg／m3，通过喷氨调门开度调整喷氨流量，喷氨流量由140 kg／h调整至120 kg／h。因CEMS采样延迟、催化剂反应等原因的存在造成出口NOx浓度响应曲线在1 min处有12 s延迟，趋于稳定过程大约有6 min长，在4 min处达到第一峰值88 mg／m3，超出正常值8 mg／m3；第一谷值在6 min处出现，超出正常值2 mg／m3，衰减率为75%，系统优化后，控制精度、稳定性效果良好。

图3 出口NOx浓度设定值扰动曲线

在出口NOx浓度设定值维持在70 mg／m3时，通过调整锅炉燃烧情况，检验机组工况快速变化，入口NOx浓度大幅波动时，是否存在滞后现象，如图4所示。

图4 机组工况突变时优化前后对比曲线

机组工况在1 min处发生变化，4 min处趋于平缓，3 min内入口 NOx浓度测量值上升 100 mg／m3，出口NOx浓度测量值在优化前后变化明显。

优化前，第一峰值超调40 mg／m3，第一谷值超调30 mg／m3，衰减率为25%，波动较大，滞后现象严重；逻辑优化调试后，第一峰值超调20 mg／m3，第一谷值超调10 mg／m3，衰减率为50%，可见优化后喷氨调节门能及时根据负荷与入口NOx的变化及时动作，喷氨调门自动调节良好，滞后现象得到明显改观，有效提高了脱硝控制系统的品质。

4 结语

脱硝喷氨自动控制系统优化后，PID控制有效利用脱硝入口烟气流量和氮氧化物浓度作为前馈信号，根据机组工况自动调节喷氨量，解决了调节滞后问题，增强喷氨自动调节的稳定性，效果良好。

［1］环境保护部.火电厂大气污染物排放标准：GB 13223—2011［S］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［2］马光辉，闫丽.SCR 烟气脱硝方式及优化［J］.电力基础，2014，24（9）：118-120.

［3］罗贤里，孟启珠.燃煤电厂SCR烟气脱硝喷氨系统控制方式优化［J］.电力工程，2014，27（4）：69-73.

［4］杨萌，张国凌.SCR 脱硝技术及应用［J］.山东电力技术，2015，12（1）：50-51.

［5］于国华，王心凌.工况变化对 NOx的影响［J］.东北电力技术，2014，27（8）：34-40.

［6］李建华.PID 控制应用［J］.电力基础，2014，22（2）：33-36.

［7］王镇，薛姗姗，盛玉和.火电厂SCR烟气脱硝控制逻辑优化［J］.黑龙江电力.2015，37（5）：463-466.

The Automatic Control System of Nitrate Ammonia Removal

XUE Shanshan，WANG Zhen，ZHOU Shuang，YU Zhixin
（Huadian Weifang power plant，Weifang 261204，China）

This paper introduces the automatic control system of the nitrate ammonia removal system 2×670 MW power units of Huadian Weifang Power Company Limited，and analyzes the problems existing in the automatic ammonia injection control.By adopting PID regulator with signal feedforward in the control system and dynamic adjustment of ammonia injection valve opening degree，the operator will be able to control the amount of ammonia spray more effectively in real-time thus better control on the nitrogen oxide emissions.This would ensure safe and stable operation of the denitration system.

denitrification system；automatic control；PID control；process optimization

X701

B

1007－9904（2017）11－0052－03

2017-06-08

薛姗姗（1981），女，硕士，从事火电厂热工控制系统的研究工作。