华能国际：SCR脱硝系统精准喷氨调节匹配技术探究

华能国际：SCR脱硝系统精准喷氨调节匹配技术探究港囧 豆瓣 推荐理由 燃煤电厂SCR脱硝系统精准喷氨调节匹配，对脱硝设施的技术改进、性能优化和管理效率等方面提出了更高的工作要求。通过对燃煤电站脱硝优化过程中的设定值扰动试验，稳定状态、

推荐理由

燃煤电厂SCR脱硝系统精准喷氨调节匹配，对脱硝设施的技术改进、性能优化和管理效率等方面提出了更高的工作要求。通过对燃煤电站脱硝优化过程中的设定值扰动试验，稳定状态、变负荷工况运行效果进行了案例分析，并得出对应的策略，为精准喷氨先进控制系统的调节获取有益的参考，为燃煤电厂超低排放提供技术支撑。

SCR脱硝系统精准喷氨调节匹配

技术探究

华能国际电力股份有限公司丹东电厂，

肖成武、李尔堪、金全、焦力刚、鲁志军

华能国际电力股份有限公司营口电厂，沙鑫

近年来，由于空气污染日益严峻，燃煤电厂烟气排放要求标准逐渐提高，在烟气中NOx浓度的排放标准是环境考核主要指标之一。对于NOx浓度减排的方法主要有在锅炉烟气排口处加设SCR装置，但是SCR系统内的喷氨过量引起副反应发生，易生成硫酸氢氨等有害物质，造成空预器差压异常甚至堵塞；副反应的发生同时引发催化剂中毒，影响催化剂寿命[1]。为此，有必要将净烟气的NOx闭环控制进行优化，使得锅炉产汽过程中喷氨量调节更加精准[2]。

在华能丹东电厂实际运行中，1号锅炉在部分工况下，燃烧变化频繁，SCR入口NOx快速升高，且波动剧烈。为了满足环保考核要求，往往喷入过量氨水，使得氨逃逸率较大，液氨用量较大、经济效益较差。因此，本项目构建了一套精准喷氨先进控制系统，用于控制1号锅炉净烟气的NOx含量，确保排放的NOx值严格满足环保要求，并能够节约氨水用量，降低电厂运营成本，使工艺系统免受过量喷氨的伤害。

1 锅炉设备及脱硝技术

华能丹东电厂2×300 MW发电机组锅炉为英国巴布考克公司生产的一次再热、平衡通风及自然循环燃煤型的锅炉设备，其脱硝系统通过催化还原法进行系统设计和设备制造。采用气氨流量调节门，然后将还原剂（稀释过的NH3）喷射到锅炉尾部的烟道设备中，并与其中的烟气进行充分混合，将设备中的混合气体通过从上往下流入催化剂，最后在温度和催化剂共同相互作用下，氨气会与NOx发生化学反应，从而生成氮气（N2）和水蒸汽（H2O）[3]，化学反应方程式主要如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （1）

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O （1）

催化剂其基体为氧化钛（TiO2），其中活性物质包括氧化钨（WO3）及氧化钒（V2O5）[4-6]。在SCR反应器内安装催化剂模块，采用高灰型工艺布置进行安装反应器，即在锅炉省煤器与空预器之间安装反应器。

2 精准喷氨先进控制系统的技术分析

2.1 技术特性分析

表1 影响NOx的因素

图1 1号锅炉精准喷氨控制方案示意图

辨识控制系统的特性是设计控制系统的基本前提条件。本节仅从影响因素出发，分析控制回路的特性。在锅炉燃烧过程中，影响NOx生成与排放的因素主要包括：总风量、煤量、喷氨流量、煤种、空燃比等。其中，煤量的增加将会使NOx下降，风量下降会使得NOx上升。煤种的变化对燃烧影响较大，对NOx生成的影响是典型的非线性特性，一般难以预测，这种扰动无法通过前馈进行消除，需进行复杂的抗扰动处理。

由于烟气脱硝控制对象是典型的大迟延、长惯性的控制对象[7]。需要采用比较先进的三层结构控制策略。本控制系统采用的控制方案与控制策略原理图见图1。

外置式精准喷氨先进控制系统采在控制回路中设计了智能前馈，用于提升回路的响应特性。在实际控制实施过程中，还通过超驰回路实现小时均值不越限的策略。即，当NOx小时均值达45mg/Nm3以上时，2个调门在当前开度的基础上总共超驰开10 %，确保小时均值严格达标。另外，控制指令生成后，通过智能优化算法分配回路向A、B侧SCR出口控制器发送指令，用于控制阀门的开度，调节喷氨量，将净烟气NOx控制在设定值附近。

2.2 技术路线设计

由于精准喷氨先进控制系统的控制对象是典型的大迟延、长惯性的非线性控制系统，而且NOx生成影响因素复杂，外界干扰条件复杂多变，所以需要先进过程控制算法方可实现回路的精准控制。本次精准喷氨先进控制系统采用的先进控制算法需要高级语言编程环境，现有的DCS组态软件难以实现本工程的控制方案。因而，构建了一种独立于DCS原有控制系统的外置式优化控制系统。施工过程通过测定控制对象模型、重新优化前馈回路、控制系统仿真、设定值扰动及变负荷试验等步骤完成。

图2 脱硝先进控制系统优化路线

为提高控制系统的可靠和稳定性能，进行了大量的仿真试验，为了加快机组动静态的响应过程，引入了智能前馈方案。图2是脱硝回路优化的基本技术路线。

2.2.1 控制回路指令设计

外置式精准喷氨先进控制系统与脱硝系统喷氨调节阀的原有系统是互斥关系[8]。如图3所示，当先进控制投入后，阀门接受外置式控制系统的调节指令，此时DCS侧的控制器将会马上输出，变成跟踪状态，相应的跟踪值是先控回路产生的阀门指令。当先进控制退出时，阀门接受外置式控制系统的调节指令，此时先控侧的控制器输出，变成跟踪状态，相应的跟踪值是DCS侧调门指令。另外，切换的条件和操作均需在DCS逻辑组态中给予考虑，并通过操作画面实现先进控制方式的投入与退出。当通讯正常且至少有一个阀门处于自动控制状态时，则具备投入先控运行前提条件。否则，先控退出或无法投运。

在外置式先进控制系统中只需考虑先进控制算法、通讯、回路跟踪的逻辑。在实际控制系统设计与调整过程中，脱硫系统出口的NOx测量装置（CEMS）和A、B侧SCR出口NOx测量装置（CEMS）均无吹扫信号接入DCS系统。当测量系统在吹扫过程中会严重干扰控制器的计算输出。因此，通过软逻辑实现吹扫状态的判断。

2.2.2 精准喷氨控制器设计

根据现场情况设计优化控制方案（如图4所示），在控制系统设计平台上，设计并封装了相应的先进控制策略。控制策略主要采用了基于惯性基的控制策略。该控制策略的优势是基于偏差大小自动调整控制参数，具有较强的鲁棒性，且参数整定方便，依据对象的动态特性即可整定出具有很好调节品质的参数。同时，控制回路依据模型可以适当调整调节器的增益大小，适应了对象的非线性。与此同时，编制了智能前馈回路、超驰回路等逻辑与代码，目的是能够提高系统的调节品质，满足系统的要求。

图3 1号锅炉精准喷氨控制指令切换与跟踪示意图

图4 精准喷氨优化控制设计方案

针对目前现场实际测点条件，通过对燃烧特性的引入，比较脱硝进出口和脱硫入口的NOx的特性，总结设计了一套三层结构的先进控制方案。做好防止阀门振荡的安全措施后，开始了1号锅炉脱硝出口NOx和净烟气NOx的先进控制的投入，并监视其控制效果。根据实际控制效果，对先进控制系统进行再优化，直到实际控制效达到要求为止。在稳态工况下，参数基本整定完成并达到预期的控制效果后，开展了阶跃扰动试验、变负荷试验，进一步验证先进控制系统的实际调节效果，必要时，进行了参数再调整，包括智能前馈的参数调整。最后使得控制回路满足运行人员的要求，获得了较好的控制效果。

3 脱硝精准喷氨优化改造方案

脱硝优化实时精准喷氨调节匹配技术的改造主要分为两部分：（1）多模式（循环、均衡、吹扫）矩阵式取样装置改造；（2）脱硝精准喷氨优化控制系统改造。

3.1 多模式（循环、均衡、吹扫）矩阵式取样装置改造

在每侧SCR反应区域后各安装一套矩阵式分区测量系统，该分区测量系统可对SCR出口的NOx和O2进行在线快速断面扫描测量，并根据扫描测量情况及时调整喷氨量。按照目前SCR的AIG格栅门组布置情况，将每个SCR出口划分为不少于12个测量小区。为避免测量误差，对每个测量小区进行循环取样分析，根据SCR出口流场的变化规律，定期对网格测点进行循环测量。

稳态工况下需对烟道实行均衡测量，均衡测量需具有差压自调功能，保证网格取样的均匀。脱硝反应区域位于燃烧区域出口，电除尘前，此位置具有高温高尘的特点，取样装置容易出现积灰堵灰情况。所以必须设计有完善的吹扫装置，吹扫需具有以下几个特点：吹扫不影响测量；吹扫不影响其他设备；吹扫间隔与时间可调；吹扫不影响仪表精度与寿命；单次吹扫效率需在90%以上。

3.2 脱硝精准喷氨优化控制系统改造

构建脱硝精准喷氨优化控制软件，针对目前锅炉脱硝运行现状，对现有的控制回路进行重新优化设计，使之能够更加适合全厂的经济、安全、环保运行。提高锅炉运行的智能化水平，减少人员操作，降低操作风险。使氨水调门能够实现按需喷氨，确保喷氨能够按照实际工况需求变化阀门的开度，避免过量喷氨。保证生产过程NOx可实现压红线运行，进而提高锅炉净烟气控制回路NOx设定值，减少氨水用量，有效降低运行成本。

现有的SCR出口NOx测量分析仪表多采用单点抽取法测量，烟气经过采样、净化处理、分析等多道流程，仪表本身比较复杂而且价格昂贵故障率较高。同时大型机组烟道截面是非常大的，流场复杂，烟气成分分布是不均匀的，如果想获取真实准确的烟气污染物排放数据或者污染物分布情况，需要布置几十套这样的测量系统，就复杂程度和价格上看也是不现实的。现在行业主要采用手动测量的办法进行，其需要在机组负荷稳定工况下手动对各个点单独采样测量，因其只能得到个别典型工况下的参考数据，所以也只能给出参考的量值。

烟气成分分析是个比较复杂的测量，现在国内或国际上还没有一种简单有效、经济的测量手段，同时测量整个截面多达几十点的烟气成分。SCR出口NOX测量的准确与否，对于脱硝控制效果的作用显而易见。因脱硝出口的特殊环境无法选择具有代表性的测点，导致测量结果与实际值相差甚远。脱硝反应器出口现有的测量环境无法改变，不可能为某个测量点而改变烟道走向，烟气调门的位置甚至某个转角等影响流场的设备。综合考虑网格法取样进行测量为最经济最有效的方法，此次丹东电厂改造将原有的单点采样改为12点采样。

4 改造效果分析

4.1 设定值扰动试验分析

在稳定负荷下，分别对A侧SCR出口NOx、B侧SCR出口NOx和净烟气NOx开展了NOx变化量为5 mg/Nm3的设定值扰动试验，试验过程中，未出现大幅波动现象，整个调节过程过渡平稳（2019年7月13日）。A侧SCR出口NOx设定值由54 mg/Nm3变为61 mg/Nm3，改变参数，A侧SCR出口NOx设定值由62 mg/Nm3变为55 mg/Nm3。B侧SCR出口NOx设定值由51 mg/Nm3变为55 mg/Nm3，改变参数，B侧SCR出口NOx设定值由62 mg/Nm3变为58 mg/Nm3，B侧SCR出口NOx设定值由57 mg/Nm3变为51 mg/Nm3。净烟气NOx设定值由35 mg/Nm3变为40 mg/Nm3（A侧），改变参数，净烟气NOx设定值由40 mg/Nm3变为35 mg/Nm3（A侧），净烟气NOx设定值由40 mg/Nm3变为35 mg/Nm3（B侧）。

4.2 不同工作状态试验分析

稳定状态，在锅炉负荷稳定情况下，净烟气NOx控制过程平稳，与设定值偏差小于4 mg/Nm3，A/B侧氨流量均控制平稳，喷氨调节阀调节效果满足要求。在变负荷工况时，系统可依据智能前馈与先进控制器联合调节克服负荷变化导致的风量与煤量频繁变化给系统带来的扰动。在锅炉燃烧稳定的情况下，净烟气NOx控制过程平稳，与设定值偏差在10-15mg/Nm3，A/B侧氨流量均控制平稳，喷氨调节阀调节效果满足要求。测试系统抗扰动的能力，当回路运行在设定值40mg/Nm3附近时，脱硝入口NOx突然上升，通过控制系统的调节，净烟气NOx能够很快调整并稳定在设定值附近。

精准喷氨先进控制系统投入后，净烟气NOx调节品质得到明显改善，精准喷氨先进控制系统具备长期投入运行的条件。对系统投运前后用氨量进行了比对（系统投运前2019年7月2日08：00：00至2019年7月4日08：00：00，系统投运后2019年7月14日08：00：00至2019年7月16日08：00：00），系统投运前后，催化剂未经处理，性能一致；喷氨格栅未经调整，性能一致；液氨品质稳定，煤质、负荷、给煤系统运行情况基本一致，SCR入口NOX生成量基本一致。在影响脱硝效率的边界条件基本一致的前提下，经48小时运行比对，投运后比投运前液氨用量节约约30%。经过投运，新的控制方法远远优于以前的控制方案。

5 结论

燃煤火电厂SCR脱硝系统精准喷氨先进控制系统投入后，净烟气NOx调节品质得到明显改善，精准喷氨先进控制系统具备长期投入运行的条件，得出以下结论：

1、氨水流量控制回路实现全自动控制，运行过程中操作人员不再对氨水调门的开度进行人工干预。脱硝系统的调节品质明显改善。可减少操作强度，减少误操作的可能性。

2、大量节约了还原剂用量。机组大修后，进行系统投运及调试，并与投运前进行了比对。系统投运前后，催化剂未经处理，性能一致；喷氨格栅未经调整，性能一致；液氨品质稳定，煤质、负荷基本一致，SCR入口NOX生成量基本一致。在影响脱硝效率的边界条件基本一致的前提下，经48小时运行比对，投运后比投运前液氨用量节约约30%。

3、净烟气NOX控制水平得到显著提升，经比对，系统投运前净烟气NOx波动范围：6.1 mg/Nm3～83 mg/Nm3，A侧SCR喷氨调节阀开度波动范围：55%～95%，氨流量波动范围：30 Nm3/h～103 Nm3/h；B侧SCR喷氨调节阀开度波动范围：0%～95%，氨流量波动范围：0 Nm3/h～134 Nm3/h。系统投运后净烟气NOx波动范围：20 mg/Nm3～61 mg/Nm3；A侧SCR喷氨调节阀开度波动范围：53%～79%，氨流量波动范围：26 Nm3/h～61 Nm3/h；B侧SCR喷氨调节阀开度波动范围：38%～64%，氨流量波动范围：29 Nm3/h～64 Nm3/h。平均净烟气NOX控制水平降低了超过30%，氨流量波动范围降低了接近50%。净烟气NOX控制水平得的显著提升，使机组环保系统稳定性得以提升。

d）风煤比的波动主要是协调控制系统引起的，负荷变动过程中，在负荷变动到位后，风煤比的波动仍然比较剧烈，建议对协调控制系统做进一步优化；

e）SCR脱硝系统改造技术研究成果，实现了精准喷氨调节匹配技术的投运，满足了烟气排放的标准，具有一定的学术参考价值和工程价值。

本文的针对燃煤电厂普遍存在的脱硝喷氨问题，对稳定状态、变负荷工况、系统抗干扰能力进行准确测试分析，通过先进测量先进控制系统的构建，从根本上处理了NOx不匹配、以及过量喷氨导致的脱硝系统氨逃逸超标的问题，保证脱硝实时喷氨能够到达稳定安全、绿色环保和节能减排的目的。