300MW亞臨界機組SCR脫硝自動控制優(yōu)化淺析

華能國際電力股份有限公司德州電廠 張?zhí)m慶 戴 暉 劉書杰

隨著國家對超低排放概念的提出，NOx排放標準較現(xiàn)行《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13233-2011）大幅下降50%，限定為50mg/m3之下，各地環(huán)保局對火力發(fā)電機組NOx排放考核方式基本采用最終排放出口煙囪實時測量值，取小時平均不大于50mg/m3，適當允許瞬時超標。實際考核中，隨著國家對環(huán)境保護意識的提高，部分省份已逐步要求火力發(fā)電機組提高自身NOx控制水平，逐漸杜絕瞬時超標現(xiàn)象。

當前降低燃煤鍋爐NOx排放的技術(shù)路線主要分為兩種：一是通過低氮燃燒技術(shù)控制煤燃燒過程中NOx（NOx含量）的生成；二是通過煙氣脫硝技術(shù)對已生成的NOx進行處理，具體又可分為SCR（催化性還原）技術(shù)和SNCR（非催化性還原）技術(shù)。由于低氮燃燒技術(shù)對NOx的脫除效率僅有25～40%，大型燃煤鍋爐單純依靠這種技術(shù)顯然無法滿足最新的環(huán)保法規(guī)標準，煙氣脫硝逐漸被采用，而煙氣脫硝技術(shù)中SCR脫硝效率最高，已被大量成功應用于國內(nèi)外燃煤電站。

華能德州電廠4號機組為國產(chǎn)300MW亞臨界供熱機組，擴容后最大出力330MW，鍋爐已進行SCR脫硝整體改造，改造后脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)投運至今，但由于煤質(zhì)變化及脫硝調(diào)節(jié)測點（脫硝出口NOx含量）設(shè)計為單點取樣，調(diào)節(jié)品質(zhì)一直不太理想，嚴重影響脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，機組環(huán)保壓力較大。

1 系統(tǒng)概況

華能德州發(fā)電廠4#機組為國產(chǎn)300MW亞臨界發(fā)電機組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，型號為300MWHG1025/182-M，擴容改造后最大出力為330MW。#4機組脫硝自動控制方式下，由于煤質(zhì)的來源復雜性和燃燒工況的特殊性，主要碰到如下問題：

受制于燃煤市場價格波動因素，入爐煤質(zhì)變化頻繁，燃料含氮量的大幅變化必然會反應燃料型NOx含量的生成，同時煤質(zhì)變化勢必對過剩空氣系數(shù)需求不一樣，在同樣過?？諝庀禂?shù)下則必然產(chǎn)生不一樣的NOx含量生成量，最終影響到機組SCR脫硝NOx含量控制調(diào)節(jié)品質(zhì)；機組大機組負荷變動時，出于對AGC控制的響應，鍋爐需要在主力燃燒區(qū)間保持富氧增強燃燒，同時需在機組負荷變動時超調(diào)大量煤量，而主力燃燒區(qū)間溫度則勢必上漲，熱量型NOx含量大量生成，低氮燃燒技術(shù)被抑制，最終影響到機組SCR脫硝NOx含量控制調(diào)節(jié)品質(zhì)；由于空預器堵塞，煙氣流場不均導致NOx含量單測點失真，測點失真后脫硝調(diào)節(jié)系統(tǒng)大幅開關(guān)噴氨閥，煙囪出口NOx含量控制不穩(wěn)定導致氨逃逸增大，又容易引起空預器堵塞，加劇煙氣流場不均，造成惡性循環(huán)。

#4機組脫硝自動控制系統(tǒng)受制于以上原因經(jīng)常需運行人員干預操作，不僅增加了運行人員的工作，而且當鍋爐運行工況發(fā)生改變時不能及時動作，造成煙囪出口NOx含量不能有效穩(wěn)定控制，濃度超標或遠低于環(huán)保標準運行，增加運營成本和催化劑中毒機率，當機組負荷變動劇烈時更是不能滿足要求。

2 優(yōu)化方案

#4機組SCR脫硝自動控制系統(tǒng)的原始控制策略采用固定摩爾比單回路控制方式，脫硝效率和SCR進口NOx含量含量通過對脫硝進口煙氣流量的計算得到，同時計算出還原該部分NOx含量所需氨量的需求值，以實際測量得到的液氨流量作為實際的反饋，兩者間的實際偏差引進到PI控制中，這樣所得到的對噴氨調(diào)節(jié)閥的開關(guān)命令[1]。

#4機組SCR脫硝自動控制系統(tǒng)未優(yōu)化前，煙囪出口NOx含量在機組大范圍機組負荷變動時波動較大，經(jīng)常性超過50mg/m3，最高值能達到85mg/m3，為了保證環(huán)?？己酥担焽璩隹贜Ox含量小時均值）不超標，運行人員不得不采取暫緩負荷變動、手動調(diào)整噴氨閥門等方式來控制煙囪出口NOx含量，如圖1。其中曲線1～9（7為發(fā)電機功率）分別為脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機組負荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令。

通過對#4機組歷史曲線和原有脫硝自動控制策略分析，發(fā)現(xiàn)機組煙囪出口NOx含量波動主要發(fā)生在以下情況：

機組機組負荷變動及啟停磨階段，由于現(xiàn)有控制策略中前饋部分只有SCR進口NOx含量信號，該信號與脫硝出口NOx含量變化趨勢幾乎同步，很難起到提前動作效果，煙囪出口NOx含量波動較大；機組負荷穩(wěn)定時，由于現(xiàn)有控制策略為效率模式下固定摩爾比控制，消除偏差能力較弱，往往與設(shè)定值偏差由10mg/m3回復到設(shè)定值±3mg/m3以內(nèi)的時間需要30分鐘至50分鐘不等，系統(tǒng)快速性嚴重不足，運行人員在此情況下，長期只能將脫硝出口NOx含量設(shè)定在較低的30mg/m3左右，以避免環(huán)保考核超限。

煙囪出口NOx含量與脫硝出口NOx含量偏差較大且具有明顯非線性現(xiàn)象，該現(xiàn)象應為煙氣流場不均所造成，往往脫硝出口NOx含量變化10mg/m3，煙囪出口NOx含量在延時3分鐘后能變化20mg/m3左右，當系統(tǒng)進入煙氣流場嚴重不均狀態(tài)時，脫硝出口NOx含量會大幅波動，進而影響最終煙囪出口NOx含量的穩(wěn)定；脫硝出口NOx含量吹掃時，由于現(xiàn)有控制策略僅僅按脫硝入口NOx含量估算噴氨閥門開度，導致吹掃結(jié)束后脫硝出口NOx含量會大幅波動且穩(wěn)定時間很長。結(jié)合#4機組SCR脫硝自動控制系統(tǒng)運行實際情況及環(huán)保NOx相關(guān)規(guī)定，決定從以下方面對脫硝自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化一

效率模式下的固定摩爾比控制策略對脫硝出口NOx含量的一般性波動調(diào)節(jié)較慢，不利于脫硝出口NOx含量調(diào)節(jié)的快速性及穩(wěn)定性，針對此現(xiàn)象采取措施為將原有控制策略中基于固定摩爾比的單回路控制修改為串級控制：主調(diào)控制脫硝出口NOx含量，副調(diào)控制噴氨流量，同時對噴氨流量進行下限設(shè)置，避免由于噴氨壓力的變化導致噴氨閥門線性變化帶來的NOx含量波動。

2.2 優(yōu)化二

脫硝出口NOx含量測量值均采用單測點測量方式，取樣點僅能抽取鍋爐煙道某一局部的煙氣進行分析，而由于空預器堵塞導致煙氣流場不均等現(xiàn)象，脫硝出口NOx含量取樣不能有效反應整個煙道內(nèi)NOx含量分布情況，經(jīng)過脫硫裝置煙氣混合后，煙囪出口NOx含量經(jīng)常與脫硝出口NOx含量發(fā)生較大偏差，為維持煙囪出口NOx含量在某一定值附近，須不斷根據(jù)實際工況調(diào)整脫硝出口NOx含量設(shè)定值，采取措施為增加煙囪出口NOx含量小時均值，對脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能：

當煙囪出口NOx含量小時均值低于45mg/m3且越過調(diào)節(jié)死區(qū)時，以積分形式逐步提高脫硝出口NOx含量設(shè)定值直到煙囪出口NOx含量小時均值維持在45mg/m3左右；當煙囪出口NOx含量小時均值高于45mg/m3且越過調(diào)節(jié)死區(qū)時時，以積分形式逐步減小脫硝出口NOx含量設(shè)定值直到煙囪出口NOx含量小時均值維持在45mg/m3左右，消除煙氣流場不均對NOx含量調(diào)節(jié)的影響，調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為±2mg/m3，當煙囪出口NOx含量小時均值在調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)波動時（即煙囪出口NOx含量小時均值處于45±2mg/m3），脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能不啟用，其修正值保持當前值，當煙囪出口NOx含量小時均值越過調(diào)節(jié)死區(qū)范圍時（即煙囪出口NOx含量小時均值越過45±2mg/m3），脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能啟用，其修正值以積分形式增減，直至煙囪出口NOx含量小時均值再次處于調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)。

2.3 優(yōu)化三

機組負荷變動時，原來的控制策略僅采用脫硝入口NOx含量為前饋，此信號由于在時延性上與脫硝出口NOx含量幾乎處于同步狀態(tài)，因此無法有效產(chǎn)生提前量效果，反而在負荷變動后期容易造成脫硝出口NOx含量大幅波動，針對此現(xiàn)象，采取措施為增加機組負荷變動前饋信號：第一路取鍋爐總風量指令信號經(jīng)過線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號1；第二路取機組目標負荷指令信號經(jīng)過線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號2；第三路取脫硝入口NOx含量值乘以脫硝入口NOx含量的微分值，經(jīng)過線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號3；該三路機組負荷變動前饋經(jīng)過權(quán)重分配后進行疊加，在機組負荷變動時提前變動需氨量，進而控制噴氨閥門提前動作，保證機組負荷變動時NOx含量不會大幅波動。

2.4 優(yōu)化四

脫硝A/B側(cè)出口NOx含量在吹掃維護時，CEMS系統(tǒng)為避免吹掃維護時NOx含量信號歸零，會將NOx含量閉鎖在當前值，一般吹掃時間為7至10分鐘不等，在吹掃結(jié)束后NOx含量恢復為正常測量，在整個吹掃閉鎖過程中，一旦出現(xiàn)負荷變動或燃燒工況變化，脫硝出口NOx含量無法進行正常調(diào)節(jié)，在吹掃結(jié)束后往往脫硝出口NOx含量會發(fā)生較大波動，不利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

針對此現(xiàn)象，采取措施為將脫硝A/B側(cè)入口NOx含量、脫硝A/B側(cè)出口NOx含量吹掃維護時間進行奇偶點錯時吹掃，當脫硝A/B側(cè)出口NOx含量吹掃維護時，閉鎖住此時相應脫硝A/B側(cè)入口NOx含量和脫硝A/B側(cè)出口NOx含量的偏差，再疊加上脫硝A/B側(cè)入口NOx含量經(jīng)過線性處理及慣性環(huán)節(jié)后形成模擬脫硝A/B側(cè)出口NOx含量進行吹掃維護時的調(diào)節(jié)，避免當脫硝出口NOx含量信號吹掃維護時所發(fā)生的劇烈波動，在吹掃維護結(jié)束后能快速穩(wěn)定脫硝出口NOx含量。

2.5 優(yōu)化五

機組磨煤機啟停時NOx波動較大，針對此現(xiàn)象，采取措施為取各磨組運行方式信號經(jīng)權(quán)重校正及慣性環(huán)節(jié)后，形成啟停磨需氨量信號。當起磨時，根據(jù)不同磨組對脫硝出口NOx含量變化影響，以不同的速度、幅度、時間增加需氨量；當停磨時，根據(jù)不同磨組對脫硝出口NOx含量變化影響，以不同的速度、幅度、時間減少需氨量，減弱機組啟停磨對NOx含量的沖擊。

3 優(yōu)化后投運效果

通過對德州電廠#4機組SCR脫硝NOx調(diào)節(jié)系統(tǒng)原有控制策略進行相應修改、控制參數(shù)優(yōu)化后，脫硝NOx（NOx含量）調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和快速性大幅提升，機組負荷穩(wěn)定時煙囪出口NOx含量能穩(wěn)定控制在設(shè)定值±5mg/m3，機組變負荷及啟停磨時煙囪出口NOx含量能有效控制在設(shè)定值±10mg/m3，在運行人員控制煙囪出口NOx含量目標為42mg/m3時，完全可滿足目前環(huán)保對煙囪出口NOx含量小時平均值低于50mg/m3的需求，同時對煙囪出口NOx含量瞬時值也能較好控制在50mg/m3標準之下。

圖2～3為#4機組脫硝噴氨自動控制系統(tǒng)優(yōu)化后投運效果，其中圖2中曲線1～9（7為發(fā)電機功率）分別為：脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機組負荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令；圖3中曲線1～9（7為發(fā)電機功率）分別為脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機組負荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令。

綜上，本文對華能德州電廠300MW亞臨界機組脫硝自動控制系統(tǒng)優(yōu)化做了介紹，針對火力發(fā)電機組NOx（NOx含量）調(diào)節(jié)存在的影響考核指標的因素，做了具體分析并提出了解決方案，對原有控制策略進行了補足及調(diào)整，控制參數(shù)進行了優(yōu)化，目前#4機組脫硝NOx（NOx含量）排放控制穩(wěn)定，投入至今安全可靠。