火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整探究

秦皇岛发电有限责任公司 徐景新

1 研究工况和优化方法

1.1 研究工况

本研究以某电厂亚临界320MW 机组锅炉为例，锅炉主SCR 脱硝系统为国内安装，而脱硝的装置则选择安装于省煤器和空气预热器两者的中间（如下图1），混合氨和稀释风后由涡流静态混合式喷氨格栅喷入SCR 烟道。在当前的使用过程中，脱硝反应器和烟囱出口氮氧化物在线仪表测量值一直存在一定的偏差，影响了环保排放指标管控。

图1 SCR 装置结构图

1.2 优化过程分析

在进行脱硝SCR 喷氨优化控制前，对问题产生原因进行初步查找分析，此是测量牌稳定负荷下的脱硝反应器出口，其氮氧化物质量的浓度和氨气体积比的相应分布，再结合脱硝系统实时运行情况进行综合分析和诊断，最后再对查找出的问题进行总结论证。

针对上述查找出的问题，首先测出脱硝反应器出口的氮氧化物质量浓度及氨气逃逸体积比值，再调整反应器进口的喷氨总量和喷氨手动调节蝶阀的开度，在调整过程中保持对氮氧化物和氨逃逸分布测点的持续测量；通过反复的试验调整优化，进一步提升烟道内氮氧化物质量浓度与氨逃逸的均匀性。当调整后对SCR 脱硝喷氨控制逻辑进行优化，对PID 参数，尤其是调节前馈进行优化，以降低脱硝系统延迟性。当优化调整后投入脱硝自动，检查脱硝反应区出口氮氧化物和烟囱氮氧化物偏差，以及空预器后氨逃逸的代表性；必要时，再依据测量结果进行反复微调。具体优化调整流程如图2所示。

图2 喷氨优化调整流程图

2 火电厂SCR 脱硝系统喷氨控制优化

2.1 查找问题，发现症结

在整个优化调整开始前，保持机组负荷稳定，烟囱出口位置的氮氧化物质量浓度稳定在25mg/Nm3左右。

运行人员调整锅炉负荷分别稳定在320MW、240MW、120MW 负荷段，使用网格法对脱硝反应器出口的氮氧化物质量浓度测量。于脱硝反应器出口两侧分别设置12个监测点，即A 侧、B 侧，在每一个测孔顺深度向从外向内布置4个测点，以此来对不同位置的氮氧化物质量浓度进行测量。

当处于不同负荷情况时，氮氧化物质量浓度的分布不均匀度显示为：320MW 负荷下脱硝反应器出口A 侧65.00%、B 侧91.10%；240MW 负荷下脱硝反应器出口A 侧57.60%、B 侧90.20%；120MW负荷下脱硝反应器出口A 侧58.20%、B 侧85.40%，进而说明脱硝反应器出口氮氧化物在不同的负荷状态下质量浓度的分布不均匀基本相当。

通过在不同负荷段下出口氮氧化物质量浓度的分布来判断，氮氧化物质量浓度顺烟道宽度方向对的分布有一致性[1-2]。分析主要原因可能是由于旋流炉处于不同的负荷之下，不同磨煤机运行影响燃烧层等火焰中心高度的改变，对沿烟道宽度方向产生的影响较小，没有对烟气流场与氮氧化物的分布产生影响，由此致使不同负荷下出口氮氧化物浓度沿烟道宽度方向变化小。

2.2 优化调整

根据试验测量所查出的问题结果显示，氮氧化物质量浓度的高低点在烟道宽度方向区域位置基本一致。所以，对其对应区域的喷氨格栅调节阀开度进行调整即能达到符合不同负荷下的喷氨要求标准。主要内容为：当锅炉处于稳定负荷工况下，将脱硝反应器出口氮氧化物浓度调整到标准值；依据网格法测量得出的氮氧化物浓度的分布特点，逐一调大高氮氧化物浓度区域所对应的格栅蝶阀开度，调小低氮氧化物浓度区域对应的格栅蝶阀开度，即通过对多只喷氨格栅调阀加以针对性调节，进而实现削峰填谷的作用，平衡反应器出口烟道的氮氧化物浓度[3-4]。

在调整优化的过程中，必须通过多次反复的测量对比进行调整，进而实现最大程度的均衡氮氧化物浓度的目的[5-6]。同时，在每次调整过程中务必保持同步对空预器出口氨逃逸测量值进行监视，避免调整后出现局部区域氨逃逸超标的情况。经多负荷段下调整，将喷氨格栅调阀开度固定在最佳开度上，并做好记录。

依据试验测量结果对比反应器出口氮氧化物浓度的分布可知：受烟气流畅分布不均影响，A 侧的4号监测区域和5号监测区域和B 侧的1号监测区域、7号监测区域、8号监测区域、9号监测区域的氮氧化物聚集浓度较高；A 侧1号监测区域、2号监测区域、11号监测区域、12号监测区域及B 侧2号监测区域、5号监测区域、10号监测区域、11号监测区域、12号监测区域的氮氧化物聚集浓度较低。根据该分布特点，在调整时应提高A 侧4号监测区域、5号监测区域及B 侧1号监测区域、7号监测区域、8号监测区域、9号监测区域相对应的喷氨格栅调阀开度；降低A 侧1号监测区域、2号监测区域、11号监测区域、12号监测区域及B 侧2号监测区域、3号监测区域、4号监测区域、5号监测区域、10号监测区域、12号监测区域相对应的喷氨格栅调阀开度。表1为优化前和优化后的喷氨格栅调阀开度记录。

表1 优化前和优化后喷氨手动调节的蝶阀开度

本次优化调整是在240MW 的负荷工况下开展，控制烟囱出口的氮氧化物浓度在25mg/Nm3，具体优化效果如下所示。

2.2.1 氮氧化物浓度不均匀度

经过以上的分析和进行调整之以，针对240MW负荷工况下的脱硝反应器存在的问题得到有效的改善，即提高了出口氮氧化物质量浓度的分布均匀性。

2.2.2 氨逃逸

下图3显示为在240MW 负荷工况下，脱硝反应器出口A 侧和B 侧的优化前、优化后氨逃逸曲线。

图3 氨气逃逸体积比分布

图3显示表明，空预器出口氨逃逸数值在优化前同样存在分布不均的现象，而且局部已经超标，A侧和B 侧的最大值全部高于3μL/L，在经过多次优化调整之后，空预器出口A、B 侧烟道内的氨逃逸最大值均出现不同幅度的下降，分别从3.01μL/L、3.10μL/L 降低到1.98μL/L、1.92μL/L，同时平均值也得到了降低，分别从1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L。由此可以看出，在空预器出口烟道局部氨逃逸过大的现象得到有效改善，并且氨逃逸分布趋于平缓，分析原因应该是通过对喷氨格栅调阀进行优化调整后，SCR 反应器出口氮氧化物浓度的分布具有更好的均匀性，对不同聚集分布位置的氮氧化物采用不同针对性的喷氨量，使得以前存在不合理喷氨造成氨氮摩尔比失衡的情况也得到了优化改善。

2.2.3 脱硝SCR 喷氨控制逻辑优化

由于脱硝CEMS 系统取样本身为大延迟系统，被控对象滞后于实际烟气1～2min；同时仪表分析仪定时反吹及标定又使该系统在控制环节上存在了一定的不可控性。因此，不但脱硝自动调节性能较差，脱硝反应器出口氮氧化物和烟囱排口氮氧化物也长期存在偏差。因此，在通过以上物理调节优化烟气流程和喷氨均匀度以后，还需对脱硝喷氨自动调节系统进行对应的优化。进一步优化调节系统PID 参数，通过喷氨母管调节阀喷氨量和阀门开度的变化速度，相应减小比例系数，增大积分环节；同时为消除系统延迟，在串级前馈控制系统中，增加氧量及风煤比前馈提前预判锅炉燃烧变化后的烟气氮氧化物浓度变化趋势，缓解CEMS 分析仪反吹、标定造成的系统不可控性，使脱硝系统的自动调节水平进一步提高[7-8]。

2.2.4 优化前后氮氧化物在线仪表测量值偏差对比

优化前脱硝反应器出口氮氧化物原本调节不稳定，并且和烟囱的出口氮氧化物在线仪表值存在一定的偏差，经过对喷氨优化调整后，脱硝氮氧化物控制稳定，偏差得到有效的降低。下图5显示为优化前和优化后的两者质量浓度值的曲线对比。

图5 脱硝反应器与烟囱的出口氮氧化物质量浓度值

从图4的显示可看出，在整体优化以前，反应器A 侧出口氮氧化物质量浓均值35.68mg/m3，而反应器B 侧浓均值为36.24mg/m3，烟囱出口均值为25.25mg/m3；而经过优化调整后，反应器A 侧出口氮氧化物质量浓均值28.35mg/m3，而反应器B 侧浓均值为28.57mg/m3，烟囱出口均值为23.21mg/m3。脱硝反应器和烟囱的出口氮氧化物在线仪表测量值偏差缩小，调节平稳，自动控制系统调节效果较好。

图4

通过分析认为，脱硝反应器出口的烟气CEMS取样点位于烟道中高氮氧化物质量浓度的区域，且喷氨格栅对应度不好，所以抽取烟气的代表性较差；同时烟气抽取过程需要1min，本身就存在延迟性，所以脱硝出口较烟囱出口的氮氧化物在线仪表测量值偏高较多。通过优化调整之后，喷氨格栅的开度与烟道中烟气流场匹配度更高，脱硝反应器出口的氮氧化物浓度分布均匀性好，取样点抽取的烟气更有代表性；并且经过自动调节系统优化后，增加了前馈，有了超前预判调节，所以脱硝反应器与烟囱的出口氮氧化物在线仪表测量值偏差减小，且控制稳定。

2.3 效果验证

为了验证上述调整优化的普适性，选择在320MW、120MW 负荷工况下再次进行喷氨效果的验证，经验证结果显示：在当前脱硝喷氨调节作用下，烟囱出口的氮氧化物质量浓度控制在25mg/Nm3左右；在320MW 负荷工况下分布不均匀度A侧为32.50%、B 侧为36.00%；在120MW 负荷工况下分布不均匀度A 侧为34.00%、B 侧为32.10%，与240MW 偏差不大，具有较好的一致性。

3 结论

综上分析，本文主要对火电厂脱硝SCR 系统的喷氨过程和调节方式进行了优化，通过查找存在问题并优化调整，进一步取得较为显著的喷氨优化效果。通过优化后，在机组各负荷工况下有效地改善了脱硝反应器出口氮氧化物质量浓度的分布均匀性，脱硝反应器出口和烟囱出口的氮氧化物在线仪表测量值偏差下降到5mg/Nm3左右，提高了脱硝自动的投入率，能够大幅降低运行人员的工作强度；同时空预器后的烟气中氨逃逸最大值均出现下降，运行过程中的氨逃逸平均值也得到了降低，分别从1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L，提高了脱硝效率，避免了调节过程中喷氨过量影响硫酸氢铵堵塞空预器的情况发生，为机组安全稳定运行作出了贡献。