张瀚方 李紫君 耿保丰
华能沁北发电有限责任公司 河南济源 459012
摘要：针对沁北电厂1000MW机组SCR烟气脱硝喷氨自动控制中存在的问题，从设备和自控策略两方面提出优化改进措施。
关键词：烟气脱硝 喷氨自动 优化
中图分类号：TM621.6文献标识码：A
Analysis and Optimization of Automatic Control for SCR Flue GasDenitrification and Ammonia Spraying in Thermal Power Plant
ZHANG Hanfang, LI Zijun
(Huaneng Qinbei Power Generation Co.Ltd., Henan,jiyuan 459012)
Abstract：Aiming at the problems existing in automatic control of SCR flue gas denitrification and ammonia spraying for Qinbei 1000MW power plant unit,this paper puts forward optimization andimprovement measures from two aspects of equipment and automatic control strategy.
Key words:Flue gas denitrificationAutomatic control of ammonia spraying Optimization
0引言
沁北电厂2×1000MW机组脱硝系统为高尘区SCR，反应器位于省煤器和空气预热器之间，主要由氨气供应系统、氨气/空气稀释与混合系统、SCR催化反应器等组成。高尘区SCR的布置方式下，烟气温度一般在300~400℃，烟气无需再热，是非常适合金属氧化物类催化剂活性的操作反应温度，运行经济型较好。但该布置方式下，部分未经反应的氨气与烟气中的SO3生成硫酸铵、硫酸氢铵，对下游空预器和烟气脱硫设备产生损害。如今环保形势日益严峻，如何在不对下游设备造成损害的前提下，尽可能及时消除烟气中的NOX成为亟待解决的课题。
1SCR喷氨自动存在问题分析
目前脱硝反应的控制原理是利用固定的NH3/NOx摩尔比来提供所需的氨气流量，进口NOx浓度和烟气流量的乘积产生NOx流量信号，此信号乘以NH3/NOx摩尔比就是基本的氨气流量信号。摩尔比通过现场测试，记录在氨气流量控制系统的程序上。SCR控制系统根据计算出的氨气流量需求信号去定位喷氨调门，实现对脱硝的自动控制[1]。通过在不同负荷下对氨气流量的调整，找到最佳的喷氨量。另外根据脱硝后烟气中的NOx含量对氨气流量进行修正。脱硝装置后的烟道中设有氨逃逸测点，当氨逃逸大于一定值时，对喷氨调门进行闭锁。SCR反应器进出口烟道分别布置1套在线CEMS分析仪测量NOx、O2浓度。但在实际使用中，发现此控制方式存在一定问题，分析如下。
1.1SCR-CEMS检测代表性低
目前SCR进出口烟道NOx、O2均为单个测点，且为单路取样。烟道截面积通常比较大，进出口烟道截面烟气中的NOx、O2浓度分布不均匀。过大的烟道截面和不均匀的NOx浓度分布，使得单一的取样测点缺乏代表性，测得的NOx、O2浓度与实际值有偏差，从而影响喷氨控制。
1.2SCR-CEMS测量滞后性大
锅炉燃烧属于大惯性环节，负荷变化时，脱硝反应器出口NOx浓度通常需要3 min才变化。系统本身特性决定了喷氨自动控制具有一定的容量滞后。在线CEMS仪表间布置在SCR反应器出口附近平台，CEMS烟气采样管线长、管内流速低，采样时间长导致检测值存在严重的纯滞后，测量滞后时间高达1-2min。机组快速升降负荷或者磨煤机启停期间，燃烧工况快速变化，因CEMS测量值滞后，会使SCR喷氨量的调节滞后，造成脱硝出口NOx浓度周期性波动。
在SCR出口NOx浓度波动曲线的波峰处易造成NOx排放超标，波谷处易造成氨逃逸过大。为全时段实现NOx排放浓度小于50mg/m3，只能设定SCR出口NOx控制值到30mg/m3以下，这将造成氨量过喷严重，加剧下游空预器硫酸氢铵堵塞。
1.3CEMS分析仪反吹影响自动控制
为保持CEMS仪表取样管路畅通，避免时间长积灰堵塞，设置了CEMS分析仪定期反吹。反吹期间分析仪给出的测量值将维持反吹前的值不动。此时若工况变化，自动控制回路无法及时进行调节，从而造成实际NOx值波动。
2NOx测量回路优化
针对NOx测量回路的优化主要体现在两个方面：（1）将NOx测点改为多点取样，以解决原测点缺乏代表性的问题；（2）在SCR进出口与空预器出口之间增加烟气采样母管，CEMS取样从烟气采样母管处取，以缩短取样管距离，减小传输延迟时间。具体阐述如下。
在SCR反应器入口喷氨格栅AIG上游和出口烟道截面，沿炉宽方向分别布置6-10根不同长度和直径的笛型碳钢支管采集烟气，各自汇流到进出口烟道外面的圆形碳钢母管内，各支管垂直或者倾斜布置，避免管道积灰堵塞。多支管同时采集烟气，可解决烟气分布不均导致的单一测点失准问题，大幅提高烟气样品的代表性。
原NOx测点从烟道内采样后，通过取样管送至CEMS小间，管路最长可达50~70m。现在SCR进口、出口烟气采样母管与空预器出口烟道之间，分别布置长约20~70m，直径约100mm的圆形碳钢管。SCR入口压力通常为-0.7KPa左右，SCR出口压力通常-1.4KPa左右，空预器出口压力通常-2.4KPa左右，利用烟道内自然的压力差将采样母管内烟气引流至空预器出口，形成第一级烟气采样系统，管道内烟气流速约10~20m/s，远高于原测点取样管路内的烟气流速。连接SCR出入口和空预器出口的圆形碳钢管途径CEMS小间附近，在此处设置烟气取样小孔，在烟气取样小孔与CEMS分析仪之间设置长度小于4m、带伴热的CEMS取样管，从碳钢管内抽取烟气样品，形成第二级烟气采样系统。采样烟气经预处理器除湿后，输送到CEMS分析仪内测试，取样分析时间控制在5-10s。如此，既增加采样管内烟气流速，又缩短分析仪取样管距离，从而大大减小NOx测量传输延迟时间。
3喷氨自动控制优化
虽然已从硬件上尽可能提高NOx测量响应速度，但锅炉燃烧惯性、变负荷时复杂的工况等依然需要从自动控制逻辑上做进一步优化。具体分析如下。
3.1采用变氨氮摩尔比串级控制回路
喷氨自动控制的基本原理与控制框架通常为：反应器入口实测NOx值与反应器出口想达到的设定值作差，由于测得的NOx为浓度值，因此需乘以烟气量来得到总共需反应掉的NOx量，根据化学反应式可知氨氮摩尔比约等于1，但由于受催化剂活性、反应温度等一系列因素影响，脱硝效率通常达不到100%[2]，因此实际控制中使用一小于1的值作为氨氮摩尔比来计算所需的氨量，如以下公式所示。
喷氨量=（入口NOx -出口NOx SP）×烟气流量×氨氮摩尔比 （式-1）
原控制回路采用串级控制。主PID作用于入口NOx与出口NOx设定之差，即主PID输出修正待反应的NOx量，副回路PID控制氨气流量，直接作用于调门。优化后仍然采用串级控制。不同之处在于主回路PID作用于氨氮摩尔比，将原本固定的氨氮摩尔比变成一个可调量，实时修正，副回路不变，依然控制氨气流量，作用于调门。
其控制回路结构如图1所示。氨气需求量QNH3的计算如下：
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（式- 2）
其中，q1为烟气流量，m0为基础氨氮摩尔比，由脱硝效率经函数发生器得到，m1为氨氮摩尔比补偿量，为串级控制主PID输出，CNOx为SCR反应器入口NOx浓度，CNOsp为出口NOx浓度设定值。QNH3为基础的氨气需求量，为了在锅炉燃烧大惯性系统中实现快速喷氨响应，以及适应变负荷等复杂工况，在QNH3基础上增加快速喷氨前馈、磨组启停前馈，三者之和作为最终的氨气流量设定值，送入副回路PID，输出喷氨调门指令。
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3.2CEMS反吹时切为控制烟囱入口NOx
为了防止粉尘等堵塞取样探枪，解决探头堵塞问题，通常CEMS系统会设置定期反吹。根据我厂实际工况，目前脱硝反应器出口CEMS设定为4小时反吹一次，一次吹10min。在反吹期间，CEMS分析仪输出维持不变。对喷氨自动而言，反吹期间无法监视SCR反应器出口NOx，反吹结束通常会面临NOx值大幅波动，调节跟不上的情况。鉴于此，在自动回路中增加切换逻辑，即反吹期间，在PID输出调门指令的基础上叠加一个值，该值由烟囱入口NOx值经函数发生器得到，如图2所示
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考虑到反吹期间，虽然反应器出口NOx值不变，但若此时被调量与设定值存在偏差，积分作用会持续输出，在逻辑中设置反吹时闭锁喷氨调门。
3.3采用快速喷氨前馈回路
SCR入口NOx浓度、SCR入口氧量以及对直流炉来说风煤比都对脱硝系统有较大影响[3]，因此将上述因素作为快速喷氨前馈引入回路。如图3所示，对SCR入口NOx浓度、入口氧量作微分，经负荷修正后叠加在氨气设定上，以利于系统消除惯性，提前遏制反应器出口NOx值上涨。
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燃煤机组生成的NOx主要有热力型NOx和燃料型NOx两种，前者受温度影响较大，占总NOx含量的20%左右，后者对风煤比敏感，占总NOx的大部分，因此将风煤比也作为前馈，引入氨气设定回路，以提高系统响应速度。
3.4采用SMITH预估补偿回路
SMITH预估控制是一种针对纯滞后系统设计的控制策略，其特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器补偿，力图使被被延迟的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显减小超调量和加速调节过程[4]。其原理如图4所示。
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脱硝系统中反应器出口NOx作为喷氨自动被调量，由采样传输特性决定了其具有纯迟延，因此这里使用SMITH预估补偿器对SCR反应器出口NOx值进行补偿。脱硝系统一般为带纯迟延的二阶惯性环节，因此回路中补偿设置如图5所示。
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3.5采用磨组启停前馈回路
启停磨期间，煤量较少时，煤粉浓度低，会短暂形成富氧燃烧，导致NOx值大幅上涨，此时由于系统惯性，自动很难及时调节，往往需要切为手动控制，人工干预。为了实现全过程的喷氨自动调节，针对此问题，在副回路PID中加入启停磨前馈逻辑，如图6所示。
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对六台磨组运行状态进行监视，当出现磨组启动或磨组停止时，叠加一个预置喷氨量到氨气设定上。此预置值可通过观察以往曲线，分析各台磨组启停对NOx的影响大小来确定。
4结束语
通过调整原喷氨自动控制串级结构，增加各类前馈，改设多点取样等一系列优化措施，自动调节变得更加细化，调节品质得到明显改善。但是随着环保形势日益严峻，以及各燃煤电厂积极响应节能降耗、降低成本号召，对脱硝自动控制也提出了更高要求，如何精准实现氨氮配比，最大化催化反应，同时又不造成氨逃逸，是我们依旧要深入研究的课题。未来可考虑神经网络、预测控制等先进控制策略，对喷氨自动作进一步深入优化。
参考文献
[1] 方彦军．控制设备及系统[M]．武汉大学文印中心，2011：158
[2] 刘武标．SCR烟气脱硝效率及催化剂活性的影响因素分析[J]．能源工程，2012年03期
[3] 王磊，李海军，陈兰鹏．1000MW机组SCR脱硝系统运行中的问题及措施[J]．电力科技与环保，2015年02期
[4] 姜家国，郭为民，刘延泉，唐耀华．选择性催化还原脱硝系统Smith预估自抗扰控制[J]．热力发电，2016年01期