1 000 MW超超临界机组SCR脱硝喷氨控制策略的优化与改进

2018-04-19刘锋，金晶

浙江电力 2018年3期

刘锋，金晶

（广东粤电靖海发电有限公司，广东揭阳 515223）

0 引言

NOX污染是大气污染的主要来源之一，NOX的排放量中近70%来自于化石燃料的使用，燃煤电厂则是NOX主要排放源之一。近年来，环境污染问题日益突出，随着国家全面实施燃煤电厂“超低排放”工作的推进，各发电公司纷纷进行“超低排放”改造，确保NOX排放达标。关于如何提高SCR（选择性催化还原）脱硝系统的效率，通常只关注脱硝系统的设备构造、反应原理、运行操作方式等方面，而忽略了脱硝喷氨调节自动控制策略的优化。脱硝喷氨如果自动调节不好，喷氨量过低，将导致系统出口NOX超标；而喷氨量过高，又将导致氨逃逸较高，过量的氨与烟气中的硫化物反应生成硫酸氢铵，不仅影响脱硝催化剂的活性，还会堵塞空预器，危及下游设备的安全经济运行。

以某发电厂一期2×1 000 MW（3号、4号）超超临界机组脱硝系统为例，分析了脱硝喷氨控制系统调节效果不佳的原因，并且对不同煤种与入口NOX浓度关系、磨煤机的启停方式对入口NOX生成的影响等进行了探讨。采用基于前馈与变参数控制的脱硝控制优化策略，实现了SCR脱硝过程喷氨控制策略的优化与改进，增强了喷氨调节自动控制的稳定性。实践表明，经优化后，系统出口NOX浓度可以控制在50 mg/m3以内，且波动较小，SCR脱硝系统控制效果良好[1－5]。

1 设备概况

某发电厂一期2×1 000 MW超超临界机组锅炉由东方锅炉（集团）股份有限公司生产，型号为DG3033/26.15－II1型。锅炉前后墙各有3层燃烧器，每层燃烧器配备8台低氮燃烧器。前墙下中上层燃烧器分别为B，C，D；后墙下中上层燃烧器分别为F，E，A；B层与F层燃烧器配备等离子点火系统。脱硝装置采用高含尘布置方式，催化剂采用蜂窝式，共3层，SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间。机组DCS（分散控制系统）为北京ABB贝利控制有限公司的Symphony系统。

2 存在问题

2.1 采用脱硝效率为设定值的简单PID控制方式

原控制系统为以脱硝效率为设定值的简单PID控制方式。该控制方式下以脱硝效率作为设定值，计算脱硝效率设定值与实际值的偏差，通过简单的PID调节，输出喷氨调节阀的开度，最终控制脱硝出口NOX浓度达标。实际脱硝效率计算公式为：

实际入口NOX浓度（折算后值）：

实际出口NOX浓度（折算后值）：

实际脱硝效率：

通过以上公式可以看出：实际脱硝效率由脱硝出、入口NOX和O2浓度计算得来，即在实际调节参数中，脱硝效率受到多个参数变化的影响，任一参数变化将导致脱硝效率变化，一旦某一参数不准，将导致调节参数脱硝效率失真。而且脱硝调节还会受到机组变负荷、煤质变化、锅炉燃烧、风煤比控制等其他参数影响，使得调节系统的控制目标不准确，导致自动投入后效果差，负荷一旦变化，喷氨调节系统内外干扰均较大，自动控制无法投入正常，出口NOX浓度值时常超标。

2.2 CEMS自动反吹和标定干扰自动调节

脱硝出、入口的NOX和O2测量仪表长期在高尘环境下运行，为了防止取样管路堵塞，系统每隔一定时间自动反吹、标定一次。在系统自动反吹和标定期间，将脱硝出、入口的NOX和O2测量值锁定为反吹和标定前测量值，持续时间长达5 min。由于测量仪表反吹和标定的频率高、时间长，调节对象无法实时反应脱硝系统内部NOX和O2的变化量，在机组变负荷过程中，脱硝自动调节容易出现超调，致使调节系统大范围波动，甚至出现振荡发散的情况。测量仪表反吹和标定完成后，经常会出现出口NOX瞬时超标或者喷氨过量的现象。

为了解决脱硝出、入口CEMS（烟气在线分析系统）仪表标定时锁定当前值给自动调节带来的影响，将脱硝出、入口NOX以及烟囱出口NOX自动反吹和标定时间设定在不同时间段，在一侧出口NOX出现信号维持时，可以参考另一侧或烟囱出口NOX变化情况。采用该措施后，虽然在稳态情况下脱硝自动调节良好，但是一旦煤种变化或者负荷快速变化时，由于两侧的烟气分布本身具有不均匀性，依然会造成自动调节的品质差。

2.3 喷氨调节阀特性差

喷氨调节阀作为喷氨自动调节系统的执行机构，其线性的好坏直接影响着调节品质。通过调取手动与自动情况下喷氨调节门指令和反馈曲线，结合喷氨调节阀前流量和喷氨调节门阀位反馈曲线进行对比分析，发现喷氨调节门反应迟缓、死区大，喷氨流量与喷氨调节阀曲线特性跟踪不好，且喷氨调节阀行程过大，阀门调节线性差，阀门开至70%时喷氨调节阀前流量已经达到最大值。在稳定负荷运行时，喷氨调节阀调节范围在5%～20%，调节范围过小。由于喷氨调节阀的线性差，在变负荷调节过程中，自动调节过快出现喷氨调节阀振荡发散，自动调节慢时又容易造成出口NOX超标，尤其是入口NOX浓度波动较大时，脱硝自动调节更加难以达到要求。

3 不同煤种燃烧及磨煤机启停对NOX生成影响

不同煤种所含的硫、氯等元素的成分是不同的，因此其燃烧产生的各种烟气排放物浓度也不同，煤质是影响污染物生成的关键因素。受燃料成本等因素影响，我国燃煤电厂普遍存在燃煤煤质不稳定的问题，不同煤种之间的混烧、掺烧等已是常态。前后墙对冲式燃烧结构，在磨煤机的启停方式不同时，炉膛内的火焰中心位置不同，对NOX的生成影响也是不同的。

3.1 不同煤种燃烧与脱硝入口NOX浓度关系

煤种的变化对NOX的排放浓度有较大的影响，容易着火、发热量高、含氮量低的煤，燃烧特性较好，NOX排放浓度明显低于其他煤种。该厂常用燃用煤有神混、印尼、石炭2、平七、伊泰及烟煤等，燃煤采用掺烧方式，在节约燃煤成本的同时又会增加机组的排放压力，例如采用平七、印尼煤混烧，稳态时脱硝入口NOX浓度达到401 mg/m3，最高甚至达到559 mg/m3；而采用神混1、石炭2混烧（神华煤），脱硝入口NOX浓度最高仅为330 mg/m3，稳态时都在200 mg/m3以下。低负荷时，随着炉膛氧量的升高，NOX排放浓度增加，增幅最多可达82%。不同煤种掺烧组合燃烧NOX参数如表1所示。

表1 不同煤种掺烧时脱硝入口NOX值

通过表1可以看出：不同煤种，稳定状况下入口NOX含量不同，喷氨调节阀开度也不一致，如果仅仅在控制方式上用简单的PID控制，将很难保障脱硝控制效果。当某一煤种燃烧处于低氮燃烧时，脱硝控制参数优化后，能够基本达到调节要求，一旦改变为高氮燃烧煤种，原控制参数又不能达到脱硝调节效果。

3.2 启停磨煤机对脱硝入口NOX生成的影响

3号、4号机组采用的是前后墙对冲式燃烧器，每层燃烧器配备8台低氮燃烧器。不同磨煤机的组合燃烧方式对NOX生成有较大影响，在机组负荷较低时，集控人员倾向于确保下层B/F磨煤机的运行，保证炉膛内燃烧稳定，而且下层磨煤机配备等离子点火设备，在低负荷时更能确保炉膛燃烧的可靠性。不同磨煤机组合燃烧试验参数如表2所示。

表2 不同磨煤机组启停脱硝入口NOX值mg/m3

一般在600 MW左右开始启停磨煤机操作，通过比较A—F磨煤机分别启停后生成入口NOX的浓度变化趋势，上层A/D磨煤机刚启动或下层B/F磨煤机刚停止，将造成炉膛内火焰中心整体上移，分级燃烧能力变弱，入口NOX浓度瞬时增加较多，入口NOX浓度均值较高。上层A/D磨煤机刚停止运行或者下层B/F磨煤机刚启动，将造成炉膛内火焰中心整体下移，分级燃烧能力变强，燃烧情况良好，入口NOX浓度瞬时下降较多，入口NOX浓度均值降低，甚至在200 mg/m3以下；而中层磨煤机C/E不管是刚启动还是停止，锅炉的燃烧情况均比较稳定，入口NOX浓度虽然瞬时会升高，但变化幅度不大，且很快就能下降并保持稳定，中层磨煤机启停前后入口NOX浓度偏差不大。因此磨煤机的启停方式不同对脱硝喷氨自动控制有较大影响，加上煤种掺烧、制粉系统检修隔离、设备定期切换以及燃烧调整试验后提高经济性的煤层组合燃烧方式等因素，采用常规控制策略不能满足喷氨自动控制的要求。

4 脱硝控制策略的优化与改进

传统的控制方法主要是基于经典的确定性理论，而脱硝喷氨调节过程表现出非线性、大迟延、耦合性和不确定性，且脱硝喷氨控制系统是一个受多种因素制约影响的复杂系统，各变量之间严重耦合，仅仅依靠一般PI控制器调节难以获得良好的调节效果。即使机组负荷、燃烧工况稳定，受阀门调节特性、脱硝NOX浓度测量准确性、CEMS系统反吹和标定干扰等影响，脱硝自动控制也很难调节稳定。

通过研究基于不同煤种燃烧下脱硝控制优化策略、不同负荷参数下PID参数适应性以及不同磨煤机组启停与入口NOX对应关系等，采取了针对不同煤种燃烧及启停磨时稳态调节后参数自适应方法，逻辑框图如图1所示。

图1 优化后的喷氨自动控制逻辑

4.1 变参数适应不同煤种、负荷时及磨组运行方式的喷氨需求

如图1所示，根据不同工况和煤种条件下实际喷氨量的需要，设定PID控制输出的上限和下限，为了防止积分饱和对控制器的影响，采用新型具有抗积分饱和功能的控制器，动态修正喷氨调阀调节的特性，减少喷氨自动控制超调现象。另外，煤种不同、负荷不同均会造成入口NOX浓度的不同，通过表1发现，典型的4种煤种燃烧情况下，低负荷段，由于氧量较大，脱硝反应器入口烟温较低，脱硝催化剂活性降低，脱硝入口NOX浓度较高；而600 MW负荷以上，脱硝入口NOX浓度基本稳定在较低水平，将入口NOX的变化作为脱硝自动控制器的前馈，可采用变参数调节方式来适应不同煤种、不同负荷时的喷氨需求。通过在控制逻辑中设计入口NOX高、低浓度2种调节方式，低于经验值260 mg/m3和高于300 mg/m3采用不同调节方式，调节死区为40 mg/m3，通过控制逻辑自动进行选择，使得喷氨自动调节采用可变参数调节方式，使喷氨调节达到最优状态。

4.2 磨煤机组启停喷氨调节自动控制

如图1所示，采用自动判断磨煤机组启停方式的方法实现喷氨调节的适应控制，从表2中可以看出，不同的磨煤机组启停对脱硝入口NOX值的影响不同。比较A—F磨煤机分别启、停后入口NOX浓度变化的趋势，对入口NOX浓度影响最大的是上层磨煤机A和D的启动阶段以及下层磨B煤机和F的停止阶段，入口NOX浓度有时候瞬时急剧增加，通过控制逻辑自动判断磨煤机的启停方式，加入脱硝控制器的前馈，实现喷氨调节的适应优化控制。

4.3 CEMS系统自动反吹和标定过程中喷氨调节的适应控制

CEMS系统自动反吹和标定自动锁定当前测量值是导致脱硝喷氨系统自动投入不理想的重要因素。在CEMS系统自动反吹和标定信号保持当前出口NOX值时，通过控制逻辑判断当前的负荷及入口NOX浓度变化情况，采用不同的前馈策略实现喷氨调节的适应控制，可以有效解决因CEMS系统自动反吹和标定前后NOX浓度突变造成调节系统不可控的情况。

4.4 优化后的控制策略应用

通过将前馈与变参数控制方法引入脱硝喷氨的自动调节中，在机组运行的不同阶段、磨煤机组启停的不同方式、煤种的变化等不同工况下采用不同的适应控制参数，在实际运行过程中取得了较好的控制效果。

从实际运行数据可以看出：无论是在稳态负荷、变负荷还是在磨煤机的启停过程中，出口NOX值均比较稳定，可以控制在50 mg/m3以内。在连续的磨煤机启停过程中偶有波动，仍能保证出口NOX瞬时值不超标，稳态偏差能控制在±10 mg/m3以内。

5 结语

脱硝喷氨控制是一个受多种因素影响的复杂控制系统，传统控制策略不能完全满足脱硝喷氨调节要求，更无法达到环保指标的要求。通过引入前馈与变参数控制的方法，完善控制对象，优化喷氨调节阀的流量特性，采用变参数调节方式适应不同煤种、不同负荷及不同磨煤机组启停时的喷氨需求，采用自动判断磨煤机组启停方式的方法实现喷氨调节的适应控制，以及变负荷时采用不同的控制前馈等多种过程控制逻辑优化方式，SCR系统出口NOX浓度全时段保持稳定可控，脱硝控制系统的调节品质及稳定性得到了很大的提高，防止了由于参数变化导致的SCR系统出口NOX浓度超标，取得了良好的效果。

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