基于格栅均衡控制策略的300 MW 火电机组脱硝研究

王 涛， 娄龙飞

（山西潞光发电有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

通过对山西某电厂2×300 MW 机组的选择性催化还原 SCR（selective catalytic reduction） 反应器进行研究，发现该机组SCR 反应器入口烟道弯头较多，布置曲折；同时，SCR 反应器入口烟道狭长，烟气流场复杂，气流分布不均匀。该机组原有SCR 反应器入口处布置有多个喷氨小室，每个喷氨小室都有一个“氨”喷入嘴，每个喷嘴都有一个手动门控制，通过手动调节方式来解决SCR 反应器入口烟气分布不均匀的问题。该方式仅能通过实验方法调整，并且在工况改变的情况下无法做到及时调整，不能实时在线监测SCR 反应器入口烟气截面NOx分布情况，所以不能及时根据分布情况调整每个喷氨小室的喷氨量，造成局部氨逃逸率升高或者脱硝效果差，影响空气预热器等烟道后部设备运行，同时也影响了SCR脱硝效率。

1 格栅优化必要性分析

对于SCR 脱硝反应器的控制系统来说，其关键参数是喷氨量，喷氨量及其控制方式直接关系到电厂NOx排放浓度、装置的脱硝效率及氨逃逸率等指标。目前，山西某电厂2×300 MW 机组SCR 脱硝控制系统的设计基本以单出口NOx为测量值，单点测量高低直接决定喷氨调门开度，对氨气流量有着直接影响。此种方法虽然在一定程度上能够精准控制喷氨流量，但单点不能代替同一截面的所有NOx含量，容易出现“过喷”现象，难以确保最佳喷氨比例。

2 智能喷氨格栅均衡控制算法模型

2.1 数据模型

基于上述分析，参考山西某电厂2×300 MW机组的SCR 系统运行实际情况，我们做如下假设：假设在运行工况附近，脱硝效率与喷氨量呈线性关系；假设在运行工况附近，各个独立喷氨小区阀门开度与流量呈线性关系；假设在运行工况附近，催化剂入口氨量分布和喷氨格栅氨量也呈线性关系；假设在运行工况附近，忽略非线性关系。通过假设，根据出口NOx分布建立格栅小门开度Ni与分区阀门开度Ki之间的线性关系，具体关系如下

将上述线性关系简写成如下公式

基于上述方程，我们可依据6 种典型工况，建立6 组上述方程，进而组成方程组，便可求出｛Cij｝。具体求解过程如下：

基于不同典型工况下，即不同负荷下，可根据需要的出口NOx分布，求出各个分区喷氨格栅小门开度Ni。

2.2 实验步骤

基于上述理论分析，实验前确保如下条件。

a） 根据出口NOx分布建立格栅小门开度Ni与各个分区阀门开度（Ki） 之间的线性关系，此时需6 种典型工况下的对应关系，便可对系数矩阵进行求解。

b） 确保喷氨总量控制不变，保证出口NOx在设定值上下摆动。

c） 确保每组实验工况不变，NOx不变。

d） 本次实验以单侧为例进行，机组负荷为290～300 MW。步骤一：K1= x%，K2=100%，K3=100%，K4=100%，K5=100%，K6=100%。记录上述K1。步骤二：K1=100%，K2=x%，K3=100%，K4=100%，K5=100%，K6=100%。记录上述K2。步骤三：K1=100%，K2=100%，K3=x%，K4=100%，K5=100%，K6=100%。记录上述K3。步骤四：K1=100%，K2=100%，K3=100%，K4=x%，K5=100%，K6=100%。记录上述K4。步骤五：K1=100%，K2=100%，K3=100%，K4=100%，K5=x%，K6=100%。记录上述K5。步骤六：K1=100%，K2=100%，K3=100%，K4=100%，K5=100%，K6=x%。记录上述K6。

e） 算法在机组负荷降到 270～280 MW、240 ～250 MW、200～210 MW、150～160 MW 稳定后，重复 d） 实验。

f） 在上述实验中，注意每个阀门的动作需保持在1 h 以上。

g） 注意将获得的最小Ki值记录在DCS 控制逻辑中，以便控制逻辑根据历史记忆，结合当前负荷进行针对性地调整。

3 效果分析

3.1 改进前后变工况控制效果对比

为了对脱硝控制系统改进前后变工况控制性能进行对比，本文引入以下4 个评价指标。

a) 最大动态偏差Omax

b) 最小动态偏差Omin

c) 均方根超调RMSO

d) 相对均方根超调RRMSO

以上4 个指标可以真实地反映控制系统的综合调节性能，Omax和Omin可以很好地反映控制系统的暂态特性，而RMSO 和RRMSO 可以看出系统长期运行的调节性能。

本文以某电厂300 MW 机组升负荷阶段为例，介绍变工况运行状态下脱硝控制系统改进前后的控制性能对比情况。图1、图2 分别为脱硝自动控制系统改进前后该300 MW 机组在升负荷工况下的控制效果图，表1 为该300 MW 机组脱硝自动控制系统改进前后性能数据表。

图1 某300 MW 机组脱硝自动控制系统改进前控制效果图

图2 某300 MW 机组脱硝自动控制系统改进后控制效果图

表1 某300 MW 机组脱硝自动控制系统改进前后性能数据

由图1、图2 和表1 可以看出，脱硝自动控制系统改进后，A 侧和B 侧最大动态偏差Omax均出现了大幅降低，A 侧最小动态偏差Omin出现负向增加，这是因为改进前机组升负荷阶段脱硝出口NOx长期处于超调状态。RMSO 和RRMSO 均出现大幅降低，说明系统平均超调减小。总体来说，脱硝自动控制系统改进后调节性能优于改进前。

3.2 改进后稳定工况控制效果

脱硝出口NOx自动控制系统改进后稳态运行效果良好，在150～300 MW 各个负荷段稳定运行时，出口NOx浓度均值均能稳定在设定值附近，在氨逃逸控制在3 mg/m3以下的情况下，脱硝效率均维持在90%以上，说明改进后脱硝自动控制系统在稳态运行时控制性能优异。

4 结语

国家和地方环保部门对电厂排放要求越来越严格，对脱硝效率提出了更高的要求，脱硝系统精细化控制是必然选择。如何优化运行SCR，降低氨逃逸率，确保SCR 下游设备的安全运行，给脱硝带来了全新的研究课题。本文研究内容具有很高的环保效益，可以在保证脱硝效果的同时，尽可能地减少喷氨量，降低氨逃逸率，减轻空气预热器堵塞压力，避免对环境的二次污染。本研究具有一定的推广应用价值。