火電機組脫硝噴氨自動控制優化

楊文倫

（華潤電力（宜昌）有限公司，湖北 宜昌 443007）

近年來，電源結構、網架結構發生重大變化，在新的電力供需環境下，火電機組深度調峰、熱電解耦、智能控制、運行優化、儲能輔助等要求越來越高，努力提升火電機組靈活性、自動化水平和設備可靠性，參與電力輔助服務市場，增強市場競爭力和生存能力，增加與市場和社會的粘合度等非常必要。

目前，大部分火力發電廠采用SCR法脫硝，對脫硝系統的設備可靠性、在線監測連續性和控制經濟性的改善一直是各電廠研究的方向和難點。其中，脫硝噴氨自動在各負荷段的投入效果，既是保證脫硝環保參數達標的前提，也是對機組參與深調和空預器長周期安全運行的保障。

1 系統概況

此脫硝采用SCR法常規布置，設計一臺總調閥完成反應器的噴氨控制。同側進出口設計一套一拖二CEMS分析儀進行煙氣取樣、處理、分析、計算，并具備自動反吹（進出口同時反吹）功能。CEMS取樣方式：入口單點取樣、出口多點取樣（見圖1）。

脫硝自動控制策略設計為：串級PID控制，前饋信號采用脫硝入口NOx和機組負荷函數擬合，可實現手自動無擾切換。當脫硝入口NOx變化較小時，自動投入正常，出口NOx控制平穩，滿足環保要求；當脫硝入口NOx變化較大時，自動調節滯后，且呈發散趨勢，易造成脫硫出口NOx超標。

2 脫硝噴氨控制存在問題及原因分析

對原脫硝系統流場進行CFD數值模擬，根據結果分析原導流板結構布置的合理性。從結構上看，原脫硝系統的煙道布置有以下特點：

圖1 原脫硝系統CEMS布置圖和控制原理圖Fig.1 CEMS Layout and control principle diagram of the original denitration system

1）豎直段煙道較短，噴氨格柵布置在豎直段煙道中部，氨與煙氣混合距離不足。

2）上下彎頭處導流板設置稀疏，對煙氣的導流作用有限。

3）反應器內整流格柵低位布置，反應器罩體內導流板設置不合理，無法有效導流。

根據模擬計算，結果顯示原脫硝系統濃度場偏差較大。BMCR工況下，第一層催化劑來流速度與豎直方向最大夾角為73.64°，噴氨格柵前截面和催化劑上游截面流速相對標準偏差為53.38%和26.01%，催化劑上游截面NOx和NH3相對標準偏差分別為4.81%和36.72%，NH3/NOx摩爾比相對標準偏差為39.43%。

通過模擬結果可匯總脫硝系統存在如下主要問題，見表1。

表1 脫硝系統存在的主要問題及原因分析Table 1 Main problems and causes analysis of denitrification system

圖2 SCR反應器CEMS布置圖Fig.2 CEMS Layout of SCR reactor

3 脫硝噴氨控制優化方案

針對脫硝系統存在的問題，現從脫硝流場優化、CEMS分區取樣、分區精準噴氨、控制策略優化等方面進行改進，最大程度消除內外擾動，保證脫硝參數平穩變化與控制。

3.1 脫硝流場優化

根據原脫硝系統流場數值模擬計算結果，對原導流板結構和布置進行重新設計優化：

1）混合器1安裝于傾斜煙道位置（旁路煙道前）、混合器2安裝于新噴氨格柵上部位置。

2）舊噴氨格柵全部拆除，新噴氨格柵下移至豎直煙道下彎頭位置。

3）導流板1安裝于省煤器出口位置、導流板2安裝于傾斜煙道位置（旁路煙道后）。

4）導流板3安裝于豎直煙道下彎頭位置、導流板4、5安裝于豎直煙道上彎頭位置、導流板6安裝于反應器入口位置。

3.2 脫硝反應器進出口CEMS取樣優化

受測點布置、煙氣流場分布等影響，采用單測點或多點混合測量數值不具有代表性，難以真實反映脫硝出口煙氣NOx濃度分布，無法為脫硝運行提供準確、及時的數據參考。為配合脫硝分區精準噴氨需求，保留原進出口CMES采樣系統情況下，在脫硝反應器出口煙道橫截面進行NOx濃度分區（分4區）實時巡測，指導各分區的噴氨調整。同時配套一拖四多點巡測CEMS分析儀，對脫硝反應器出口各分區NOx濃度的分布進行實時測量。

在脫硝出口增設采用激光多次反射-抽取檢測技術原理的NH3檢測儀。準確有效地監測脫硝出口氨逃逸量，判斷脫硝系統運行狀況及催化劑狀態，輔助進行精確調整，防止空預器堵塞。

3.3 脫硝分區精準噴氨

為使脫硝出口各分區NOx控制均勻，對脫硝進行分區噴氨設計，以煙道截面平均布置4根噴氨分區管路和調閥，與分區巡測CEMS分析儀一一對應，可實現分區精準噴氨功能。

3.4 新型控制策略

3.4.1 分區調閥控制

分區調閥的控制目的：讓A、B兩側分區NOx值盡可能趨于本側母管的設定值，并配備偏置功能，從而達到對噴氨格柵各分區“細調”的目的。首先，根據脫硝流場數據分析煙道內部NOx濃度分布規律，對各區域調節閥給出基本開度指令；其次，根據脫硝出口各區域NOx濃度值與均值的偏差修正各區域閥門開度，保證脫硝各噴氨分區氨氮摩爾比均勻。

具體而言，各分區調閥采用單回路PID控制，設定值為本側各分區平均值，但具有偏置功能，反饋值使用本分區的NOx濃度，前饋包括變增益后的母管調閥前饋和帶映射的母管調閥反饋。另外，為保證首臺稀釋風機啟動時脫硝混合管道的暢通，采用任一稀釋風機首次啟動信號加脈沖的形式，使各分區閥門超馳全開，第二臺稀釋風機啟動，不會超馳全開分區分門，并設置分區閥門的PID控制調整下限為20%，防止分區調閥全關。

3.4.2 總閥控制

母管調閥的控制目的：讓A、B兩側脫硝出口NOx值快速跟隨設定值，并在設定值沒有變化時保持在其最小偏差范圍內。母管調閥控制邏輯采用串級+前饋的控制策略，思路如下：

以脫硝出口NOx設定濃度或脫硝效率作為主調節器的設定值，出口NOx濃度的測量值作為被調量（出口NOx濃度設置多個切換，包括分區NOx濃度均值、煙囪入口NOx濃度等，便于反吹時采用），經主調節器運算，得到的噴氨量再作為副調節器的設定值，氨流量計的測量信號作為副調節器的被調量，最終控制氨氣流量調節總閥。

由于脫硝CEMS系統測量存在明顯滯后，且反應器和催化劑均為滯后環節，因而控制回路必須設置前饋：根據總風量、燃料量和入口NOx濃度（含氨逃逸折算）等預測出需脫除的NOx量，進而計算出需要的噴氨量，該流量直接作用于副調節器的給定值，用于對負荷、燃料量、熱量需求或主蒸汽流量的變化做出快速反應。

4 脫硝噴氨控制系統優化效果及展望

脫硝流場優化后，在新的控制策略下，各分區調閥控制脫硝出口對應分區NOx，使其分布均勻，避免分區NOx偏差大造成脫硝總出口NOx波動大，影響母管主調閥控制；母管主調閥根據機組各項參數和設定值控制脫硝總出口NOx。當機組負荷和入口NOx發生變化后，閥門提前動作，避免工況變化時造成脫硝出口NOx波動大，最終影響煙囪NOx排放值波動超標。同時在氨逃逸量超過3ppm時，主調閥閉鎖，避免了過量噴氨，造成空預器堵塞。

4.1 流場優化效果

經過脫硝流場優化后，在BMCR工況下，第一層催化劑來流速度與豎直方向最大夾角為8.75°，催化劑上游截面流速相對標準偏差為6.02%；催化劑上游截面NOx和NH3相對標準偏差分別為1.44%和3.42%，NH3/NOx摩爾比相對標準偏差2.50%，各指標滿足要求。

4.2 分區調閥控制效果

當擾動發生時，分區調閥提前動作，使各分區NOx趨向統一，各分區NOx均可控制在10mg/Nm3，保證煙道內NOx分布均勻，為脫硝總出口NOx控制創造條件。

4.3 主調閥控制效果

機組負荷穩定時，單側NOx可控制在設定值±5mg/Nm3內，煙囪總出口NOx波動可控制在±2mg/Nm3內；升降負荷過程中，單側NOx可控制在設定值±10mg/Nm3內，煙囪總出口NOx波動可控制在±5mg/Nm3內，滿足環保要求，且自動投入率可達98%以上。

4.4 日常維護注意事項

由于脫硝進出口的NOx、O2等測量儀表取樣管路復雜，粉塵較高，容易出現堵塞、漏氣等情況，需合理設定定期吹掃、標定周期和數據保持時間，防止出現吹掃后數據突變情況；同時增強定期工作，保證設備處于良好的運行環境，減少設備故障時間，保證設備長期可靠運行。

5 結論

經過對脫硝噴氨系統的優化，將脫硝出口分區NOx與總出口NOx解耦控制，既解決了NOx分布不均，又解決了控制系統大慣性問題，使得在各類工況下NOx控制平穩，減少了運行人員監盤及操作干預的工作量，提高了噴氨自動的調節品質，提高了機組運行的安全性和經濟性，使得機組參與深調更加靈活。