火力發電廠脫硝自動控制系統的優化與改進探討

呂巍　劉洋

摘要：文章闡述了SCR尿素脫硝工藝的流程與特點及火力發電廠脫硝自動控制系統優化與改進的重要性，分析了火力發電廠脫硝自動控制中存在的問題，從脫硝自動控制系統的優化、現場設備的故障處理與改進和確保脫硝自動控制系統正常運行的措施入手，探討了火力發電廠脫硝自動控制系統的優化與改進方法及其在火力發電廠脫硝控制中取得的成效。

關鍵詞：脫硝自動控制系統；SCR尿素脫硝工藝；系統優化；系統改進；設備故障 文獻標識碼：A

中圖分類號：X773 文章編號：1009-2374（2016）05-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.016

在火力發電廠的生產運營中，不可避免會產生很多的氮氧化物。如果處理不當，會對大氣造成嚴重污染，引發酸雨和酸霧等問題，并且破壞大氣的臭氧層。火力發電廠主要利用脫硝自動控制系統處理氮氧化物，如SCR脫硝系統，如果系統操作人員不能及時處理因機組負荷變化等造成的影響，將會使脫硝后的氮氧化物排放超標，增加消耗的液氨量及運行成本。因此，探討火力發電廠脫硝自動控制系統的優化與改進，對避免造成環境污染、降低火力發電廠的運行成本非常重要。

1 SCR尿素脫硝工藝的流程與特點

SCR尿素脫硝工藝采用水解法或者熱解法，前者是將尿素以水溶液形式進行分解，后者是加熱霧化后的尿素溶液，得到固態或者熔化態的尿素，純尿素在加熱條件下分解后為SCR提供氨氣。熱解法相對優越，不會產生聚合物，應用也更為廣泛。

1.1 SCR尿素脫硝工藝的流程

尿素熱解法脫硝工藝以尿素為吸收劑，工藝流程是將尿素輸送到溶解罐中，用除鹽水將固體尿素溶解為質量分數為50%的尿素溶液，然后經過混合泵輸送到尿素溶液儲罐，經過給料泵、計量及分配裝置和霧化噴嘴等進入到絕熱分解室，與加熱的稀釋空氣充分混合，霧化后的尿素液滴在絕熱分解室分解生成氨氣與二氧化碳，經過氨噴射系統，將得到的氨氣與煙氣進行混合，氨氣和氮氧化物發生反應，從而減少煙氣中氮氧化物的含量，最終實現煙氣脫硝的目的。

1.2 SCR尿素脫硝工藝的特點

尿素熱解法制氨脫硝工藝操作簡單，不需要很多的人力與維護，并且跟蹤機組負荷變化能力強，響應的時間比較短，沒有高壓容器，也不會有中間聚合物的產生，不存在氨泄露問題，消除了可能存在的安全隱患，實用性與安全性大大增強。

2 脫硝自動控制系統優化與改進的重要性

很多火力發電廠希望利用物理原理，從設備結構與運行方式等方面優化脫硝系統，忽視了對脫硝自動控制系統的優化與改進，但是事實證明脫硝自動控制系統直接影響著火力發電廠的運行成本，其重要性不容忽視。

有資料表明，火力發電廠脫硝過程使用尿素的成本占脫硝運行總成本的一半以上，如果脫硝自動控制系統的運行不暢，很容易使火力發電廠氮氧化物的排放超標。火力發電廠為了使氮氧化物排放符合國家規定排放標準，只有降低氮氧化物的平均濃度，不得不增加尿素的噴射量，造成火力發電廠的運行成本增加。因此，火力發電廠脫硝自動控制系統優化與改進不僅是實現經濟效益最大化的有效措施，也是保證火力發電廠安全正常生產的根本途徑。

3 火力發電廠脫硝自動控制中存在的問題

3.1 影響火力發電廠脫硝自動控制的因素

依據SCR脫硝系統的運行特性及設備性能特點，影響脫硝自動控制的因素主要包括：（1）測量儀表：SCR入口與出口、煙囪入口的氮氧化物分析儀、SCR出口的氨氣分析儀和測量系統等出現故障；（2）鍋爐系統：燃煤質量差、機械設備出現故障、燃燒情況較差和反應催化劑已經老化等；（3）人員問題：不熟悉脫硝工藝、故障處理不及時和監管不負責任，沒有及時發現系統異常等。

3.2 影響火力發電廠脫硝控制方式的問題

SCR脫硝的控制方式主要為兩種：（1）固定摩爾比，將定值設為脫硝效率或綜合氨氮的摩爾比，根據煙氣流量、氨氮的摩爾比和SCR入口的氮氧化物濃度等，求出氨氣的需求量，然后通過調節閥控制氨氣的實際流量；（2）固定SCR出口的氮氧化物濃度，以固定摩爾比的控制方式為基礎，將定值設為SCR出口的氮氧化物濃度，結合煙囪入口的氮氧化物濃度偏差，對氮氧的摩爾比進行修正，最終實現控制SCR出口氮氧化物濃度的目的。兩種控制方式在實際運行中均存在如下問題：（1）沒有將煙囪入口的氮氧化物作為控制量，從而使氮氧化物控制目標偏離了環保考核的目標；（2）控制方式的設計比較簡單，對滯后被控對象控制效果不顯著；（3）控制系統只考慮了機組負荷和煙氣量的變化等和被控對象之間的靜態關系，不適應煤種變化和機組負荷的指令變化等。

4 脫硝自動控制系統的優化與改進方法

4.1 脫硝自動控制系統的優化

通過分析SCR脫硝自動控制系統運行環境、特性數學模擬和考核要求等，提出基于模糊控制、預測控制和自適應控制的SCR脫硝自動控制的優化與改進解決方案，并利用PLC控制設施實現此優化方案。優化改進后脫硝自動控制系統有如下優勢：（1）以煙囪入口的氮氧化物濃度值為調節目標，保持與環保考核的一致性，方便機組運行時進行調整；（2）可以依據機組指令變化規律，實時預測氮氧化物濃度波動情況，對控制算法進行適當調整，保證契合機組指令的變化相位相反，避免出現疊加震蕩等調節控制，降低氨氣的消耗量。

4.2 現場設備的故障處理與改進

SCR脫硝自動控制系統中的各設備主要故障與改進措施：（1）對SCR入口與出口的氮氧化物分析儀，其前端的取樣膠管容易出現破裂和損壞，從而使膠管出現漏氣情況，導致測量數據出現錯誤。改進措施是對優化探頭前端的預處理部件，取消不必要的部件，可以有效消除故障；（2）改進氮氧化物的測量系統，并在氮氧化物分析儀的機柜處安裝二級除濕與樣氣精濾等裝置，降低或者消除水和氧氣灰等對氮氧化物分析儀的影響；（3）原來氮氧化物的測量系統吹掃過程中，測量數據會發生突變，改進措施是修改系統程序，保持測量系統吹掃數據，避免對脫硝自動控制系統造成不利影響。

4.3 確保脫硝自動控制系統正常運行的措施

4.3.1 注重檢修人員的技能培訓。如果檢修人員對脫硝設備的性能和運行狀況不熟悉，沒有良好的環保意識，就無法妥善解決設備故障問題，從而影響脫硝自動控制系統的正常運行。因此，火力發電廠需要注重對檢修人員的技能培訓。一方面，火力發電廠需要提高檢修人員的業務能力和技術水平，熟悉脫硝設備的性能及構造，可以解決設備出現的各種故障，并定期對脫硝設備的運行狀況進行檢修，做到防患于未然；另一方面，火力發電廠需要增強維修人員的環保理念，注重環保重要性的宣傳，幫助維修人員熟悉環保考核的各項指標與規則，確保火力發電廠的氮氧化物排放量符合國家規定標準。

4.3.2 加強尿素區域的檢查。當系統中所有閥門送氣、送電工作均已到位，應加強尿素區域的檢查，尤其應認真檢查尿素溶解罐中尿素濃度。同時確保尿素溶液高度處于規定的范圍內。另外，還應重視尿素相關儀表工作狀態的檢查，確保其處于最佳的工作狀態，避免儀表反饋錯誤信息，影響系統的正常工作。

5 脫硝自動控制優化及改進取得的成效

5.1 有效控制氮氧化物濃度變化

當脫硝為手動控制時，氮氧化物濃度的變化比較大，并且不容易恢復到設計要求的定值；當脫硝自動控制優化及改進后，氮氧化物的濃度有效控制在設定值允許變化的范圍內。

5.2 節約了氨氣的用量

火力發電廠脫硝自動控制系統優化及改進后，當機組的燃煤品質發生變化，使得脫硝入口處氮氧化物的濃度下降，自動控制系統可以立即關閉氨氣閥，降低了氨氣的用量。有數據統計，相同機組時，脫硝自動控制系統優化與改進后，氨氣用量可以降低20%左右。

5.3 降低了氮氧化物的排放量

在傳統脫硝控制方式中，煙囪入口處的氮氧化物排放濃度>250mg/Nm?，脫硝效率為45%；當脫硝自動控制系統優化與改進后，氮氧化物的排放濃度為90mg/Nm?，脫硝效率為75%。

6 結語

總之，火力發電廠脫硝自動控制系統的優化及改進不僅關系到火力發電廠的經濟效益和社會效益，而且關系到綠色社會的建設。火力發電廠只有認真分析脫硝控制系統中存在的問題，并采取針對性的優化與改進措施，才能降低火力發電廠氮氧化物的排放量，為社會民眾創造綠色環保的生活環境。

參考文獻

[1] 曾俊.火力發電廠脫硝自動控制系統的優化與改進

[J].四川電力技術，2014，（4）.

[2] 咸士龍.660MW機組煙氣脫硝控制系統分析及應用

[D].華北電力大學，2014.

[3] 劉文平.基于DCS的煙氣脫硝控制系統設計及應用

[D].華北電力大學，2014.

[4] 趙乾.SCR煙氣脫硝系統模擬優化及噴氨量最優控制[D].重慶大學，2012.

[5] 顏丙乾.煙氣同步流程脫硫脫硝一體化工藝技術探討及應用[D].揚州大學，2013.

[6] 陳山.大型電站鍋爐煙氣脫硝選擇性催化還原系統優化研究[D].浙江大學，2007.

[7] 程松黨.脫硝SCR噴氨自動控制策略分析及優化[J].自動化博覽，2015，（9）.

（責任編輯：周 瓊）