摘 要：本文主要讲述了华能金陵电厂1030MW燃煤机组在脱硝系统投运时喷氨自动不能正常投入,无法精确控制脱硝出口NOx排放浓度，分析了喷氨自动控制系统存在的问题，通过对喷氨自动控制方式进行优化，以脱硝SCR后NOx、脱硝净烟气NOx为被调量组成串级调节回路，以化学反应平衡为基础，以锅炉烟气量（锅炉燃料量+总风量）、脱硝SCR入口NOx、脱硝SCR出口NOx等参数的变化率为前馈量，引入喷氨流量失准校正、脱硝SCR后NOx与脱硝净烟气NOx测量偏差校正等关键功能，加入了NOx表计标定过程中的自动判断和无扰切换策略，最终完成了相关控制回路的优化，实时调控喷氨量，有效控制出口氮氧化物排放的合理性，确保脱硝系统的安全稳定运行。
关键词：脱硝；喷氨；全负荷；优化；控制
0 引言
随着我国环保要求的逐渐提高，火电超低排放工作进展迅速。各大型燃煤火电企业对锅炉进行脱硫、脱硝、除尘装置的建设和改造，脱硫脱硝发展迅速，技术工艺逐渐成熟，但仍有大量问题存在。
1 华能金陵电厂锅炉系统简介
华能金陵电厂建设两台1030MW国产超超临界燃煤发电机组。锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进日本三菱重工业株式会社技术制造的超超临界变压运行直流锅炉，型号为 HG-3100/27.46-YM3。采用П型布置、单炉膛、低 NOx MPM 主燃烧器和 MACT 燃烧技术、反向双切圆燃烧方式。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，设计煤种为神府东胜煤，校核煤种为混煤。脱硝系统采用SCR 脱硝装置。
烟气流程：依次流经炉膛的屏过、过热器、高再、尾部转烟室再进入分隔墙分成的前、后二个尾部烟道竖井，在前竖井中烟气流经低再和前省煤器，另一部分则流经低过和后省煤器，在前、后二个分竖井出口布置了烟气分配挡板以调节流经前、后分竖井的烟气量，烟气流经分配挡板后通过连接烟道到脱硝装置和回转式空预器排往电除尘器和引风机。
华能金陵电厂1030MW超超临界机组同步建设了脱硫、脱硝系统并与主体工程同步完工、同步投入使用。一、二号机组分别于2009年12月23日和2010年12月3日投产发电。为适应火电厂污染物排放标准（GB13223-2011）需要，一、二号机组又作为国家级“百万燃煤机组烟气超低排放环保示范项目”进行技术升级改造，项目致力于推广先进高效的火电机组大气污染物排放协同控制技术，工程分别于2014年10月和2015年3月开工建设，于2014年12月和2015年6月投入运行。
2 脱硝的原理
华能金陵电厂脱硝系统采用选择性催化还原（Selected Catalytic Reduction）即脱硝SCR工艺。利用氨（NH3）对氮氧化物（NOx）的还原功能，在一定条件下将NOx还原为对大气没有多大影响的N2和水。
主要反应方程式为：
4NO＋4NH3＋O2→4N2＋6H2O
6NO+4NH3→ 5N2+6H2O
6NO2＋8NH3→7N2+12H2O
脱硝SCR系统示意图如下：
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图1 脱硝SCR系统示意图
在脱硝SCR系统中，氨区供应的200kPa左右的氨气与脱硝稀释风机来的空气通过氨/空气混合器充分混合，混合气体进入氨注入格栅与锅炉尾部烟气充分混合，混合烟气经过整流后，进入脱硝SCR 反应器，脱硝SCR 反应器内氨与氮氧化物在催化剂作用下反应生成氮气和水。
3 脱硝现状与问题分析
3.1脱硝现状
长期以来，对脱硝系统的研究主要集中在设备结构和运行方式方面，忽略了对脱硝自动控制系统策略的研究。而超低排放施行后，环保部门对烟气排放指标出口氮氧化物排放浓度由100mg/m3降低到50mg/m3，为达到环保要求，改造和优化脱硝尤为重要。金陵电厂两台机组脱硝系统自投运以来，一直沿用对脱硝SCR出口NOx实际值与设定值的差值进行PI运算，PI调节器输出0~100%的阀门开度指令至喷氨调节门，来控制喷氨量，确保达标排放。此种方式易于调试和整定，在工况稳定的情况下满足脱硝SCR反应器要求；一旦机组负荷波动大、工况调整频繁，出入口NOx也将大幅变化，瞬时超标现象严重，调节系统不能充分发挥作用，只能改为手动控制调节门开度，完全依赖于运行人员的经验，合格达标和经济性很难平衡，运行人员发现和调整不及时将造成出口NOx值超高越线，各种不确定因素的存在给系统的正常运行造成了隐患。
3.2问题分析
3.2.1 偏差大
由于脱硝SCR出口烟道宽度方向上NOx分布不均匀，单套NOx取样装置所取样气很难有准确的代表性，造成脱硝SCR出口NOx测量值与实际值之间偏差大。
由于脱硝SCR出口的原烟气经过空预器、电除尘及脱硫吸收塔后，成为进入烟囱的净烟气，从原烟气到净烟气受漏风、加温等因素影响，其含氧量、相对湿度均发生变化，原烟气NOx与净烟气NOx之间也存在偏差。原设计以脱硝SCR出口NOx为被调量，但环保考核指标为烟囱净烟气NOx，两者之间的偏差造成环保考核指标存在超标的风险。
3.2.2反应慢
由于化学反应时间、取样分析时间的客观存在，从喷氨调门开度变化到脱硝SCR出口NOx产生变化，再到烟囱净烟气NOx产生变化，往往需要3~5分钟的时间，因此喷氨调节过程存在延时时间长的不利因素。
3.2.3抗干扰能力差
原设计以喷氨调节门的开度为调节量，当喷氨调节门前氨气压力变化、或者喷氨支管发生堵塞，调节门开度与氨气流量之间的对应关系将发生变化，喷氨调节过程被干扰。
当机组变工况时（如启停制粉系统），脱硝SCR前NOx、烟气量均发生快速变化，仅靠机组负荷及脱硝SCR前NOx实际值为前惯信号，难以适应复杂的调节要求。
在CEMS系统定期标定过程中，各处NOx测量值均会出现极高或极低值。此时调节回路不能判断异常参数，只能改为手动调节。
3.2.4调节精度差
为保持合格的净烟气NOx数据，脱硝SCR出口NOx控制值一般较低，既增加了氨气消耗，又使脱硝效率过高，S03转化率及氨逃逸率上升，诱发硫酸氢铵沉积。
变工况过程中，NOx波动过大，也会使部分时段的氨气消耗、脱硝效率、S03转化率、氨逃逸率上升，诱发硫酸氢铵沉积。
3.2.5不能满足全负荷脱硝要求
典型机组脱硝SCR烟气脱硝低负荷投运温度一般为290℃～300℃，较正常负荷脱硝运行温度低25℃，在较低温度下运行时，受硫酸氢铵结露等因素影响催化剂活性将降低，更加剧了以上几个间题的发生。
4 脱硝喷氨调节优化方案
4.1以化学反应平衡为基础，由化学反应方程式不难看出，要消耗1摩尔的NOx就需要1摩尔的NH3，两者以（NOx／NH3）1：1的比例进行反应，确保喷氨量不严重偏离合理范围。
4.2当机组变工况时，脱硝SCR前NOx、烟气量均发生快速变化，仅靠机组负荷及脱硝SCR前NOx实际值为前馈信号，难以适应复杂的调节要求，现改为以锅炉烟气量（锅炉燃料量＋总风量）、脱硝前NOx、脱硝出口NOx等参数的变化率为前馈信号，进行动态调整，采用变化率更加可靠，更能适应变工况的调节要求。
4.3原设计以喷氨调节门的开度为调节量，现改为以喷氨流量为调节量，很好的消除了以喷氨调节门开度为调节量带来的抗干扰能力差的问题。
4.4以烟囱净烟气NOx的小时均值为对象建立调节主回路，不再是采用瞬时值，即使瞬时值有大的波动，平均到小时均值里，变化也不是太大，更符合环保要求。
4.5由于脱硝SCR出口NOx与净烟气NOx之间存在随机组工况变化而变化的偏差，这个时候我们以脱硝SCR出口NOx的实时值为对象建立调节校正回路，快速调节喷氨量，解决调节过程延时时间长的问题。
4.6在以不同负荷下脱硝SCR出口NOx与净烟气NOx之间的测量时差为依据，计算脱硝SCR出口NOx与净烟气NOx之间测量偏差的小时均值，修正脱硝SCR出口NOx的给定值，解决脱硝SCR出口NOx与净烟气NOx之间偏差大的问题。
4.7引入了一个偏差校正调节器，此调节器是以净烟气NOx的设定值与实际值之间的偏差为对象建立性能修正回路，解决喷氨流量失准或低负荷催化剂活性下降后的调节偏差问题，同时可对喷氨流量测量故障或脱硝SCR催化剂活性下降提供判断依据。
4.8针对CEMS系统定期标定过程中，各处NOx测量值均会出现极高或极低值，增加了脱硝SCR系统标定和净烟气标定时的回路切除功能，以保持标定过程中调节回路的正常工作。
5 优化效果
5.1全负荷脱硝应用情况（启、停机过程）
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图3 停机过程示意图
从启、停机过程曲线可以看出，净烟气NOx小时平均值控制在环保要求的50mg/m3范围之内，完全满足全负荷脱硝的要求及标准。
5.2变工况性能应用情况（启、停制粉系统）
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图5 停运制粉系统过程示意图
由于金陵电厂的磨煤机F在最上层，启停磨煤机F时对NOx的影响最大，因此选取了启动和停止磨煤机F时的曲线，从机组在启停制粉系统时的曲线中可以看出，无论启动或停止磨煤机F，对净烟气NOx的扰动都很小。
6 结论
经过脱硝喷氨自动控制系统优化后，将烟囱出口NOx作为最终设定值使控制目标明确，减少了运行人员的监盘及操作干预的强度，使运行人员从繁忙的操作中解放出来。提高了喷氨自动的调节品质，增强喷氨自动调节的稳定性，提高了机组运行的安全性和经济性，对于保持设备健康水平、延长机组寿命和保持最佳运行工况，效果良好。
参考文献:
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[5 ] 李刚,贾晓静等. 基于主导因素分析的脱硝SCR烟气脱硝系统喷氨量控制.热力发电,2016 ,45 (8).
作者简介：
王浩(1982年),男,江苏南京，助理工程师，从事电厂集控运行工作。
注：王浩，手机15150535317，固定电话85728330，邮箱289465330@qq.com，通信地址：华能金陵电厂，南京市栖霞区经济开发区江乘大道8# 210034。