火电厂脱硝系统控制分析及优化.pdf

第 3 7卷 第 2期 2 0 1 5年 2月 华 电技 术 Hu a di a n Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 7 No ． 2 F e b． 2 Ol 5 火 电厂脱硝 系统控 制分析及优化 倪新宇 中国华电集团公司望亭发电厂， 江苏 苏州2 1 5 1 5 5 摘要 介绍了选择性催化还原法 S C R 脱硝的原理及工艺 流程 ， 论 述了脱硝 系统测量 数据的处理 原则 ， 针对 原控制逻 辑的不足进行了优化 ， 找到了一个既能控制 N O 脱除， 又能控制氨逃逸的控制策略， 使调节品质明显提高。 关键词 烟气脱硝； 喷氨控制； 前馈控制 ； 氨逃逸率 ； 调节品质 中图分类号 T M 6 2 1 ． 7 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 5 0 2 0 0 6 5 0 3 0 引言 自2 0 0 6年开始， 我国燃煤机组已逐步投运脱硝 系统 ， 典型火电机组具有脱硝、 除尘、 脱硫三大烟气 净化环保设施 。G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 火 电厂大气 污染 物排放标准 要求 ， 从 2 0 1 2年 1月 1日起 ， 新建火电 机组 N O 排放质量浓度控制 在 1 0 0 m g ／ m 以下 ； 在 环保重点地 区 ， 要求 2 0 1 3年完成 火 电机组脱硝 改 造 ， 机组 N O 排放质量浓度不超 过 1 0 0 mg ／ m 。鉴 于治霾形势严峻 ， 有的机组已设定 5 0 m g ／ m 的排放 目标。 选择性催化还原法 S C R 脱硝是 目前国内外火 电机组应用比较广泛的一种烟气脱氮技术 ， 但在应 用上还有诸多不完善 的地方 ， 本文将根据工作实践 提 出控制方面 的优化建议。 1 S C R脱硝 工艺 S C R脱硝系统按设备所在区域和功能 ， 分为储 氨区 氨站 和脱硝区 反应器 ， 脱硝系统在燃煤 电 厂中的布置情况如图 1所示。 图 1脱硝 系统在燃煤 电厂 中的布置示意 1 ． 1 脱硝 原 理 氨气先与 2 0倍 于 自己体积 的空气混 合 ， 再 与 3 2 0 4 2 0 ℃的烟气混合， 然后通过催化剂完成脱硝 反应。影响反应的主要因素为活性区域因子 比表 面积 、 孔体积和活性成分浓度 的函数 、 烟气温度和 收稿 E t 期 2 0 1 4 0 6 0 5 ； 修 回 日期 2 o 1 41 o一1 0 反应物浓度。 脱硝过程发生的主要化学反应为 4 N O 4 N H 3 0 2 4 N 2 6 H2 0 ， 1 N ON O 2 2 N H 3 2 N 2 3 H2 0。 2 反应 1 为主要反应 ， 烟气中氧量为 2 ％ 即可满 足反应 需求 。但在 实 际反应 中， 为达 到所要 求 的 N 0脱除率， 需要多喷入适量 N H 来补偿混合的不 均匀性 。 1 ． 2 储 氨站 生产 工艺 流程 储氨站主要生产工艺流程如 图2所示。除主要 工艺流程外 ， 还设置 了事故氨吸收及液氨储罐 降温 冷却水循环等辅助系统。液氨储罐设置了液位高低 报警装置并与卸氨压缩机联锁， 控制卸氨压缩机的 启停 ； 气化缓冲系统根据蒸发的氨气温度控制电加 热器或加热蒸汽， 应对供应氨气流量 的变化设 置压 力 自动调节阀 ， 整个工艺流程 自控化水平较高 ， 可以 实现无人值守。 国 T f ’ 图 2 储 氨站生产工艺流程 1 ． 3 S C R脱硝装置各系统的作用 1 氨的喷射系统。来 自储 氨站的氨气经过氨 气流量调节阀和鼓风机的空气 以 1 2 0以下的比例 进入混合器混合 ， 混合均匀后经氨气喷嘴均匀喷人 S C R入 口烟道。 2 烟气系统 。包括省煤器出 口烟道到 S C R反 应器入口和 S C R出 口到空气预热器进 口烟道 ， 要保 证烟气流速的均匀性 。 3 S C R反应器。包含反应器壳体、 催化剂、 壳 体内部所包含的支撑结构、 烟气整流装置、 密封装 置 、 反应器的平 台扶梯等 ， 是发生化学反应的场所。 4 吹灰系统。包括吹灰系统所有设备部件 、 相 关阀门管路系统、 控制设备等， 采用声波吹灰器清灰。 6 6 华 电技 术 第 3 7卷 1 ． 4 氨气逃逸控制要求 1 ． 4 ． 1 氨气逃逸的危害 氨气 逃 逸 后 与 s O 反 应 生 成 N H H S O ， 在 1 5 0～ 2 0 0 o C 时为黏性残余物， 在空气预热器 以下 简称空预器 冷端沉积 ， 造成堵塞 和腐蚀。 以空预 器 为 例 ，国 外 经 验 表 明，当 氨 气 残 余 量 大 于 0 ． 0 1 0 ％ o 时， 必须 1 ～ 2 周对其进行一次全面清洗， 否则空预器许多部件的寿命 只有 2个月左右。但应 用氨气残 余分 析仪之后 ， 可将 氨 气残余 量控 制在 0 ． 0 0 3 ％ o以内， 这样每年只要 进行一次清洗就可保 证空预器正常使用。 1 ． 4 ． 2 控制氨气逃逸量的作用 1 准确的氨气逃逸率读数是监控脱硝系统正 常工作的一个重要参数 ， 可用来控制脱硝系统正常 工作 ， 避免增加空预器阻力 ， 甚至造成腐蚀。 2 氨气逃逸率的精准计量可用来延长 S C R中 催化剂的使用时间， 从而经济地更换下一批催化剂 。 3 预估催化剂 的更换和再生时间。由于催化 剂的制造和交货周期都比较长， 可采用 S C R以外的 方法提高脱硝能力， 延长催化剂寿命。 2 脱硝系统测量数据的处理 由于一般采用抽取冷凝干燥后烟气进行分析的 方法 ， 所以仪表输 出数值 已为干标态浓度 ， 不需换 算 。标准中所规定 的大气污染物浓度均指标准状态 下干烟气的数值， 简称“ 干标态” 。 在 S C R反应器前后 烟道上测量 N O 浓度时， 一 般烟气在线连续监测系统 C E M S 可测量出采样气体 中 N O的浓度 ， 或者测量 出 N ON O 的浓度。在脱 硝工艺中， N O占N O 的大多数， 测量前者 即可， 如果 是排放检测， 就要求测全氮， 即N O N O 。为了方便 环保监测数据的上传比较， 我国统一以干标态的 N O 计算浓度代表 N O 浓度。由于大气污染物排放指标 是以基准氧含量折算后的浓度， 所 以， 在脱硝工艺的 监控中还需将干标态的浓度进行基准氧含量折算。 烟气脱硝过后的氮氧化物， 在现有空预器 、 除尘 器 、 脱硫工艺 中只有少量损失 ， 绝大部分 由烟囱排 放 。为了控制排放浓度 ， 应使 S C R工艺统一以环保 标准计量 N O 。 3 脱硝系统顺序控制逻辑 3 ． 1 控制设备 1 稀释风机 A ／ B 。 2 反应器氨气速关阀。 3 ． 2设备控制 锅炉送风机启动后 ， 手动启动稀释风机 ； 锅炉弓 风机停止后 ， 手动停止稀释风机。 3 。 2 ． 1 稀释风机 启动允许条件 A N D 1 无故障信号； 2 稀 释风机 A远程启动允许。 联锁开 O R 以稀释风机 A作为备用为例 1 稀释风机 B运行且 A ／ B两侧任一空气流量小于 定值 为单台反应器 8 ％氨额定体积浓度下稀 释风量 ， m ／ h ； 2 稀释风机 B故障停运 。 联锁停 o R 1 稀释风机任一轴承温度大于 9 5℃ ， 延时 3 s 温度坏点除外 ； 2 稀释风机运行 且稀释风机进任一氨／ 空气混合器流量小 于 ， 延 时 1 0 s 定值 为单台反应器 1 6 ％氨额定体积浓度 下稀释风量 ， r n ／ h ； 3 稀释风机电气故障。 3 ． 2 ． 2 反应器氨气速关阀 启动允许条件 A N D 1 反应器入 口烟气温 度大于3 1 5 ℃的3取 2逻辑 定值为脱硝运行温度 下限 ； 2 稀释风进 1 4 A侧混合器流量正常 ， 即大 于 定值 为混合气体 5 ％氨额定体积浓度下稀 释风量 ， m ／ h ； 3 锅炉无主燃料跳 闸 MF T ； 4 至少 1台稀释风机在运行 ； 5 至少 1台引风机在 运行； 6 无联锁关条件 ； 7 反应器氨气供应压力 大于 1 2 0k P a 。 联锁关 O R 1 引风机均未运行 ； 2 稀释风 机均未运行 ； 3 稀释风机混合器流量小于 定值 为混合气体 1 0 ％氨额定体 积浓度下稀 释风量 ， m ／ h ； 4 反应器人 12 I 烟气温度小于 3 1 0 o C， 延时 5 s 3取 2任一温度低于 3 1 5 o C报警 ； 5 反应器入 口烟气温度大于4 3 0 o C， 延时 5 s 3取 2任一温度高 于 4 2 0℃报警 ； 6 锅炉 MF T 。 3 ． 2 ． 3 其他 1 反 应 器脱 硝 后 烟 气 N H。体 积 分 数 高 于 0 ． 0 0 3 ％ o高报警 、 高于 0 ． 0 0 5 ％ 0高高报警。 2 脱硝 C E MS数据的处理。C E MS在 自动吹 扫 、 维护、 故障时 N O 和 O 浓度信号不做保持 ； 在 喷氨自 动回路中可根据需要做必要保持， 以不影响 脱硝运行为准 。 4 S C R脱硝控 制 氨站的氨气缓冲罐压力由蒸发器出口调节阀控 制 ， 保证供气母管压力稳定在 0 ． 2 MP a ； 反应器的氨 气流量 由控 制 阀调节 ， 目标是 控制 好烟 囱排 放 口 N O 的浓度。由于烟气中难溶于水的 N O占 N O 的 9 5 ％以上 ， 所 以， 只要控制了 S C R出口的 N O浓度就 能保证排放达标 。 喷氨控制 的两个 目标 一 是控制 S C R 出 口的 N O 浓度不超标 ， 二是控制氨气逃逸率不超标。 第 2期 倪新宇 火电厂脱硝 系统控制分析及优化 6 7 根据脱硝原理 ， 喷氨 自动控制系统 的调节 品质 越好 ， 氨气逃逸率越接近 S C R固有的最小量， 这样 可使空预器冷端产生的硫酸氢铵最少 ， 最 大限度地 减少空预器阻力增加 ， 从而减少检修和厂用 电率 ， 提 高机组发电效率 。 4 ． 1 单回路控制 单 回路控制系统如图 3所示 ， 假设在锅炉输 出 N O 总量稳定的情况下， 单回路控制可以满足要求。 由于测量仪表及实际工况的影 响 ， N O 浓 度的变化 速率和幅度随着 时间的推移变化较大 ， 这时 比例增 益不能适应 ， 微分作用不能用 ， 控制效果很不理想 。 图 3单回路控 制原 理 4 ． 2 单回路变参数控制 在单 回路控制的基础上做了如图4所示的改进 ， 增加与负荷变化相适应 P， D参数。随着负荷 的减 小 ， N O 浓度增加 ， 系统产生了等幅振荡 ， 还是不能适 应 5 0 ％ 一1 0 0 ％的负荷变化 ， 控制效果无明显好转。 图 4单回路变参数控制原理 4 ． 3 前馈控制 在 3 0 0 MW 燃煤供热机组 的脱 硝改造 中， 采用 S C R入口N O 浓度为干扰信号 如图5所示 ， 取消 了 P I D变参数功能 ， 采用干扰信号作为控制器前馈 ， 直接调整喷氨调 门大小 ， 通 过开环控制 ， 快速 响应 NO 的浓度变化 ， 喷氨 阀位 、 流量随入 口 N O 浓 度 变化而调节， S C R出口 N O 质量浓度控制在 4 5 7 ． 5 mg ／ m ， 基本消除 了振荡 ， 实现 了稳定控 制， 脱 硝氨逃逸率也能稳定在 0 ． 0 0 1 5 ％ 0 左右。 图5 前馈控制原理 4 ． 4 物质平衡前馈控制 在前馈控制 的基础上 ， 运用脱硝选择性还原方 程 ， 得到喷氨流量与 S C R入 口 N O 总量相匹配的原 理 如图 6所示 ， 采用测量相对稳定可靠的锅炉总 风量乘以S C R入 口的N O 浓度， 作为前馈控制器的 输人信号， 使得前馈控制的量既能够适应燃烧质量 的变化 ， 又能适应燃烧负荷的变化 ， 使 S C R出口浓 度过调量小、 稳态精度高， 脱硝氨逃逸率也能稳定在 0 ． 0 0 1 5 ％ 0 左右， 控制总体平稳。 图 6 物质平衡前馈控制原理 4 ． 5 适应全工况的控制 由于 C E MS维护频繁 ， 通常 的办法是改为手动 控制， 当仪表发出故障时， 自动切到手动控制。当机 组运行稳定时 ， 这种方式可维持脱硝系统正常运行 。 但 由于燃烧工况突变 ， N O 浓度在短时间 内的变化 较大， 运行人员难以控制， 来不及应对， 致使排放浓 度超标或氨逃逸率超限。 为此 ， 设计 了如图7所示的特殊控制方式 ， 作为 正常控制 的补充 ， 采用条件切换实现。可满足 2 0 1 4 年 5月新考核办法的要求 ， 在脱硝 C E MS维护 、 消缺 中也能实现正常的脱硝运行， 达到既能控制氨逃逸， 又能减排 的目的。 图 7特殊控 制方式设计 当 S C R人 口 N O 浓度仪表故障或定期维护时， 可 以切除前馈控制功能 ； 当 S C R出口N O 浓度仪表 故障或定期维护时， 可以切换到氨逃逸率闭环控制 如图 7所 示 的脱 硝 系统 ， 将 氨 逃 逸 率 设 定 在 0 ． 0 0 1 5 ％ 0 ， 再加上机组排放 口烟 囱处 N O 的大延迟 闭环控制， 当氨逃逸率检测仪表工作不稳定时， 可仅 用烟囱处 N O 的大延迟闭环控制。 5 结束语 实践表明 ， 优化前馈控 制可使 下转 第7 5页 第 2期 张荣禄 移动极板技 术在火电厂除尘器改造 中的应用 7 5 电机， 移动电极移动速度为0 ． 1 1 ． 0 m ／ ra i n 。 1 2 极线 。极线 极 间距 同样为 4 5 0 m m， 采用 4 4不锈钢方型线 。 1 3 阴极振打系统 。驱动选用立式减速 电机 ， 功率为 0 ． 3 7 k W， 安装在壳体屋顶， 驱动凸轮、 振打 锤对阴极框架做周期性振打 ， 以达到清灰的 目的。 1 4 钢刷 与钢刷驱动 系统。钢刷 由不锈钢丝 与钢刷轴焊接成形 ， 按专用工艺制造并做时效试验 ； 驱动选用变频减速 电机 ， 安装在烟气流通区域下 的 壳体外部 ， 钢刷轴旋转方 向与极板运动方向相反。 1 5 链 条。移动 电极驱动选 用专用 的宽节距 套筒滚子链 。 4 改造后效果评估 从表 2可以看出 ， 在 3 0 0 MW 负荷测试工况下 ， 当除尘器进 口质量浓度为 1 7～2 1 g ／ m 时 ， 1 0机组 除尘器 出 口粉 尘质 量 浓度 分别 为 1 7 ． 1 3 ， 2 5 ． 6 7 ， 2 2 ． 6 6和 3 2 ． 7 3 m g ／ m 。 经实际测试 ， 脱 硫塔出 口粉 尘排放质量浓度为 2 4 ． 6 6 mg ／ m ， 修正至 6 ％氧量后 排放质量浓度为 2 3 ． 8 6 m g ／ m ●0● ●- C ●●● 0●o‘ ● ●o‘● 上接 第 6 7页 调节品质明显提高 。为了使 N O 进 一 步减排 ， 在保证氨逃逸率在允许范围内的情况下 ， 大幅降低 S C R出口N O 浓度， 需以 S C R性能测试 为前提 ， 实践 以 S C R出口 N O 闭环控制为主、N H ， 逃逸参与闭环控制的运行方 式， 优化得到一套行之 有效的控制策略。 本文责编 白银雷 作者简介 倪新宇 1 9 7 O 一 ， 男 ， 江苏苏州人 ， 工程师， 从事热工测 量与控制技术方面的工作 E - m a i l c h d w d n x y 1 6 3 ． t o m 。