火电机组热解尿素法脱硝控制优化

万 涛

（新疆华电喀什热电有限责任公司，新疆 喀什 844000）

0 引言

近年来，国家环保标准逐渐提高，监管力度也不断加大。氮氧化物作为火电厂烟气中的一种主要污染物，一直是火电厂环保治理的重点。目前，火电厂脱硝治理主流方法为SCR脱硝技术，其一般采用氨气作为还原剂，在催化剂的作用下，将氮氧化物还原成氮气和水，从而达到脱硝的目的[1]。

火电厂制备氨气主要有液氨法、水解尿素法和热解尿素法。液氨法由于其危险性，目前正在进行改造、替代。根据国家能源局印发的《电力行业危险化学品安全风险集中治理实施方案》要求，全国公用燃煤电厂的液氨一级、二级重大危险源尿素替代改造工程要于2022年12月底前完成，液氨三级、四级重大危险源尿素替代改造工程要于2024年底前完成。

某火电机组采用热解尿素法制备氨气、SCR脱硝方式。

1 热解尿素法制氨系统概况

尿素热解系统主要包括尿素溶液制备输送系统、热解炉系统、压缩空气系统[2]，如图1所示。

图1 尿素热解工艺系统图

尿素溶液制备输送系统将尿素颗粒用一定比例的除盐水溶解，并储存于尿素溶液储罐。尿素溶液输送泵将尿素溶液储罐中的尿素溶液输送至计量分配装置，经计量分配后由尿素溶液喷枪雾化后进入热解炉分解为氨气，尿素溶液喷枪投入数量根据尿素消耗量实时调整。

热解炉热源采用电加热热一次风方式，将雾化进入热解炉的尿素溶液快速分解为氨气、水和二氧化碳，并经机组供氨母管输送至A、B侧SCR反应器。

压缩空气用于尿素溶液的雾化和尿素喷枪的密封，由厂区仪用压缩空气管网提供。

热解尿素化学反应式为：

SCR（选择性催化还原）烟气脱硝技术以其稳定、高效等特点被国内外燃煤电厂脱硝工程广泛采用[3]，其主要化学反应式为：

SCR脱硝装置具有反应温度低、反应产物清洁、脱硝效率高、布置灵活以及技术成熟等优点。

某火电机组烟气脱硝采用热解尿素法制氨、SCR脱硝方式，在机组日常运行过程中，净烟气氮氧化物浓度波动较大。通过对其具体运行现状的分析，制订了针对性的改造、优化措施，并在机组检修期间进行了改造优化，取得了良好成效。

2 机组运行现状分析

（1）SCR出口氮氧化物测点不合理，采用单点测量方式，测量数据不能良好表征SCR出口实际氮氧化物浓度[4]。且由于单点测量手段受限，各喷氨格栅支管手动调阀调节没有良好依据，导致SCR反应器内喷氨不均，整体脱硝效率偏低。

（2）脱硝自动控制策略不合理。机组脱硝控制采用简单的氨氮摩尔比控制，SCR出口氮氧化物浓度长期低于目标值，导致氨耗偏高，运行人员为降低氨耗，需频繁修改SCR出口氮氧化物浓度目标值，大大增加了运行人员的工作强度。

（3）尿素喷枪流量调节控制速率太慢，在机组需氨量发生变化时不能及时调整，从而造成整个脱硝系统调节品质差，动态时波动过大，经常需要手动干预。

3 优化措施

3.1 SCR出口氮氧化物浓度多点取样测量技术

将SCR出口氮氧化物浓度由单点测量改为多点取样测量方式。以A侧为例，在A侧SCR反应器出口截面上分别设置8个烟气取样口，将烟气抽取至CEMS分析仪。A、B侧SCR出口氮氧化物浓度多点测量技术结构如图2所示。

图2 多点取样测量技术示意图

该多点取样测量系统有3种工作模式：单点测量模式、混合测量模式和轮测测量模式。（1）单点测量模式工作时，CEMS分析仪连续对设定的某一取样口烟气进行测量，其他7个取样口的烟气不进行测量。运行过程中可根据实际情况选择一个能良好表征反应器出口氮氧化物浓度的取样口进行持续测量。（2）混合测量模式工作时，CEMS分析仪将8个取样口抽取的烟气混合后进行测量。（3）轮测测量模式工作时，CEMS分析仪对8个取样口抽取的烟气依次进行测量，此时可根据各取样口烟气氮氧化物浓度对各喷氨格栅支管手动阀进行调整，将各取样口抽取的烟气中氮氧化物浓度调节至一定偏差范围内，从而使反应器内喷氨较为均匀，提高脱硝效率，降低氨耗。图3所示为改造后多点取样测量系统DCS显示画面。

图3 改造后多点取样测量系统DCS显示画面

3.2 改进型基于氨氮摩尔比的串级PID脱硝控制

基于氨氮摩尔比的串级PID脱硝控制，主调PID控制回路设定值为SCR出口氮氧化物浓度控制目标值，过程值为SCR出口氮氧化物实际值；副调PID控制回路设定值为尿素溶液需求量，过程值为实际尿素溶液流量。

3.2.1 尿素溶液需求量计算

通过脱硝系统氨氮实际反应摩尔比，计算出理论尿素溶液需求量，其计算公式如下：

式中：F为理论尿素溶液需求量；α为氨氮摩尔比系数；Cin为SCR反应器入口氮氧化物浓度；Csp为SCR反应器出口氮氧化物目标值；Q为烟气流量。

考虑不同负荷、不同温度下的脱硝效率，通过负荷对应的折线函数对不同负荷下的氨氮摩尔比进行线性修正。

3.2.2 反应器入口NOx预测值

由于SCR入口氮氧化物浓度测量时延长，简单采用SCR入口氮氧化物浓度进行尿素需求量计算容易造成脱硝系统响应滞后，在机组工况变化时参数波动会比较大。因此，在实际应用中，对控制策略进行了改进，引入相关前馈作为SCR入口氮氧化物浓度预测量进行控制，将脱硝系统响应时间提前。（1）入口NOx实测值基准。将SCR入口NOx实测值作为SCR入口NOx预测值的基准，保证预测值的准确性，避免因预测量不准而造成系统失调。（2）空预器入口氧量前馈。通过机组历史趋势分析，空预器入口氧量与SCR入口NOx浓度存在良好的相关性，且氧量能更早地反映出SCR入口NOx浓度的变化趋势及幅度，因此，引入空预器入口氧量作为主要前馈量。（3）机组负荷前馈。机组在变负荷过程中因为风、煤配比的动态变化会出现较大幅度的NOx浓度波动，将变负荷信号引入脱硝控制作为前馈，可在变负荷初期就给脱硝系统一定的动作量，对SCR出口NOx指标的稳定有良好的促进作用。（4）启停磨前馈。启停磨过程中，因为磨组配风、配煤比例的变化，NOx浓度会大幅波动。根据不同磨在启停过程中对NOx浓度的不同影响，引入不同强度的前馈，在启停磨的同时改变尿素流量，可有效控制NOx浓度的波动幅度。

3.2.3 模糊控制

以被调量的偏差和偏差变化量进行模糊量化处理，将量化后的数据作为控制器的两个输入；然后，根据模糊规则进行模糊推理，并将推理后的模糊值解模糊化后，对当前喷氨量进行修正，可有效提高自动控制的调节速度并降低超调量。逻辑简图如图4所示。

图4 改进型基于氨氮摩尔比的串级PID控制逻辑简图

3.2.4 数据保持

考虑到NOx仪表吹扫时数据保持，以A侧为例，当A侧入口NOx数据吹扫保持时，采用A侧保持值加B侧入口变化量作为A侧预估量；当A侧出口NOx数据吹扫保持时，为避免主调PID过调，减弱出口NOx吹扫时主调PID调节作用。

4 改进效果

在上述优化措施实施、热态试验调整后，机组常规运行工况下喷氨自动均保持投入。与优化前相比，尿素流量调节速度明显加快，A、B侧反应器出口NOx浓度、净烟气NOx浓度明显趋于收敛，变负荷工况下波动幅度大幅减小，设定值跟踪效果显著提高。优化效果如图5所示。机组稳态时，净烟气NOx浓度波动范围为38～46 mg/m3；机组变负荷工况时，净烟气NOx浓度波动范围为32～49 mg/m3。

图5 优化后脱硝系统调节效果图

优化实施后，如表1所示，单位发电量尿素耗量比优化前在300 MW和600 MW负荷时分别下降5.6%和5.0%。

表1 优化前后尿素耗量对比

5 结语

采用SCR反应器出口氮氧化物浓度多点取样测量技术，可参考各取样点测量值对各喷氨格栅进行调整，从而保证喷氨均匀，避免局部过喷和局部欠喷现象，有效提高脱硝反应效率，减少氨逃逸。同时，引入SCR反应器入口氮氧化物浓度预测值，以解决烟气分析仪测量滞后而导致的喷氨滞后问题，保证在实际烟气氮氧化物浓度发生变化时，喷氨量能及时调整。经上述测量改造结合控制优化，脱硝氨耗有效降低，实现了机组的节能降耗。