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【摘要】本文介绍了在超洁净改造过程中，我厂通过深度调试发现解决了脱硝喷氨控制系统在自动调节过程中遇到的问题，对其中的难点和关键点进行了剖析，并提出了将脱硫出口NOX作为最终设定值和建立了以SCR入口NOx、SCR出口NOx和脱硫出口NOX等参数整合的预测控制，并在实践中取得了良好的调节效果。 【关键词】火电机组 SCR 脱硝 喷氨控制系统 深度调试 NOX浓度 0.引言 随着我国环境保护法律、法规和标准的日趋完善、严格及执法力度的加大，对采用SCR法脱硝的火力发电厂在确保烟气排放达标的同时还要增强脱硝系统运行的可靠性、连续性和经济性。其中脱硝喷氨自动的投入效果，是保证脱硝环保参数的前提，且对空预器的长周期安全运行也具有实际的意义。我司于2016年上半年完成了超洁净改造，同时也对脱硝喷氨控制系统提出了更高的要求。 1.系统概况 我司烟气脱硝采用SCR脱硝技术，SCR工艺整个过程(如图一所示)包括将还原剂氨（NH3）喷入燃煤锅炉产生的烟气中，含有氨气的烟气通过一个含有专用催化剂的反应器，在催化剂的作用下，氨气同NOx发生还原反应，转化成无害的氮（N2）和水蒸气（H2O）。 目前国内常用的控制技术是新型的计算机控制算法模型预测控制技术，采用外挂PLC控制器并且独立于电厂DCS系统之外，内部程序算法封装后不对电厂技术人员开放, 这样带来的新问题是：过于依赖外挂PLC，如果出现故障没有后备的接替手段。 2.初始的喷氨自动设计思路 我们不防假设锅炉排放NOx浓度为400mg/m3,将锅炉NOx排放浓度视为NO浓度和NO2浓度之和计算的氨消耗量,根据其反应方程式:4NO + 4NH3 + O2→ 4N2+ 6H2O和2NO2 + 4NH3 + O2→ 3N2 + 6H2O计算如下： CNO+CNO2 = 400 （1） CNO/30/(CNO/30+CNO2/46) = 0.9 （2） (1)、(2)公式联合求解得到CNO、CNO2 ，CNO=341.78mg/Nm3；CNO2=58.22mg/Nm3，氨气需求量计算公式为：Q=(q×CNO×17/(30×106)+q×CNO2×17×2/(46×106))×M . 其中，CNO、CNO2 进口烟气NO、NO2的浓度(mg/Nm3)；q为反应器进口烟气流量(Nm3/h)；Q为供氨量(kg/h)；0.9为NO占NOx排放总量的90%；17、30、46分别为NH3、NO、NO2分子量；M为脱硝效率。 从上述反应方程式可以看出，理论上NH3和NOX的反应摩尔比接近为1，反应脱除掉1摩尔的NOX的话，就需要1摩尔的NH3参加反应。这就是我们初始思路的喷氨自动设计的依据。 我司的SCR烟气脱硝控制系统是利用脱硝反应时NH3/NOX摩尔比近似等于1的原理，使用烟气进口NOX浓度和烟气流量的乘积得到基本的NOX含量，就是脱硝入口总共有这么多的NOX，再乘以NH3/NOX摩尔比便可得到液氨需求量，我们这里一般设置脱硝效率为90%，从而得出需要的液氨流量的摩尔数，从而根据密度可以算出对应的液氨质量，同时分别利用出口、入口NOX浓度变化趋势和幅度对NH3/NOX摩尔比加以修正（对液氨需求量的修正）并参与控制，最终得到液氨流量的目标设定值并与实际的液氨质量流量进行比较，偏差量进入PID调节（如图二所示）。 3.脱硝喷氨控制系统在实际应用中遇到的问题及深度调试 3.1 脱硝喷氨控制系统在实际应用中遇到的问题 总结火电机组脱硝喷氨控制系统在应用中遇到的共性问题并结合我司的实际情况，利用三现主义分析总结我司存在的问题（如表一所示）。 3.1.1 脱硝系统反馈滞后严重分析 从脱硝系统流程可知，NH3同NOX发生还原反应生成N2和H2O的过程需要经历管道流动、烟气接触、催化作用、烟气流动、烟气抽取分析等环节，同时还需要“温度窗”和催化剂的作用过程，烟气最终流动到脱硫出口经过抽取分析后接受环保监督。这些客观因素导致了控制量与被调量之间存在时间差，形成了脱硝系统反馈滞后的现象，并对调节的快速性、准确性、稳定性形成了极大的制约。 3.1.2 脱硝入口NOX变化大 脱硝入口NOX变化大与燃烧的调整，煤质的变化，送风量控制等均有很大的关系。脱硝反应区入口到出口的距离很短，如果入口NOX上升很快，而喷氨反应是有一定时间滞后的，那么反应就不会很完全，出口NOX也会相应很快上升，导致超调。 3.1.3脱硝出口NOx测量值不准确，表现为烟道两侧偏差大、与烟囱入口NOx测量值偏差大，引起的控制效果差。 经过反复试验查找原因发现，并不是烟气测量仪表造成的测量不准确，而是因为出口烟道断面NOx浓度分布不均匀造成的，脱硝出口每个烟道烟气测量取样点只有一个点，这个点抽取的烟气不具有代表性，也就是与烟道内烟气NOx浓度平均值偏差大，试验证明，采样探头的位置不同测量值不同，采样探头插入深度不同测量值也不同。 3.1.4 流量计的测量问题 从控制策略来看，质量流量是脱硝自动投入的关键量。液氨中的杂质会导致质量流量的测量波动，影响流量测量的准确性。 3.1.5 负荷变化时脱硝调节速度慢 脱硝入口烟气量由于没有相应测点，逻辑中采用负荷的函数计算得来。在机组负荷变动大、工况调整频繁时，相应的前馈量缺乏导致喷氨控制系统不能充分发挥作用。 3.1.6 单回路控制投入困难 基于常规思路的喷氨自动设计的单回路控制系统，工况适应性差，需要提高响应速度并考虑消除设定偏差。 3.2 脱硝喷氨控制系统的深度调试 分析烟气系统流程的特点，首先是锅炉运行工况变化引起SCR入口NOX变化，其次是SCR入口NOX变化经过系统延时（为烟气在烟道中流动）引起SCR出口NOX变化，最后经过系统延时引起脱硫出口NOX变化。结合上面分析的自动投入的难点和我们对原来的自动控制策略在相关方面进行了优化。 3.2.1 脱硝系统反馈滞后深度调试 根据系统特点，直接以烟囱入口处的NOx浓度测量值作为调节目标，对控制效果的评估可以直接以环保考核指标为依据，同时也为正常运行中的运行调整带来极大的方便。由于SCR出口NOx浓度变化和烟囱入口处的NOx浓度变化存在明显的延迟（约为2min），脱硝被控对象（从NH3流量到烟囱入口NOx浓度）的响应纯延迟时间约3min，整个响应过程约15min。增加控制逻辑适应系统延时，将设定值和脱硫出口NOX进行比较得到初始的修正系数，然后根据脱硫出口NOX或SCR出口NOX变化方向确定修正系统的大小和快慢，并对结果进行二阶惯性环节处理，调试时根据实际情况合理设置死区和动作幅度，调整回路中的相关参数。 3.2.2 考虑到入口NOX变化比较大的问题，为此增加了入口NOX前馈补偿。由于入口NOX在控制策略中已经使用，但是为了在入口NOX变化的时候能够快速提前进行反应，设计增加了入口NOX的微分前馈（如图三所示）。 经过深度调试，给粉机转速超前于SCR入口NOX值变化，通过排粉机出口压力的变化找到引起燃烧扰动的给粉机，从而准确控制汽包压力微分波动范围。针对启停磨时NOX扰动大的问题，考虑到制粉系统从冷风门漏入炉膛的风量，在制粉系统启停时对炉膛氧量影响很大，针对启停磨时NOX扰动大的问题，提前进行干预控制。 3.2.3脱硝出口NOx测量值不准确，表现为烟道两侧偏差大和与烟囱入口NOx测量值偏差大，引起控制效果差的深度调试。 3.2.3.1 遵循下图（如图四所示）的调整手段，使测量孔的分布最大值和最小值偏差在31mg以内，使脱硝两侧出口NOx偏差、与烟囱入口NOx偏差控制到10mg以内。 3.2.3.2 在实际的调整试验中，我司通过创新思维将SCR出口NOX的取样位置由空预器入口改到空预器出口，烟气经过空预器的旋转使NOx浓度被均匀搅拌分配，使脱硝两侧出口NOx偏差控制到10mg以内。通过改变脱硝出口烟气取样点位置，彻底解决了脱硝两侧出口NOx偏差大问题（如图五所示）。 3.2.4 流量计的测量深度调试 针对液氨中的杂质长时间会堵塞管路和质量流量计的情况，在喷氨主管道增加滤网，采用定期清理滤网的方式以保证喷氨流量计的长周期可靠运行。对于液氨质量流量计的测量问题，通过初步计算和试验得出喷氨调节阀开度与质量流量计的函数关系，采用调门开度间接拟合得到喷氨质量流量（如图六所示），这样则不会出现质量流量计受外界不利因素干扰而出现信号波动的情况，可以满足调节效果。 3.2.5 负荷变动大，调节速度慢深度调试 在控制回路中增加负荷对应修正系数的函数，通过试验得到流量指令的修正系数，整合多变量前馈，防止在负荷变动时互相制约。 3.2.6 单回路控制投入困难深度调试 采用内外回路串级控制策略，同时提高内回路响应速度。外回路利用SCR入口NOX、SCR出口NOX、脱硫出口NOX的变化方向同时设置合理的死区预判调节方向和幅度；内回路整合负荷、制粉系统、SCR入口NOX、脱硫出口NOX等综合前馈提高响应速度。 4 脱硝喷氨控制系统优化效果及展望 4.1 效果 4.1.1 喷氨自动深度调试过程分析如下(如图七所示)，阀门提前动作，避免了由于工况变化造成脱硫出口NOX大于50mg/Nm3，能够满足调节品质的要求；在脱硫出口NOX没有回调前，控制系统提前回关调门，避免了过量喷氨，氨逃逸过大对空预器堵塞带来的不利影响，在保证环保达标排放的前提下，节约了喷氨的用量。 4.1.2 在机组各个负荷段，观察控制系统在的调节情况，确保控制回路按照预想的控制思想正常调节，观察并整定控制回路参数，使其能够在机组各个负荷段保证其调节品质，经过了一系列深度调试后喷氨自动调节品质满足生产运行的要求（如图八所示）。 由上面曲线可以看出，脱硝效率比较稳定，偏差基本在±3%以内，脱硫出口NOX最大偏差一般控制在10mg/Nm3左右，在工况变化或入口NOX浓度大幅波动的情况下，调节效果也能够满足要求（脱硫出口NOX小于50mg/Nm3），调节品质达到较高水平。 4.2 展望 由于SCR进、出口的NOx、O2等测量仪表由于长期运行在灰、尘较高的环境下，容易出现部分或整体失真的情况，且仪表的定期吹扫、标定也会使测量值瞬间突变或保持，因此对根据机组运行的实时参数，不断对各NOx测量仪表的数值进行在线评估，发现失真现象后立即调整该测量参数在控制系统中的权重占比，将部分测量值失真给控制系统造成的影响降至最低，从而保证脱硝控制系统的长期可靠运行。 5 结论 5.1 经过对脱硝喷氨控制系统的深度调试后，将脱硫出口NOX作为最终设定值使控制目标明确，减少了运行人员的监盘及操作干预的强度，使运行人员从繁忙的操作中解放出来。 5.2 经过对脱硝喷氨控制系统的深度调试后，提高了喷氨自动的调节品质，提高了机组运行的安全性和经济性，对于保持设备健康水平、延长机组寿命和保持最佳运行工况，提高机组经济性都十分有利，有明显的经济效益。
参考文献： [1] 何金亮,金理鹏等.燃煤电站SCR烟气脱硝系统运行典型故障诊断.《中国电力》,2016,49(8) [2] 李刚,贾晓静等.基于主导因素分析的SCR烟气脱硝系统喷氨量控制.《热力发电》,2016, 45(8)
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