尿素热解脱硝系统自动调节现状和智能化控制探索

吴涛杰

摘 要：本文特针对尿素热解脱硝技术中普遍存在的自动调节问题进行分析和总结，提出可行性措施。

关键词：尿素脱硝 自动调节 测量延迟时间 报表生成 拐点

尿素脱硝调节现状：

根据调查了解，采用尿素热解脱硝系统的工厂，由于其自动调节国内外没有可借鉴的成熟方案，控制逻辑多数是在投运后，根据实际运行状况，各生产企业自行修改、完善。但现阶段尿素脱销自动调节过程普遍存在，调节滞后、脱硝效率波动大等问题，需要人为大量手动干预。

本文以珠江电厂尿素脱硝系统为例，其热解炉内起到稀释和加热作用的热风取自热一次风出口管道，经过电加热器加热，进入SCR反应区。在省煤器和空气预热器之间烟道装置三层催化剂，后经过除尘器和引风机进入GGH和吸收塔，最后排至烟囱。

尿素脱硝调节难点

由于净烟气NOx测点在烟囱入口处，脱硝率根据省煤器出口处NOx测点和空预器入口处NOx测点计算得出。以尿素喷枪流量改变时间为基准，尿素溶液喷进热解炉反应的时间和热解炉到SCR反应区时间，加烟气从SCR反应区至空预器时间为脱硝率测量延迟时间t1。烟气从空预器入口经除尘器、引风机、脱硫设备等流至烟囱入口时间为t2。则烟囱入口NOx测量延迟时间t等于t1、t2之和。由于各机组烟气流场、流速不同，t1在1.5-2.5分钟不等，t在3-7分钟不等。

目前尿素脱硝系统的难点主要集中在测量延迟时间上。负荷、燃烧工况、热一次风流量，系统阻力，引风机出力等各环节都可能影响到测量延迟时间，导致常规的闭环调节系统，在负荷和脱硝入口NOx发生变化时难以及时作出比对。

同时现阶段尿素热解喷枪调节系统（MDM），由于各喷枪调门各自的阀门特性不同，压缩空气和尿素流量分配不一致等问题。导致实际流量变化和DCS指令之间存在一定的响应时间。

脱硝自动调节为减少延迟以脱硝率主要调节手段，而环保指标以烟囱入口测点数据为准。这就需要工作人员根据脱硝率变动趋势和烟囱入口测点数据比对，人为改变脱硝率或者手动干预喷氨量。在脱硝入口NOx和负荷波动过程中，人的发现时间和专业素质不同更大程度的增加了脱硝调节的延迟和出口波动幅度。环保考核普遍以小时均值为标准，脱硝调节延迟、小时节点大幅波动是造成均值超标的重要原因。同时调节品质差对氨逃逸的影响很大，容易造成空预器堵塞，导致风机喘振等一系列问题。脱硝自动调节的灵敏度和稳定性，是尿素脱硝系统现阶段急需解决的问题之一。

现阶段解决办法

基于尿素脱硝自动调节过程中存在的问题，在缺乏可借鉴控制逻辑的情况下，珠江电厂工作人员结合近年来运行经验，和遇到的问题，不断尝试和完善，通过分段控制方式，提高运行工作人员技术水平和责任心，基本实现脱硝超洁净排放标准。

由于负荷对烟气流场和脱硝测量延迟时间的影响最为显著，故对机组正常运行过程中常见负荷150MW至300MW每30MW负荷进行分段，300MW至320MW单独分段，每段负荷内，根据历史数据确认各负荷脱硝测量大致延迟时间，取得反馈调节参考点。然后根据理论尿素溶液需量进行PID运算得出补偿后尿素溶液需量，尿素喷枪的实际流量随补偿后需量变动。

其中理论尿素溶液需量根据理论和经验值计算得出，其公式：

理论尿素溶液需量=5×（机组负荷÷320）×（入口NOx浓度×17÷46）×（脱硝效率设定值/100 + 氨逃逸×2.05/入口NOx浓度）×3.095975

理论尿素溶液需量在实际运行中存在一定偏差，必须根据实际效率进行补偿，其闭环调节系统的延迟性和反馈点的选取，必然造成脱硝品质的恶化。进行分段调节改造后，珠江电厂4×320MW 机组，尿素脱硝调节品质有了明显提高。但在负荷和脱硝入口NOx出现大幅波动过程中仍然需要及时手动干预，同时需要频繁调整脱硝率设定值。尿素脱硝系统自动调节仍然需要进一步完善。

未来尿素脱硝自动调节技术可行性探索

经过长期的运行分析研究，实现尿素脱硝全自动调节，最可行的方法是利用控制系统的历史记录软件和报表生成软件等，通过对烟气系统模型的简化，不断学习记忆不同状态下尿素溶液需量、测量延迟时间，和脱硝效率。在烟气系统状态改变时，立刻做出调整，大幅减小尿素脱硝系统调节的不稳定性。

一.简化烟气系统模型，减少变量。通过对珠江电厂分段控制方式运行的长期观察、统计，燃煤特性，烟气流场中风量，燃烧器摆角，锅炉吸热量、系统阻力等等诸多因素，可以简化为各机组负荷与脱硝入口NOx浓度两个变量。

二.尿素脱硝调节过程随着负荷和入口NOx波动，外部调整变化的先后顺序是尿素溶液实际流量，脱硝率，和烟囱入口NOx含量。每次波动过程这些参数都会产生波峰和波谷。尿素溶液实际流量历史趋势的拐点处的尿素流量，对应的其后最近处脱硝率相应拐点数据，又对应其后最近处烟囱入口NOx含量相应拐点数据。通过这种一一对应关系可以得出机组在一定负荷和脱硝入口NOx含量情况下，保证A、B侧脱硝率和烟囱入口NOx含量在正常范围，所需要的喷氨量的经验值。 在比对精准的情况下，根据统计结果，最近一次相同负荷和相同脱硝入口NOx，达到正常烟囱入口NOx排放标准范围，所需的尿素溶液流量，误差率不超过4%。此误差引起的波动，和稳定负荷和脱硝入口NOx时由于喷氨调门的特性和脱硝PID调节引起的正常波動幅度基本相同，能够保证烟气状态波动时，脱硝调节的稳定性。

三.现有的XDPS的报表系统是基于MS EXCEL电子表格软件之上的。报表的收集软件将需收集和统计的数据按定义存放人数据库（一般采用Access）。其历史记录软件可按周期收集实时网上的模拟量和开关量的历史数据。周期和触发报表可按周期或定义的周期所得到的周期性或触发性时数据收集报表，记录在数据库中，可由再现软件随时调出。利用微分计算，生成实际负荷、入口NOx及其对应的喷氨量、烟囱出口NOx历史数据拐点，并保存在报表中，在技术层面是没有瓶颈的，只需功能的完善。

四.以珠江电厂机组为例，把负荷从150MW到320MW每5MW作为一个统计区间，把脱硝入口NOx从140㎎/m3到600㎎/m3每20㎎/m3作为一个统计区间。每个负荷区间对应23个脱硝入口NOx数值，共需统计782个烟囱入口NOx在40-45㎎/m3时对应的尿素溶液需量和脱硝率及测量延迟时间。报表生成以烟囱入口NOx的历史趋势在40-45㎎/m3区间的拐点为触发点，向前采集对应脱硝率拐点和尿素实际流量拐点，以及尿素溶液实际流量拐点出现时刻，机组的负荷和脱硝入口NOx数值，同时记录下测量延迟时间t1和t2。其中拐点的选取遵照烟囱入口NOx极大值处拐点对应脱硝率极大值处拐点和尿素溶液实际流量极大值处拐点，烟囱入口NOx极小值处拐点对应脱硝率极小值处拐点和尿素溶液实际流量极小值处拐点。报表每两小时更新一次，取已有数据和新采集数据平均值。

五.当负荷波动超出原统计区间±2MW，或者脱硝入口NOx波动超出原统计区间±10mg/m3时，触发尿素溶液补偿后需量发生阶跃变化，自动改变脱硝率设定值，选取报表中相应负荷和入口NOx生成的历史数据，同时刷新PID调节，更改测量延迟时间t1、t2进行新的PID 调节。

增加尿素脱硝调节系统的学习和记忆功能，通过对简化变量机组负荷和脱硝入口NOx的分段处理，实现智能化控制，是未来解决尿素脱硝自动调节和测量延迟时间长且不断变化，影响因素过多系统的可行途径。

参考文献：

[1]李杰 读秀学术搜索 XDPS系统工程师站的软件组态与网络设置 2012年