SCR烟气脱硝喷氨自动控制系统优化

SCR烟气脱硝喷氨自动控制系统优化

陈洪猛

盐城发电有限公司

摘 要：针对某电厂135MW机组在脱硝系统投运时喷氨自动不能正常投入，无法精确控制NO_X排放浓度的问题，分析了喷氨自动控制的影响因素，对现有喷氨自动控制系统进行优化。主要为增加反应器出口和烟囱排口NO_X半小时均值，目标值改为烟囱排口NO_X,用炉膛出口氧量作为前馈，增加CEMS异常时的确认开关，优化后脱硝喷氨自动控制系统可以长时间正常投入，排口NO_X满足了环保达标排放要求。

关键词：烟气自动监控系统（CEMS) 脱硝 喷氨 SCR（选择性催化还原法） 优化改造 半小时均值

氧量 NO_X(文中出现的均为氧折算后的NO_X)

0序言

某电厂2台135MW机组脱硝改造工程采用SCR（选择性催化还原法）方法，喷氨自动调节系统逻辑为脱硝改造工程总承包公司设计提供，喷氨自动调节系统逻辑纳入DCS控制。投产后发现烟囱排口NO_X易超标，运行人员反映喷氨自动控制系统性能较差，同时难以对反应器出口NO_X值进行设定及操作调整，如果设定值较大，将导致喷氨量较小，容易产生排口NO_X值超标，如果设定值较小，将导致喷氨量过大，容易引起空预器堵塞和腐蚀、反应器催化剂过早失效及浪费氨气等问题。经过热工人员的仔细分析研究，陆续对喷氨自动控制系统进行了优化改造，取得了良好的效果。

1初始喷氨自动控制策略

原脱硝喷氨自动控制策略是甲、乙侧分别控制的串级回路控制，与单回路比例—积分—微分(PID)相比，串级回路控制相对复杂，该串级控制回路由主调和副调控制回路组成。主调控制回路根据反应器出口NO_X质量浓度与其设定值的偏差经PID调节输出，直接对计算出理论所需的喷氨流量进行修正。理论所需的喷氨流量则是由送风量所计算出的烟气量乘以反应器入口NO_X质量浓度与出口NO_X设定值之差，再乘以二者摩尔比得到氨气需求量。

副调控制回路由主调回路修正后得到的喷氨流量作为副调的给定值，与喷氨流量测量值的偏差经过PID调节后输出自动控制指令，控制喷氨流量调节阀开度，改变喷氨量大小。

2喷氨自动控制影响因素分析及优化

初始逻辑设计虽然采用了较为经典的控制策略，但是整个系统设计不够完善，没有考虑更多的细节，导致喷氨自动投入效果不太好，长时间依靠运行人员手动调节，在负荷变化较大时，脱硝出口NO_X得不到及时有效地控制，严重影响了NO_X的达标排放。为解决该问题，使喷氨自动能够有效投入，达到良好的调节品质，全面分析喷氨自动控制的影响因素，对现有喷氨自动控制系统进行优化改造。

2.1影响因素分析

喷氨自动控制系统为从工艺系统、测量、控制系统组合起来的一个较为复杂的系统，就整个系统的所有环节对可能的影响因素加以分析。

a．系统延迟性

系统延迟性包括工艺系统的延迟性、测量系统的延迟性和反应系统的延迟性。工艺系统的延迟性主要是因为烟道的长度所致。测量系统的延迟性是因为脱硝烟气自动监控系统(CEMS)取样采用直抽法，取样管路较长，每10m长管路的取样时间就需要30S左右。反应系统的延迟性指从喷氨调节阀动作到直接到氨气与烟气中的NO_X产生反应也需要一定的时间。从历史曲调阅来看从燃料量的变化到反应器出口NO_X测量数值产生变化约45S左右，到烟囱排口NO_X测量数值产生变化约3min，是典型的大滞后被控对象，这使得调节的及时性受到制约。

b．反应器入口NO_X含量波动大

受燃烧调整、煤质变化、负荷变化频繁及启停磨等影响，脱硝入口NO_X质量浓度变化大、变化快，由于脱硝反应区入口到出口的距离较短，而喷氨反应如a所述有一定的时间滞后，所以出口NO_X也会相应快速波动，导致超调。

c．NO_X测量数值异常

脱硝烟气自动监控系统(CEMS)取样采用直抽法，取样管路有泄漏、取样探头及管线堵塞、测量控制柜内设备故障等，均会使NO_X数值失准；分析仪表吹扫／标定期间，系统将维持一段时间输出不变，这些都会影响喷氨自动控制。

d．烟气流量计算不准

该电厂反应器喷氨分为甲、乙侧，而两侧的烟气流量仅为送风量计算后简单地一分为二，由于其参与喷氨需求量的计算，其准确程度，将决定计算所得喷氨需求量与实际需求量偏差的大小，偏差太大，主调修正回路无法进行有效地修正调节，从而影响喷氨自动的投入及调节效果。

e．喷氨流量的稳定性差

喷氨流量采用涡街流量计测量，其测量数值易受到氨气中所含杂质的影响，同时受到氨区供氨压力的影响，供氨压力通过气动调节阀自动调节，但由于后面管路容积较大，供氨压力自动调节效果不好，供氨压力不稳，波动较大，使喷氨流量测量值频繁发生变化，与阀门开度对应的稳定性差，对调节回路产生扰动，影响调节效果。

f．喷氨不均匀

喷氨不均匀会引起反应器出口NO_X含量分布不均匀，进而导致反应器出口NO_X测量值不具有代表性，从而影响喷氨自动调节效果，同时使反应器出口NO

_X数值与烟囱排口NO_X数值有偏差，易导致烟囱排口NO_X数值失控，产生超标现象。

g．控制目标不准确

喷氨自动控制的目标值为反应器出口NO_X值，而环保部门考核的数值为烟囱排口NO_X的小时均值，运行人员没有对排口NO_X的小时均值的有效连续监视手段，因此难以保证烟囱排口NO_X的小时均值不超标，只能通过降低反应器出口NO_X目标值、提高喷氨量使反应器出口NO_X值处于较低数值来保证烟囱排口NO_X的小时均值不超标，这样又导致喷氨量过大，容易引起空预器堵塞和腐蚀、反应器催化剂过早失效、浪费氨气不经济等问题。

2.2优化方法

根据影响因素分析结果，该电厂结合实际情况，优化现有的脱硝喷氨自动控制系统，主要完成了以下几个方面的优化。

a.进行喷氨格栅(AIG)喷氨优化调整试验，调整每路喷氨支管手动阀的开度，调整不同区域的喷氨量，尽量达到喷氨均匀。

b.在喷氨流量计前加装冗余滤网，过滤掉氨气中的杂质，减少涡街流量计上杂质吸附，提高喷氨流量计测量准确性。

c.将喷氨调节阀开度信号引入氨区DCS，作为喷氨压力自动调节的前馈信号，以提高喷氨压力自动调节的性能，提高喷氨压力的稳定性。

d.通过调阅历史曲线，发现与燃料量变化趋势相比，炉膛出口出氧量变化趋势与反应器入口NO_X变化趋势更具有一致性，炉膛出口出氧量变化比反应器入口NO_X变化提前30S左右，与反应器入口NO_X测量取样管道长度所导致的延迟时间相近，因此引入炉膛出口氧量值作为喷氨自动控制系统的前馈值，以减小测量系统延迟性对喷氨自动控制的影响，同时可以有效应对反应器入口NO_X波动大问题。

e.将烟囱排口NO_X的数值引入DCS，在DCS中逻辑中增加了烟囱排口和反应器出口NO_X的半小时均值，在DCS画面上也增设了烟囱排口和反应器出口NO_X的半小时均值，一方面作为自动调节系统设定值的组成部分，另一方面供运行人员监控，同时设定报警值，以提醒运行人员注意并及时作出调整。

f.在DCS画面上增设烟囱排口CEMS异常、甲反应器CEMS异常、乙反应器CEMS异常确认开关，由运行人员手动确认异常情况。在喷氨设节阀的控制面板上增加了自动设定值参数，供运行人员手工设定目标值，当烟囱排口CEMS异常未确认时，自动设定值为烟囱排口的NO_X值，当烟囱排口CEMS异常确认时，自动设定值为反应器出口的NO_X值。

g.对自动调节系统的控制逻辑优化：

1）系统正常运行状态：其手动设定值为烟囱排口NO_X值，甲、乙侧喷氨调节阀操作面板上的自动设定值为手动设定值减掉烟囱排口NO_X半小时均值与反应器出口NO_X半小时均值的差值。手动设定值在甲、乙侧喷氨调节阀操作面板上均需设定。

2）烟囱排口CEMS异常状态：其手动设定值为反应器出口NO_X值，甲、乙侧喷氨调节阀操作面板上均需根据反应器出口NO_X半小时均值与烟囱排口NO_X半小时均值之间的差值重新设定。

3）甲反应器CEMS异常状态：甲侧喷氨调节阀跟随乙侧，并在DCS中引入了对甲、乙侧调节阀性能不一致的修正值。

4）乙反应器CEMS异常状态：乙侧喷氨调节阀跟随甲侧，并DCS中引入了对甲、乙侧调节阀性能不一致的修正值。

5）任何状态下均可直接切换为手动方式运行。

h.修改标定、装置异常时的自动调节系统控制方式优化：

当反应器进、出口CEMS装置发出标定、故障、反吹等异常信号时，自动控制系统自动转为保位，然后待运行人员手动操作确认或异常信号消失后可继续进行自动调节。

2.3优化后系统运行注意事项

由于系统本身存在的一些固有因素，或是一些优化工作需定期进行，如喷氨优化调整试验，或是一些影响因素未能加以优化，如因未寻找可靠的烟气量测量装置，继续用送风量替代烟气量的问题，或是一些影响因素总会时常发生，如NO_X测量数值异常，优化后系统运行时需注意以下事项。

a.热工人员标定前或发现异常时，及时与运行人员发映，以便运行人员及时进行操作调整。

b.规定反应器只能单侧标定，恢复正常后方可进行另一侧标定。当一侧标定或是反应器装置相关表计异常时，运行人员可通过操作界面上开关确认，该侧喷氨自动控制跟踪另一侧。当两侧同时发生异常时，自动调节系统无法进行自动调节，需运行人员切为手动方式进行操作。

c.烟囱排口CEMS表计标定前或异常时，运行人员操作界面上开关确认，自动调节系统设定值改为反应器出口的NO_X值，运行人员及时调整设定值。

d.因系统采用了烟囱排口、反应器出口NO_X半小时均值，运行人员接相关烟囱排口、反应器出口CEMS标定结束或是异常处理结束通知半小时后方可解除CEMS异常开关，投入正常运行。

e.因防止超标排放以及系统存在反吹及测量误差等原因，设定目标值时应略低于指标值。

f.当出现报警值后，运行人员应加以重视，查找原因加以消除，必要时可减小设定值以保证NO_X达标排放。

g.为减少信号传输误差，需定期进行信号校准，以消除信号传输误差。

4结束语

通过对现有喷氨自动控制系统的优化，自动调节品质有了明显改善，但是由于当前一些设备、技术的限制，明显存在一些不足，如未能将氨逃逸信号纳入控制和未能取用准确的烟气量信号等。同时，随着环保标准的日趋严格，对脱硝喷氨这种大延迟自动控制系统，传统的PID控制将很难满足现场控制要求，因此探索结合模糊控制、神经网络、史密斯预估等先进控制算法进行优化，是今后学习工作的一个方向，以期找到更合理的控制策略，提高控制品质，满足脱硝自动控制的要求，为脱硝系统的安全、稳定和经济运行提供保障。