火電機(jī)組熱解尿素法脫硝控制優(yōu)化

萬(wàn) 濤

（新疆華電喀什熱電有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000）

0 引言

近年來，國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，監(jiān)管力度也不斷加大。氮氧化物作為火電廠煙氣中的一種主要污染物，一直是火電廠環(huán)保治理的重點(diǎn)。目前，火電廠脫硝治理主流方法為SCR脫硝技術(shù)，其一般采用氨氣作為還原劑，在催化劑的作用下，將氮氧化物還原成氮?dú)夂退?，從而達(dá)到脫硝的目的[1]。

火電廠制備氨氣主要有液氨法、水解尿素法和熱解尿素法。液氨法由于其危險(xiǎn)性，目前正在進(jìn)行改造、替代。根據(jù)國(guó)家能源局印發(fā)的《電力行業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品安全風(fēng)險(xiǎn)集中治理實(shí)施方案》要求，全國(guó)公用燃煤電廠的液氨一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源尿素替代改造工程要于2022年12月底前完成，液氨三級(jí)、四級(jí)重大危險(xiǎn)源尿素替代改造工程要于2024年底前完成。

某火電機(jī)組采用熱解尿素法制備氨氣、SCR脫硝方式。

1 熱解尿素法制氨系統(tǒng)概況

尿素?zé)峤庀到y(tǒng)主要包括尿素溶液制備輸送系統(tǒng)、熱解爐系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)[2]，如圖1所示。

圖1 尿素?zé)峤夤に囅到y(tǒng)圖

尿素溶液制備輸送系統(tǒng)將尿素顆粒用一定比例的除鹽水溶解，并儲(chǔ)存于尿素溶液儲(chǔ)罐。尿素溶液輸送泵將尿素溶液儲(chǔ)罐中的尿素溶液輸送至計(jì)量分配裝置，經(jīng)計(jì)量分配后由尿素溶液噴槍霧化后進(jìn)入熱解爐分解為氨氣，尿素溶液噴槍投入數(shù)量根據(jù)尿素消耗量實(shí)時(shí)調(diào)整。

熱解爐熱源采用電加熱熱一次風(fēng)方式，將霧化進(jìn)入熱解爐的尿素溶液快速分解為氨氣、水和二氧化碳，并經(jīng)機(jī)組供氨母管輸送至A、B側(cè)SCR反應(yīng)器。

壓縮空氣用于尿素溶液的霧化和尿素噴槍的密封，由廠區(qū)儀用壓縮空氣管網(wǎng)提供。

熱解尿素化學(xué)反應(yīng)式為：

SCR（選擇性催化還原）煙氣脫硝技術(shù)以其穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外燃煤電廠脫硝工程廣泛采用[3]，其主要化學(xué)反應(yīng)式為：

SCR脫硝裝置具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)產(chǎn)物清潔、脫硝效率高、布置靈活以及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

某火電機(jī)組煙氣脫硝采用熱解尿素法制氨、SCR脫硝方式，在機(jī)組日常運(yùn)行過程中，凈煙氣氮氧化物濃度波動(dòng)較大。通過對(duì)其具體運(yùn)行現(xiàn)狀的分析，制訂了針對(duì)性的改造、優(yōu)化措施，并在機(jī)組檢修期間進(jìn)行了改造優(yōu)化，取得了良好成效。

2 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀分析

（1）SCR出口氮氧化物測(cè)點(diǎn)不合理，采用單點(diǎn)測(cè)量方式，測(cè)量數(shù)據(jù)不能良好表征SCR出口實(shí)際氮氧化物濃度[4]。且由于單點(diǎn)測(cè)量手段受限，各噴氨格柵支管手動(dòng)調(diào)閥調(diào)節(jié)沒有良好依據(jù)，導(dǎo)致SCR反應(yīng)器內(nèi)噴氨不均，整體脫硝效率偏低。

（2）脫硝自動(dòng)控制策略不合理。機(jī)組脫硝控制采用簡(jiǎn)單的氨氮摩爾比控制，SCR出口氮氧化物濃度長(zhǎng)期低于目標(biāo)值，導(dǎo)致氨耗偏高，運(yùn)行人員為降低氨耗，需頻繁修改SCR出口氮氧化物濃度目標(biāo)值，大大增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。

（3）尿素噴槍流量調(diào)節(jié)控制速率太慢，在機(jī)組需氨量發(fā)生變化時(shí)不能及時(shí)調(diào)整，從而造成整個(gè)脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差，動(dòng)態(tài)時(shí)波動(dòng)過大，經(jīng)常需要手動(dòng)干預(yù)。

3 優(yōu)化措施

3.1 SCR出口氮氧化物濃度多點(diǎn)取樣測(cè)量技術(shù)

將SCR出口氮氧化物濃度由單點(diǎn)測(cè)量改為多點(diǎn)取樣測(cè)量方式。以A側(cè)為例，在A側(cè)SCR反應(yīng)器出口截面上分別設(shè)置8個(gè)煙氣取樣口，將煙氣抽取至CEMS分析儀。A、B側(cè)SCR出口氮氧化物濃度多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多點(diǎn)取樣測(cè)量技術(shù)示意圖

該多點(diǎn)取樣測(cè)量系統(tǒng)有3種工作模式：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量模式、混合測(cè)量模式和輪測(cè)測(cè)量模式。（1）單點(diǎn)測(cè)量模式工作時(shí)，CEMS分析儀連續(xù)對(duì)設(shè)定的某一取樣口煙氣進(jìn)行測(cè)量，其他7個(gè)取樣口的煙氣不進(jìn)行測(cè)量。運(yùn)行過程中可根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)能良好表征反應(yīng)器出口氮氧化物濃度的取樣口進(jìn)行持續(xù)測(cè)量。（2）混合測(cè)量模式工作時(shí)，CEMS分析儀將8個(gè)取樣口抽取的煙氣混合后進(jìn)行測(cè)量。（3）輪測(cè)測(cè)量模式工作時(shí)，CEMS分析儀對(duì)8個(gè)取樣口抽取的煙氣依次進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)可根據(jù)各取樣口煙氣氮氧化物濃度對(duì)各噴氨格柵支管手動(dòng)閥進(jìn)行調(diào)整，將各取樣口抽取的煙氣中氮氧化物濃度調(diào)節(jié)至一定偏差范圍內(nèi)，從而使反應(yīng)器內(nèi)噴氨較為均勻，提高脫硝效率，降低氨耗。圖3所示為改造后多點(diǎn)取樣測(cè)量系統(tǒng)DCS顯示畫面。

圖3 改造后多點(diǎn)取樣測(cè)量系統(tǒng)DCS顯示畫面

3.2 改進(jìn)型基于氨氮摩爾比的串級(jí)PID脫硝控制

基于氨氮摩爾比的串級(jí)PID脫硝控制，主調(diào)PID控制回路設(shè)定值為SCR出口氮氧化物濃度控制目標(biāo)值，過程值為SCR出口氮氧化物實(shí)際值；副調(diào)PID控制回路設(shè)定值為尿素溶液需求量，過程值為實(shí)際尿素溶液流量。

3.2.1 尿素溶液需求量計(jì)算

通過脫硝系統(tǒng)氨氮實(shí)際反應(yīng)摩爾比，計(jì)算出理論尿素溶液需求量，其計(jì)算公式如下：

式中：F為理論尿素溶液需求量；α為氨氮摩爾比系數(shù)；Cin為SCR反應(yīng)器入口氮氧化物濃度；Csp為SCR反應(yīng)器出口氮氧化物目標(biāo)值；Q為煙氣流量。

考慮不同負(fù)荷、不同溫度下的脫硝效率，通過負(fù)荷對(duì)應(yīng)的折線函數(shù)對(duì)不同負(fù)荷下的氨氮摩爾比進(jìn)行線性修正。

3.2.2 反應(yīng)器入口NOx預(yù)測(cè)值

由于SCR入口氮氧化物濃度測(cè)量時(shí)延長(zhǎng)，簡(jiǎn)單采用SCR入口氮氧化物濃度進(jìn)行尿素需求量計(jì)算容易造成脫硝系統(tǒng)響應(yīng)滯后，在機(jī)組工況變化時(shí)參數(shù)波動(dòng)會(huì)比較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，引入相關(guān)前饋?zhàn)鳛镾CR入口氮氧化物濃度預(yù)測(cè)量進(jìn)行控制，將脫硝系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間提前。（1）入口NOx實(shí)測(cè)值基準(zhǔn)。將SCR入口NOx實(shí)測(cè)值作為SCR入口NOx預(yù)測(cè)值的基準(zhǔn)，保證預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性，避免因預(yù)測(cè)量不準(zhǔn)而造成系統(tǒng)失調(diào)。（2）空預(yù)器入口氧量前饋。通過機(jī)組歷史趨勢(shì)分析，空預(yù)器入口氧量與SCR入口NOx濃度存在良好的相關(guān)性，且氧量能更早地反映出SCR入口NOx濃度的變化趨勢(shì)及幅度，因此，引入空預(yù)器入口氧量作為主要前饋量。（3）機(jī)組負(fù)荷前饋。機(jī)組在變負(fù)荷過程中因?yàn)轱L(fēng)、煤配比的動(dòng)態(tài)變化會(huì)出現(xiàn)較大幅度的NOx濃度波動(dòng)，將變負(fù)荷信號(hào)引入脫硝控制作為前饋，可在變負(fù)荷初期就給脫硝系統(tǒng)一定的動(dòng)作量，對(duì)SCR出口NOx指標(biāo)的穩(wěn)定有良好的促進(jìn)作用。（4）啟停磨前饋。啟停磨過程中，因?yàn)槟ソM配風(fēng)、配煤比例的變化，NOx濃度會(huì)大幅波動(dòng)。根據(jù)不同磨在啟停過程中對(duì)NOx濃度的不同影響，引入不同強(qiáng)度的前饋，在啟停磨的同時(shí)改變尿素流量，可有效控制NOx濃度的波動(dòng)幅度。

3.2.3 模糊控制

以被調(diào)量的偏差和偏差變化量進(jìn)行模糊量化處理，將量化后的數(shù)據(jù)作為控制器的兩個(gè)輸入；然后，根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，并將推理后的模糊值解模糊化后，對(duì)當(dāng)前噴氨量進(jìn)行修正，可有效提高自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)速度并降低超調(diào)量。邏輯簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型基于氨氮摩爾比的串級(jí)PID控制邏輯簡(jiǎn)圖

3.2.4 數(shù)據(jù)保持

考慮到NOx儀表吹掃時(shí)數(shù)據(jù)保持，以A側(cè)為例，當(dāng)A側(cè)入口NOx數(shù)據(jù)吹掃保持時(shí)，采用A側(cè)保持值加B側(cè)入口變化量作為A側(cè)預(yù)估量；當(dāng)A側(cè)出口NOx數(shù)據(jù)吹掃保持時(shí)，為避免主調(diào)PID過調(diào)，減弱出口NOx吹掃時(shí)主調(diào)PID調(diào)節(jié)作用。

4 改進(jìn)效果

在上述優(yōu)化措施實(shí)施、熱態(tài)試驗(yàn)調(diào)整后，機(jī)組常規(guī)運(yùn)行工況下噴氨自動(dòng)均保持投入。與優(yōu)化前相比，尿素流量調(diào)節(jié)速度明顯加快，A、B側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度、凈煙氣NOx濃度明顯趨于收斂，變負(fù)荷工況下波動(dòng)幅度大幅減小，設(shè)定值跟蹤效果顯著提高。優(yōu)化效果如圖5所示。機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)，凈煙氣NOx濃度波動(dòng)范圍為38～46 mg/m3；機(jī)組變負(fù)荷工況時(shí)，凈煙氣NOx濃度波動(dòng)范圍為32～49 mg/m3。

圖5 優(yōu)化后脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果圖

優(yōu)化實(shí)施后，如表1所示，單位發(fā)電量尿素耗量比優(yōu)化前在300 MW和600 MW負(fù)荷時(shí)分別下降5.6%和5.0%。

表1 優(yōu)化前后尿素耗量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

采用SCR反應(yīng)器出口氮氧化物濃度多點(diǎn)取樣測(cè)量技術(shù)，可參考各取樣點(diǎn)測(cè)量值對(duì)各噴氨格柵進(jìn)行調(diào)整，從而保證噴氨均勻，避免局部過噴和局部欠噴現(xiàn)象，有效提高脫硝反應(yīng)效率，減少氨逃逸。同時(shí)，引入SCR反應(yīng)器入口氮氧化物濃度預(yù)測(cè)值，以解決煙氣分析儀測(cè)量滯后而導(dǎo)致的噴氨滯后問題，保證在實(shí)際煙氣氮氧化物濃度發(fā)生變化時(shí)，噴氨量能及時(shí)調(diào)整。經(jīng)上述測(cè)量改造結(jié)合控制優(yōu)化，脫硝氨耗有效降低，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的節(jié)能降耗。