火电厂SCR脱硝喷氨自动控制策略探讨

火电厂SCR脱硝喷氨自动控制策略探讨

田亭

大唐国际托克托发电有限责任公司，内蒙古托克托010206

摘要：SCR脱硝喷氨自动控制是火电厂自动控制系统中最复杂最难，惯性比较大的一个调节系统，由于喷氨自动控制存在较大迟延，其调节一直是一个难点问题，进行控制系统优化后不仅能满足环保排放要求，同时其可靠性及经济性得到进一步提升，也保护下级设备安全。

关键词：火电厂；SCR脱硝喷氨；自动控制；探讨策略

引言：

火力发电虽然环保性不是很高，但是发展到今天还是属于一种常见、成熟的发电方式，为我国经济发展奠定了良好的基础。而SCR脱硝是一种火力发电中最为常用的一种脱硝方式，在实际自动中投运过程发现较多问题，为此专门研究优化自动方案。

1SCR脱硝控制系统现状及存在问题

   目前脱硝控制系统从实际运行情况看，控制效果不理想，在负荷变动时或者吹灰时脱硝自动无法投入，严重影响脱硝系统正常运行，主要存在问题变现在以下方面；

1）无法将机组排放NOx控制在理想范围内，不能长时间稳定达到最佳效果

2）在机组升降负荷、启停高层制粉系统时，脱硝自动控制系统失灵，无法精确调节好机组排放NOx在合理范围内。

3）由于供氨调门线性度差，导致氨气流量波动大，也导致自动调节设计比较难。

4）在锅炉燃烧方式或煤质发生变化时，入口NOx含量变化速率比较快，调节系统快速性相应慢，造成排放NOx长时间超标。

由于控制不稳定，经常导致排放NOx波动较大，同时喷氨量增大，增加了生产成本和NH3的二次污染，同时导致下游空预器堵塞、风烟系统风机能耗增大，机组出力降低等问题，喷氨量减少，容易导致环保排放超标。

2.SCR脱硝系统基本工作原理

 燃煤电厂锅炉产生的NOx主要来源于燃料型NOx和热力型NOx。根据NOx生成机理，控制NOx的技术主要包括燃烧时尽量避免NOx的生成技术和NOx生成后的烟气脱除技术。SCR技术是应用最为广泛的烟气脱硝技术，采用NH3作还原剂，烟气中NOx在经过SCR反应器时，在催化剂的作用下被还原成无害的N2和H2O。烟气中的NOx主要有NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2。

 要实现高效率脱硝，喷氨流量的控制至关重要。若喷氨量超过需求量，则NH3氧化等副反应的反应速率将增大，降低NOx的脱除效率，同时形成有害的副产品，即硫酸铵(NH4)2SO4和硫酸氢铵NH4HSO4，加剧对空气预热器换热元件的堵塞和腐蚀;若喷氨量小于需求量，则反应不充分，造成NOx排放超标。由于喷氨量主要由氨流量调节阀控制，因此为保证脱硝出口NOx排放浓度满足环保要求，控制氨逃逸率低于5ppm，提高脱硝系统喷氨自动控制的品质尤为重要。

3SCR脱硝控制系统特性分析及方案分析

 SCR脱硝控制系统具有自身的特殊性， SCR脱硝控制系统具有大迟延、大惯性的特点是因为在反应器催化剂层中充分反应的过程中是需要一定的时间，而由于脱硝反应系统及取样测量系统的延迟性，使喷氨自动控制系统被控对象的响应延迟时间在2～3min，是典型的大滞后被控对象，这意味着喷氨调节阀动作后，出口NOx需要一段时间才会有变化，这使得调节的及时性受到制约。 

   不同电厂脱硝自动设计也不一样，常见的控制方案有单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制等，单回路控制系统的方法，这种方法比较容易调试和整定控制回路，缺点就是控制逻辑比较简单，抗干扰能力差；串级控制增强了克服干扰能力，可是存在调节不及时；而最佳控制是前馈-串级控制，因为脱硝系统的控制对象比较复杂，所以通过一系列的实践效果得出，提高系统控制快速性、准确性的最合理的方案是引入合适的前馈-串级控制回路。 

 在控制方式中，前馈信号也有好几种，比如：锅炉负荷或机组负荷、烟气流量信号、入口NOx信号等，提前调整调门动作达到平稳出口NOx的目的。

4影响喷氨自动控制因素分析

1）系统延迟性。由于脱硝反应系统及取样测量系统的延迟性，使喷氨自动控制系统被控对象的响应延迟时间在2～3min，是典型的大滞后被控对象，这意味着喷氨调节阀动作后，出口NOx需要一段时间才会有变化，这使得调节的及时性受到制约。 

2）入口NOx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NOx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短，喷氨反应有一定的时间滞后，所以反应就不完全，出口NOx也会相应快速上升，导致超调。

3）NOx测量数值异常。脱硝烟气自动监控系统(CEMS)取样采用直抽法，系统处于负压状态，若取样管路有泄漏，氧量测量就会失准，导致经过氧量折标的NOx质量浓度异常;取样探头及管线堵塞，取样流量消失，分析仪表报故障，会使NOx数值失准;分析仪表吹扫/标定期间，NOx数值将保持不变，这些都会影响喷氨自动控制。 

4）喷氨流量的稳定性差。喷氨流量采用节流孔板的方式测量，其测量数值受到孔板特性的影响，同时受到氨区供氨压力的影响，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。 

5）喷氨不均匀。喷氨不均匀会引起反应器出口NOx含量分布不均匀，进而导致出口NOx测量值不具有代表性，从而影响喷氨自动调节效果;脱硝CEMS取样测点位置选取不当，可能使取样探头处于涡流区，NOx测量数值不能正确反应实际变化，这些也影响喷氨自动的调节效果。

5喷氨自动控制优化方式

5.1喷氨自动控制优化设计方案 

   针对电厂在脱硝系统投运时喷氨自动不能正常投入,无法精确控制脱硝出口NOx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采取移位选取不当的烟气自动监控系统（CEMS）取样测点、调整自动吹扫时间及每路进氨支管手阀的开度等进行优化,优化控制系统逻辑：主调控制回路增加前馈量调节,副调控制回路在得到喷氨流量后,优化后脱硝喷氨自动调节参数后可以长时间正常投入,出口NOx排放浓度满足了环保达标排放要求，

5.2 喷氨自动控制优化算法 

 目前采用脱硝自动逻辑优化如下：

1）主调PID被控量为出口NOx折标值；

2）副调PID被控量为氨气流量；

3）主调前馈采用入口NOx折标值变化速率Fx (1)计算值作为第一前馈值；提前适当开大或关小调门，提前抑制出口NOx上涨或缩小。

4）出口NOx折标值与设定值偏差Fx（2）计算值作为第二前馈值；

5）负荷变化信号作为第三前馈值

通过采集入口NOx含量、出口NOx含量、供氨流量等数据以编程的方式计算出脱硝系统所需耗氨量的精确控制量———符合机组运行要求的氨气耗量，利用DCS高性能计算功能实现该优化算法，与机组实际运行参数优化调试，最终实现提高SCR出口NOx控制质量的目标。 

5.3 喷氨自动控制优化效果分析

优化后的脱硝喷氨自动调节品质有了明显改善，基本满足机组各种参数运行工况的变化，自动调节可长期投入，出口NOx质量浓度基本能稳定在设定值的±20mg/m3范围以内，喷氨自动控制能满足运行要求，氨的逃逸率控制在3ppm内，大幅度的减少了喷氨逃逸率，实现了喷氨控制系统的精确提高，减轻了运行人员的操作强度，使NOx排放浓度满足环保要求。

6.结束语

   综上所述，在SCR区喷氨自动控制系统在投入使用的过程中，供氨流量、负荷变化、烟气流量、氮氧化物参数、表计测量准确性等这些外部影响因素都是导致SCR区喷氨自动控制系统不准确的因素，因此我们需要及时的调整和维护。通过对现有喷氨自动控制系统的优化，自动调节品质虽然有了明显改善，但是随着环保标准的日趋严格，以及超低排放改造的实施，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。