某厂SCR脱硝喷氨自动优化

刘江维

（贵州鸭溪发电有限公司，贵州遵义563108）

0 引言

氮氧化物是大气主要污染物之一，通常所说的氮氧化物有多种不同形式，其中NO和NO2所占比例最大。研究表明，煤炭等化石燃料在高温燃烧过程中会产生大量的NOx，火力发电机组在生产过程中排放的废气是NOx的主要来源之一。近年来，随着环保要求的日益提高，低NOx燃烧技术已经无法满足排放要求，环境污染问题已经成为火电行业发展的一个制约因素。在此背景之下，鸭溪电厂4×300 MW燃煤发电机组于2013年中开始建设液氨SCR脱硝系统，全部工程于2014年底完工。系统投运之初，由于较为严格的环保指标要求以及运维经验的不足，经常出现过量喷氨，日积月累，造成了空预器堵塞、尾部烟道腐蚀等后果，既不经济（液氨市场价已近3 000元/t）又影响机组安全运行。

基于以上现状，公司成立专项小组，决定对脱硝喷氨自动进行全面优化。经过长期对脱硝出口的浓度趋势分析和对过往运维经验的总结得出：（1）目前单回路的自动控制方式无法满足脱硝出口浓度控制要求；（2）由于锅炉负荷的变化、燃烧不稳，CEMS自动吹扫、测量不准（或不具备代表性）等因素带来的扰动不易克服且频次较多；（3）浓度控制系统本身延迟较大，氨和氮的化学反应时间及取样分析迟滞也对自控品质造成了较大的影响。

1 控制原理说明

脱硝喷氨自动主流的控制策略有两种，一种是固定摩尔比，即控制脱硝效率，这种方式在入口浓度变化很大时，无法有效将出口NOx浓度控制在限值范围之内，不能完全满足本地环保要求，在此就不赘述；另一种方式是固定出口浓度控制，即将出口NOx浓度控制在限值范围之内，这种方式既能满足当地环保要求，又可以减少氨耗量，有效控制脱硝运行成本。

SCR法脱硝是将氨类还原剂喷入烟气中，利用催化剂将烟气中的NOx转化为N2和H2O。由于NOx主要是以NO和NO2的形式存在（其中NO约占总量的95%），SCR法的主要化学方程式为：

根据上面两式可以得出SCR脱硝化学反应中NH3和NOx的摩尔比值为：K=1/1×95%+2/1×5%=105/100。考虑到化学反应的不完全充分性，其比值K取约数1，即1 mol的NH3和1 mol的NOx进行反应（实践中通过经验修正可以得到更为精确的比值K）。

通过以上分析，可以建立如下自控模型：出口NOx浓度设定和入口浓度（折算后）的差值与烟气流量的乘积，可以看作是需要脱除的NOx流量信号；出口NOx浓度的过程值（折算值）和出口浓度设定值进行比较，修正喷氨调门的输出值来调节喷氨流量。由此可得到一个类似于串级控制的数学模型，其逻辑框图如图1所示。

图1 逻辑框图

2 现场优化改进

上述控制策略在DCS组态运行一段时间，经观察，虽然喷氨自动效果得到了一定改善，但还是存在一些问题，无法达到理想的控制效果。经过不断的分析、总结和尝试，对自控系统做出如下改进：

（1）为了克服CEMS取样测点反吹带来的扰动，将原来的反吹频次由每2 h/次改为每4 h/次，同时设置仪表反吹保持功能并同步到DCS浓度测量逻辑上，即：反吹时浓度保持在反吹前一刻，至反吹完毕后恢复实际测量。另外，在保证反吹效果的同时尽量缩短反吹时间，有效地减小了反吹对自动的影响。

（2）为了克服负荷变化、燃烧变化、浓度变化等扰动以及由于取样分析延迟造成的迟滞，将负荷根据运行经验折算成流量与实际检测的流量进行加权处理，既能减小流量测量波动带来的干扰，又可作为一个前馈信号输入；通过比较锅炉排烟温度与入口浓度的关系，寻找合适的温度信号作为前馈等手段让调门动作具有“预见性”；同时，为缩短取样分析时间，在满足工艺的前提下对CEMS取样管路进行了最大限度地缩短，并适当调节采样流速来克服因取样分析过程造成的系统延迟。

（3）针对入口浓度单点测量不具备代表性，在脱硝每侧入口烟道增加取样测点并进行混合，以提升抽取测量的代表性；加强对CEMS的巡检（每天两次）和对浓度、流量等表计的维护，确保测量准确可靠。

3 取得的效果

（1）自控品质提升。

稳态时，从CEMS监测日报可以看出：出口NOx浓度参数平稳且趋近于设定值（浓度控制在设定值±10 mg/Nm3之间）。

扰动时，根据DCS历史趋势显示，当系统出现扰动后能在2～3个周期之内调整回来，趋近于设定值，如图2所示。

（2）基于自控品质的提升，除设备异常外，投入自动时可以确保不发生NOx均值超标情况，从一定程度上解放了运行人员，降低了劳动强度。

图2 DCS历史趋势图

（3）项目实施完成后，脱硝运行经济性得到显著提升：2015年全年电能产品56.88亿kW·h，脱硝氨耗0.852 g/kW·h；2016年全年电能产品43.06亿kW·h，脱硝氨耗0.775 g/kW·h，脱硝氨耗有明显的下降。按年发电量50亿kW·h核算，可节约液氨成本50×108×（0.852-0.775）×10-6×3 000=1 155 000元。

（4）过量喷氨的危害是在反应过程中生成硫酸铵或硫酸氢铵，并在下游设备沉淀，导致腐蚀，存在安全隐患，但无法定量分析；本项目实施完成后，还未发生过因过量喷氨造成空预器堵塞、尾部烟道腐蚀的情况。

（5）确保粉煤灰的品质。过量喷氨会增加飞灰中的NH3化合物，改变飞灰品质，当含量大于80 mg/kg就会影响飞灰的销售和利用。

4 结语

SCR脱硝喷氨自动优化是对脱硝运维的摸索和总结，我们利用脱硝化学反应物料平衡的原理，综合考虑并确定了NH3和NOx的摩尔比，结合传统的偏差控制，来建立模型；将流量测量结合机组负荷（指令）来确定NOx流量，进一步核算总量，其优点在于一定程度上克服了流量测量可能存在的不准确性和波动干扰，并具有一定的前馈功能；针对浓度控制系统的迟滞性（主要是烟气取样分析延迟），在锅炉侧寻找前馈信号，追求浓度变化与喷氨流量变化在反应区的时间一致性；充分考虑CEMS的测量、控制对自动的影响，并将相关信息组态到自动逻辑中，克服或尽可能地减小了干扰。通过该项目的实施，有效解决了鸭溪电厂喷氨自动效果不好的问题，一定程度上解放了运行人员，更重要的是对于机组安全和经济运行有显著的提升效果，而且为烟气达标排放提供了可靠的技术保障。