燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)智能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)探討

當(dāng)前，我國(guó)大氣污染狀況依然十分嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為煤煙型污染，城市大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標(biāo)，二氧化硫污染一直在較高水平，氮氧化物污染呈加重趨勢(shì)。煤炭消耗量不斷增加，在各類排放源中，電廠和工業(yè)鍋爐排放量占到70%，但脫硫脫硝行業(yè)尚處于起步階段，且技術(shù)主要依賴進(jìn)口。本文介紹了燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)智能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，探討通過(guò)改善氨逃逸、煙氣噴氨優(yōu)化等技術(shù)，形成符合我國(guó)國(guó)情的燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)清潔排放，污染物大幅度降低，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。未來(lái)，進(jìn)一步研究燃煤電廠煙氣污染物深度脫除技術(shù)及二氧化碳捕集技術(shù)等，最終實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣污染物的近零排放。

脫硝系統(tǒng)；智能控制；卡邊控制；氨逃逸

1 前言

當(dāng)前，我國(guó)大氣污染狀況依然十分嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為煤煙型污染，大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標(biāo)，二氧化硫污染一直在較高水平，氮氧化物污染呈加重趨勢(shì)。煤炭消耗量不斷增加，隨之帶來(lái)二氧化硫排放總量急劇上升，在各類排放源中，電廠和工業(yè)鍋爐排放量占到70%。我國(guó)目前在發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)除個(gè)別單位自行開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)外，絕大多數(shù)單位采用的SCR、SNCR煙氣脫硝技術(shù)尚處于引進(jìn)、消化吸收和初步應(yīng)用階段，企業(yè)的技術(shù)水平亟待提高。

2013～2015年，隨著環(huán)保要求的不斷提高，環(huán)保連發(fā)“三道金牌”，特別排放限值催生“超低排放”，燃煤電廠仍然是脫硫脫硝重點(diǎn)行業(yè)，促成燃煤電廠超低排放形成氣候。全國(guó)各大電廠紛紛進(jìn)行脫硫、脫硝和除塵技術(shù)改造，然而這些改造是分批分時(shí)進(jìn)行，造成脫硫、脫硝、除塵各行其道，各廠家各系統(tǒng)形成了設(shè)備孤島，互不關(guān)聯(lián)，孤島效應(yīng)使脫硫、脫硝和除塵不能完全發(fā)揮各自的功效，由此衍生出了一系列的問(wèn)題。如：各系統(tǒng)有各自的操作室，有各自的操作人員，造成了人員的浪費(fèi)，降低了工作效率；在實(shí)際生產(chǎn)工況發(fā)生變化時(shí)，不能快速做出調(diào)整，造成環(huán)保指標(biāo)波動(dòng)較大；操作大起大落，環(huán)保指標(biāo)一般控制在非常低的水平，造成脫硫劑、脫硝劑以及電能的浪費(fèi)。

近年來(lái)，國(guó)家通過(guò)多項(xiàng)科技項(xiàng)目部署了大量經(jīng)費(fèi)用于支持燃煤電廠大氣污染物控制理論提升及技術(shù)研發(fā)工作，在SO2、NOx、顆粒物等污染物控制方面取得了重大突破，為探索建立一套使燃煤電廠主要污染物排放達(dá)到排放限值的脫除技術(shù)提供了有力保障。SO2控制方面，發(fā)展了石灰石/石灰-石膏濕法、煙氣循環(huán)流化床法、海水法等脫硫技術(shù)，其中石灰石/石灰-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)在我國(guó)已投運(yùn)燃煤脫硫機(jī)組中占90%以上的份額，其脫硫效率一般可達(dá)95%以上；NOx控制方面，發(fā)展了有低NOx燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)、選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)和SNCR-SCR耦合脫硝技術(shù)等，其中SCR煙氣脫硝技術(shù)在我國(guó)已投運(yùn)燃煤脫硝機(jī)組中占95%以上的份額，其脫硝效率一般為70%～85%，最高可達(dá)90%以上；顆粒物控制方面，發(fā)展了靜電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵等除塵技術(shù)，其中現(xiàn)有近80%的火電機(jī)組安裝了靜電除塵器，而隨著近年電除塵技術(shù)及協(xié)同除塵處理技術(shù)的進(jìn)步，電除塵應(yīng)用正呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)SO2、NOx、顆粒物等多種污染物高效脫除與協(xié)調(diào)控制技術(shù)全智能集成研究，可以實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的超低排放。[1～5]

燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)智能優(yōu)化技術(shù)通過(guò)智能優(yōu)化控制技術(shù)、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)和故障容錯(cuò)及自愈控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)液氨蒸發(fā)溫度、煙氣噴氨和脫硝氨逃逸等控制回路長(zhǎng)期可靠的全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行。[6～10]

2 脫硝智能優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 液氨蒸發(fā)溫度自動(dòng)控制

液氨蒸發(fā)溫度自動(dòng)控制回路根據(jù)實(shí)際使用液氨流量和生成液氨量的差值，通過(guò)先進(jìn)控制模塊調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)液氨溫度的自動(dòng)控制，使使用液氨流量和生成液氨流量達(dá)到平衡。同時(shí)將鍋爐生產(chǎn)工況和氮氧化物的控制點(diǎn)作為前饋，對(duì)液氨蒸發(fā)裝置溫度實(shí)現(xiàn)超前補(bǔ)償，使控制效果更加平穩(wěn)，具體如圖1所示。

圖1 液氨蒸發(fā)溫度控制框圖

2.2 煙氣噴氨智能優(yōu)化控制

脫硝系統(tǒng)的噴氨優(yōu)化控制采用精細(xì)化的卡邊、分區(qū)、分級(jí)、預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制。

精細(xì)化控制：根據(jù)煙氣中所含有的氮氧化物的含量，結(jié)合環(huán)保排放的要求以及設(shè)定脫銷效率，精確計(jì)算當(dāng)前需要的氨氣量，通過(guò)串級(jí)控制算法，主調(diào)節(jié)為帶有分級(jí)（鍋爐生產(chǎn)工況如燃煤量、爐膛溫度、進(jìn)出口氮氧化物含量）計(jì)算需要的氨氣量作為設(shè)定值，副調(diào)節(jié)根據(jù)氨氣量設(shè)定值和實(shí)際的偏差值計(jì)算閥門(mén)開(kāi)度；

卡邊控制[11]：通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算統(tǒng)計(jì)每小時(shí)內(nèi)的均值，根據(jù)實(shí)際均值與環(huán)?？己松舷扌薷亩趸蚩刂苹芈返目刂泣c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)卡邊控制?？刂浦笜?biāo)既能滿足環(huán)保要求，又能將指標(biāo)控制在環(huán)保要求的上限，從而節(jié)約脫硫劑；根據(jù)環(huán)保要求的排放指標(biāo)的上限作為氮氧化物的控制指標(biāo)，由此，明顯減少氨逃逸。

預(yù)測(cè)控制：由于脫硝被控對(duì)象（NH3流量煙囪入口處NOx濃度）的響應(yīng)純延遲時(shí)間接近3分鐘，整個(gè)響應(yīng)過(guò)程達(dá)十幾分鐘，是典型的大滯后被控對(duì)象。帶有前饋回路的分區(qū)串級(jí)控制系統(tǒng)已可達(dá)到分區(qū)精細(xì)化控制目標(biāo)，但為實(shí)現(xiàn)噴氨量更優(yōu)控制，并使得控制目標(biāo)與環(huán)?？己四繕?biāo)相一致，按照環(huán)?？己颂攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化策略。選擇煙囪入口處NOx測(cè)量值作為控制目標(biāo)，即優(yōu)化的總噴氨量，煙道兩側(cè)SCR脫硝塔出口分區(qū)NOx測(cè)量值則通過(guò)的加權(quán)平均后作為參考校正，用于決定左右煙道各自的噴氨需求量。該預(yù)測(cè)控制采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在線辨識(shí)的方法，采用噴氨量、燃煤量、煙氣量作為系統(tǒng)的輸入，出口氮氧化物含量作為輸出，通過(guò)在線系統(tǒng)辨識(shí)，辨識(shí)出輸入與輸出的關(guān)系，根據(jù)當(dāng)前的噴氨量預(yù)測(cè)出口氮氧化物的含量，提前動(dòng)作，穩(wěn)定出口氮氧化物的含量。

圖2 噴氨智能控制框圖

分區(qū)控制：將分區(qū)串級(jí)控制系統(tǒng)加入上一級(jí)帶有前饋回路的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)各區(qū)域間NOx濃度偏差較小時(shí)，分區(qū)控制回路解除，利用同操器進(jìn)行同操控制，同操器輸出直接控制各區(qū)域噴氨閥門(mén)，以利增加調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速性；當(dāng)各區(qū)域內(nèi)NOx濃度偏差超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，同操自動(dòng)解除，控制系統(tǒng)自動(dòng)切入分區(qū)控制系統(tǒng)。利用優(yōu)化算法的控制策略，噴口出口處氨氣濃度分布更加均勻，還原劑的利用率將得到大幅提高，具體如上圖2所示。

2.3 兩側(cè)反應(yīng)器平衡協(xié)調(diào)

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)具有兩個(gè)脫硝反應(yīng)器的煙道脫硝系統(tǒng)，總的排放標(biāo)準(zhǔn)是達(dá)標(biāo)的，但單個(gè)反應(yīng)器排放可能是不達(dá)標(biāo)的，造成兩側(cè)催化劑的使用量及使用時(shí)限會(huì)造成差別，有效控制兩側(cè)反應(yīng)器的平衡，是對(duì)脫硝系統(tǒng)有效的診斷，達(dá)到自愈控制的目的，具體如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器平衡協(xié)調(diào)控制框圖

2.4 脫硝氨逃逸智能控制

2.4.1 氨逃逸現(xiàn)狀及危害

氨氣逃逸后和三氧化硫反應(yīng)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨在180℃～200℃的環(huán)境中呈“鼻涕”狀的粘性物，在空預(yù)器高溫段和低溫段處煙氣中的灰塵在該處容易和硫酸氫氨一塊極易粘附于空預(yù)器換熱面上，使空預(yù)器換熱元件臟污，降低空預(yù)器的換熱效果，從而排煙溫度升高，鍋爐效率降低。為減少脫硝裝置運(yùn)行時(shí)對(duì)鍋爐的影響，控制硫酸氫氨的生成量就顯得尤為重要。生成硫酸氫氨的反應(yīng)速率主要與溫度、煙氣中氨氣、SO3及水含量有關(guān)。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的火電機(jī)組，鍋爐煙氣中SO3及水的含量無(wú)法控制。因此，必須嚴(yán)格控制氨的逃逸率。[12]

2.4.2 氨逃逸智能控制

（a）正常運(yùn)行中嚴(yán)格控制氨的噴入量，防止氨氣過(guò)量而造成氨逃逸，正常情況下應(yīng)控制氨逃逸率不超過(guò)3ppm?？刂粕蠈?shí)行噴氨卡邊控制，有效控制氨的噴入量。

（b）鍋爐正常運(yùn)行中通過(guò)開(kāi)大低氮燃燒器燃燼風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，降低SCR脫硝裝置入口NOx指標(biāo)，從而達(dá)到既滿足環(huán)保要求，又減少了噴氨量。從鍋爐的協(xié)同控制上，降低氮氧化物的生成量。

（c）正常運(yùn)行中脫硝出口氮氧化物排放不能高于50mg/Nm3，AB兩側(cè)偏差不大于15mg/Nm3。利用兩側(cè)反應(yīng)器協(xié)同平衡技術(shù)，保證兩側(cè)的氮氧化物濃度偏差，避免造成一側(cè)過(guò)大，噴氨量過(guò)大造成的氨氣逃逸問(wèn)題。

（d）加強(qiáng)空預(yù)器進(jìn)、出口差壓的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)空預(yù)器進(jìn)、出口差壓增大時(shí)及時(shí)自動(dòng)減少噴氨量，增加空預(yù)器低溫段的吹灰次數(shù)。

3 解決的問(wèn)題

燃煤機(jī)組脫硝裝置優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)的成功研發(fā)，將解決以下問(wèn)題：

（1）極大地降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)環(huán)保島系統(tǒng)的準(zhǔn)無(wú)人化操作，提高工作效率和安全生產(chǎn)水平；

（2）實(shí)現(xiàn)脫硫劑、脫硫島內(nèi)溫度和脫硫島內(nèi)床壓的自動(dòng)控制，明顯提高對(duì)應(yīng)指標(biāo)的控制精度；

（3）實(shí)現(xiàn)環(huán)保島裝置的集中操作，將多臺(tái)鍋爐脫硫脫硝設(shè)備實(shí)現(xiàn)集成智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)所有環(huán)保在線實(shí)時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多裝置間的及時(shí)協(xié)調(diào)和控制，使控制指標(biāo)的合理、平穩(wěn)；

（4）實(shí)現(xiàn)控制指標(biāo)卡邊控制，在滿足煙氣SO2排放指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)脫硫劑用量最少，電耗下降；

（5）實(shí)現(xiàn)脫硝裝置的及時(shí)有效調(diào)控，控制指標(biāo)合理穩(wěn)定，減少氨逃逸，使換熱器效率進(jìn)一步提升，提高了鍋爐效率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，人均用能水平的不斷提高，以及對(duì)空氣質(zhì)量改善的需求，未來(lái)大氣污染物排放要求必將日趨提高。在新能源發(fā)展尚不能滿足我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求時(shí)，火電機(jī)組脫硫脫硝技術(shù)是我國(guó)目前能源客觀條件下的必然選擇。尤其是在人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的重點(diǎn)地區(qū)，更清潔的煤炭發(fā)電技術(shù)是未來(lái)燃煤電廠發(fā)展與立足的必由之路。

當(dāng)前在我國(guó)能源資源短缺和節(jié)能減排雙重約束下，發(fā)展清潔煤技術(shù)是當(dāng)前我國(guó)重大戰(zhàn)略需求，智能優(yōu)化控制技術(shù)最新的研究和工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)煤電產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排，是我國(guó)大氣污染防治的一條重要可持續(xù)發(fā)展路線。

燃煤清潔發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際能源環(huán)境領(lǐng)域的戰(zhàn)略性前沿課題之一，也是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一。針對(duì)我國(guó)大氣污染治理的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，通過(guò)燃煤煙氣污染物超低排放的新思路，實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等多種污染物排放達(dá)到或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)排放水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

[1] 岑可法, 倪明江, 高翔, 等. 煤炭清潔發(fā)電技術(shù)進(jìn)展與前景[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2015, 17 ( 9 ) ： 49 - 55.

[2] 謝克昌, 等. 中國(guó)煤炭清潔高效可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用戰(zhàn)略研究[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2014.

[3] 陳吉寧. “十二五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)成就報(bào)告 [R]. 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部, 2015.10.

[4] 楊家軍, 鐘婷姍. 超凈排放中半干法脫硫配套布袋除塵器的優(yōu)化[J]. 華電技術(shù), 2016, 38 ( 9 ) ： 8 - 9, 22.

[5] 張軍, 張涌新, 鄭成航, 等. 復(fù)合脫硫添加劑在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中的工程應(yīng)用[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014, ( 9 ) ： 2186 - 2191.

[6] 岑可法. 循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 1998.

[7] 夏青林, 于現(xiàn)軍. 中溫返料CFB鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型研究[J]. 自動(dòng)化博覽, 2011, 24( 7 ) ： 82 - 84.

[8] 王凱亮, 李善龍, 汪洋, 等. 燃煤電廠環(huán)保島煙氣超低排放技術(shù)[J]. 華電技術(shù), 2016, 38 ( 9 ) ： 4 - 7, 77.

[9] 俞金樹(shù). 基于BCS的故障容錯(cuò)及自愈控制技術(shù)在CFB鍋爐上的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化博覽, 2010, 12 ： 58 - 62.

[10] 徐甸, 周燦, 吳賀之, 等. 燃煤機(jī)組超低排放環(huán)保島費(fèi)效評(píng)估對(duì)比分析[J]. 能源工程, 2016, 4 ： 56 - 62, 73.

[11] 王永初. 論過(guò)程控制系統(tǒng)的次優(yōu)化方法(Ⅲ)極值卡邊次優(yōu)化系統(tǒng)[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1996, 1 ： 52 - 55.

[12] 馬雙忱, 陳公達(dá), 溫佳琪, 等. 氨法脫碳過(guò)程中氨逃逸規(guī)律及其抑制[J]. 化工學(xué)報(bào), 2016, 5 ： 2064 - 2069.

Discussion on Intelligent Optimization Key Technology for Denitration System of Coal-f i red Unit

In recent years, air pollution is very serious, mainly manifested as soot pollution. The concentration of total suspended particulate matter in urban atmospheric environment generally exceeds the standard, and the pollution of SO2has been at a high level. Coal consumption continues to increase, in various types of emission sources, power plants and industrial boilers account for 70% of emissions. Desulfurization and denitration industry is still in its infancy, and technology is mainly dependent on imports. This work introduces the intelligent optimal control idea of thermal power unit denitration system. By improving the ammonia escape andoptimal technology, we attempt to form the ultra-low emission technology roadmap of flue gas pollutants in line with national conditions, and achieve clean emissions. It is possible to achieve a substantial reduction of pollutants with good environmental, economic and social benefits. In the future, the further research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants. This work discusses the existing problems of environmental Island, through the side control and ammonia escape technology can achieve a substantial reduction of pollutants, with good environmental, economic and social benefits. In the future, the research will focus on deep control of various pollutants and high-efficiency CO2capture technology in coal-fired power plants, and finally achieve the near zero emission of coal-fired flue gas pollutants.

Denitration system; Intelligent control; Borderline control; Ammonia escape

俞金樹(shù)（1960-），男，福建莆田人，高級(jí)工程師，本科，現(xiàn)任福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司總經(jīng)理，主要研究方向熱電廠生產(chǎn)運(yùn)行和技術(shù)管理、過(guò)程控制技術(shù)等。

B

1003-0492(2017)04-00104-04

TP273

★俞金樹(shù)（福建省鴻山熱電有限責(zé)任公司，福建 石獅 362712）