伴隨著我國各個行業(yè)的快速發(fā)展，對能源的需求日益增加，但是能源布局的不合理以及火力發(fā)電帶來的環(huán)境污染等問題成為了社會可持續(xù)發(fā)展的障礙。隨著嚴格的大氣污染物排放標準的實施，相較之前污染物排放指標提出了更高要求。以往的脫硝控制技術已不能滿足環(huán)保排放的要求，燃煤機組煙氣脫硝系統(tǒng)控制模式亟待優(yōu)化提高。

為了滿足燃煤電廠生產(chǎn)發(fā)展的需要，滿足國家環(huán)保排放的要求，在原有脫硝控制系統(tǒng)基礎上新增加噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模糊控制算法，在達標排放的基礎上，改善脫硝催化劑出口NOx質量濃度和NH 3 的質量濃度分布，提高脫硝效率的同時，降低氨逃逸，降低空預器堵塞的風險，提高機組運行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)投入運行以后，通過對比系統(tǒng)運行前后數(shù)據(jù)指標，達到系統(tǒng)設計目標要求，為脫硝控制技術的發(fā)展提供了新思路。

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SCR系統(tǒng)概況

火力發(fā)電企業(yè)為了達到環(huán)保排放的目的，對設備進行了環(huán)保升級改造。多數(shù)的火力發(fā)電企業(yè)都選用選擇性催化還原工藝（Selective Catalytic Reduction,SCR）技術作為去除煙氣中NOx的生產(chǎn)工藝。利用還原劑氨氣，與來自稀釋風機的稀釋風在噴氨母管上的混合器中混合后，通過噴氨格柵支路管道噴入煙道中，在煙道內(nèi)的催化劑的作用下混合氣體中的氨氣與煙氣中NOx發(fā)生一系列的化學反應，將煙氣中的NOx轉化為對大氣無污染的氮氣和水，從而達到去除煙氣中NOx的目的，其工藝流程如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)工作原理

某電廠3號發(fā)電機組脫硝系統(tǒng)采用的是出口NOx質量濃度調控模式。根據(jù)環(huán)保排放要求設定出口NOx質量濃度值，實際出口NOx質量濃度值隨機組負荷變化波動，出口NOx質量濃度測量值與設定值之間產(chǎn)生動態(tài)偏差，為消除偏差確保達標排放，在控制系統(tǒng)中通過比例積分微分（Proportion Integration Differentaiation,PID）計算后得到噴氨調節(jié)閥的開度指令，調節(jié)氨氣流量。煙氣脫硝SCR裝置在設計階段通常會進行煙氣流體力學流場模擬試驗和爐膛內(nèi)動力場試驗對煙道內(nèi)的流場進行優(yōu)化，以保證SCR催化劑的入口截面的煙氣流速和NOx分布較為均勻，由于實際的燃燒情況和煙道內(nèi)風速不穩(wěn)定性等因素影響，進入SCR催化劑煙氣流速場是不均勻的，混合氣體是通過36根噴氨格柵支管路均勻噴射到煙道中的，無法根據(jù)煙道內(nèi)的NOx分布情況調節(jié)不同區(qū)域噴入煙道內(nèi)的氨、空氣混合氣體質量濃度，導致在催化劑入口處橫截面上的NOx和NH 3 的質量濃度場不均勻，由于部分區(qū)域的氨逃逸較高，過高的氨逃逸會與煙氣中的SO 3 反應生成NH 4 HSO 4 ,NH 4 HSO 4 附著在空氣預熱器表面導致空氣預熱器的壓損增大。

依據(jù)煙道內(nèi)總體出口的NOx質量濃度進行前期的噴氨量預估，而不能自動對煙道各個格柵內(nèi)的脫硝情況、逃逸氨量進行監(jiān)測，在催化劑出口處的氨逃逸量與脫硝效率不一致。因此，研制SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)，能夠改善催化劑出口NOx和NH 3 的質量濃度分布，消除“倒掛”現(xiàn)象和區(qū)域性效率低問題，在達標排放的基礎上減少噴氨量，降低鍋爐后續(xù)系統(tǒng)堵塞的概率。

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SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)

3.1 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)原理

SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)研究內(nèi)容是監(jiān)測各個噴氨格柵進出口的NOx質量濃度及出口的逃逸氨量，根據(jù)預定的脫硝效率以及氨逃逸目標值自動調節(jié)各個噴氨支管上電動調節(jié)機構來控制的噴氨量，實現(xiàn)煙道內(nèi)的NOx脫硝質量濃度均勻分布，在滿足脫硝效率的前提下，實現(xiàn)最小的逃逸氨量，降低空預器堵塞的風險，延長鍋爐設備的安全可靠運行時間，減少檢修工作量，提高經(jīng)濟效益。

傳統(tǒng)的噴氨量控制是根據(jù)出口NOx的含量，控制母管噴氨總閥的噴氨量大小。這種調節(jié)方式調節(jié)周期長，時效性差，易出現(xiàn)分區(qū)NOx超標的情況。在生產(chǎn)過程中催化劑入口處的NOx和NH 3的質量濃度場分布是不均勻的，導致不同的分區(qū)在發(fā)生化學反應后出口處的NOx質量濃度不一致。同時在設計格柵分區(qū)時，需要考慮整體系統(tǒng)的經(jīng)濟性與技術指標實現(xiàn)的必要性，結合以上需求，在項目開始之初通過便攜式測量表對SCR出口處進行NOx測試，既在SCR催化劑的出口處等間距的安裝8個NOx探測儀，并對所測得數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析，測試結果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前B側出口NOx質量濃度分區(qū)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)煙道兩側NOx質量濃度嚴重超標，在保證質量濃度場的均勻性下，選取在煙道兩側測孔B1,B2,B7,B8對應位置設置4個分區(qū)安裝調節(jié)門，根據(jù)分區(qū)出口NOx的質量濃度，控制調節(jié)門的開度。

3.2 控制算法

該系統(tǒng)需要檢測供氨母管氨氣質量濃度和稀釋風量，計算供氨總量；通過檢測入口各分區(qū)NOx質量濃度和入口各分區(qū)煙氣流量，計算各分區(qū)NOx總量；根據(jù)各分區(qū)NOx質量濃度和出口氮氧化物平均質量濃度計算各分區(qū)脫硝效率，再根據(jù)入口煙氣流量，即可得出各分區(qū)氨氣需求量，并結合供氨母管中氨氣質量濃度，即可得到所需的空氣氨氣混合氣體量，然后調節(jié)供氨支管調節(jié)閥門，使各個供氨支管測得的流量和計算所得的所需氨、空氣混合氣體的質量濃度。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)流程

根據(jù)系統(tǒng)理論公式推導出的氨、空氣混合氣體的理論需求量，采用帶前置反饋的模糊區(qū)間控制算法，根據(jù)實際運行狀況調節(jié)模糊區(qū)間參數(shù)。電動調節(jié)門的開度是由初始開度和修訂補償開度確定。電動調節(jié)門初始開度設定根據(jù)入口NOx質量濃度ρ（NOx）設定4個模糊區(qū)間：區(qū)間1（ρ（NOx）≤200mg/m 3 ）設定閥門初始開度為50%；區(qū)間2(200mg/m 3 <ρ（NOx）≤300mg/m 3 ）設定閥門初始開度為60%；區(qū)間3(300mg/m 3 <ρ（NOx)<400mg/m 3 ）設定閥門初始開度為85%；區(qū)間4（ρ（NOx）≥400mg/m 3 ）。電動閥門調節(jié)補償修訂開度由出口NOx質量濃度及逃逸氨質量濃度確定的，其計算公式為：

式中：Δρ（NOx）為出口NOx質量濃度與出口NOx質量濃度設定值之差；Δρ（NH 3 ）為逃逸氨與逃逸氨設定值之差ρ PV1 為實際測量出口NOx質量濃度數(shù)值；ρ PV2 為實際測量氨逃逸值；ρ SP1 為設定目標出口NOx質量濃度數(shù)值；ρ SP2 為設定目標氨逃逸數(shù)值；ΔP為電動調節(jié)門補償修訂開度。

根據(jù)邏輯組態(tài)控制模式，在控制器內(nèi)實現(xiàn)組態(tài)的編程，控制邏輯流程如圖4所示。

圖4 電動調門控制邏輯流程

3.3 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化控制效果

SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)實施后保證NOx排放達標，可以實現(xiàn)降低氨逃逸量的預期目標，通過調節(jié)各個格柵噴氨量降低NOx質量濃度，保證逃逸氨不超標，為后級空預器的可靠運行提供保障。采用噴氨格柵支路優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)后，鍋爐B側的氨逃逸量比沒有使用該系統(tǒng)的鍋爐A側明顯降低，控制氨逃逸均值為2.45μL/L（煙道內(nèi)氣體溫度375℃，壓力-1.38kPa，測量均值折算后為0.77mg/m 3 ），遠遠低于HJ 2301—2017《火電廠污染防治可行技術指南》對氨逃逸均值不超過2.5mg/m 3 的要求。氨逃逸量曲線效果參照圖5。

圖5 調節(jié)前后出口逃逸氨分布情況

噴氨優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)實施前，出口NOx分布不均勻，不均勻度達到61.17%。經(jīng)過噴氨優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)實施后，出口NOx在保證滿足排放標準的前提下分布均勻，不均勻度降至15%。如圖6所示。

圖6 3B側噴氨格柵優(yōu)化后NOx分區(qū)數(shù)據(jù)值

通過系統(tǒng)運行，在減少噴氨支管閥門開度的前提下，系統(tǒng)B側氨氮摩爾比降低，提高脫硝效，降低了氨消耗，節(jié)約運行成本。表1是系統(tǒng)投運前后相同煙氣量下的氨氮摩爾比，通過表1可以看出，系統(tǒng)投運后氨氮摩爾比下降0.14，在保證脫硝效率的情況下，節(jié)約了噴氨量。

表1 系統(tǒng)投運前后脫硝參數(shù)數(shù)據(jù)對比

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結語

SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調節(jié)系統(tǒng)主要通過監(jiān)測各個噴氨格柵進出口的NOx質量濃度及出口的逃逸氨量，根據(jù)設定的目標值自動調節(jié)各個噴氨支管上的調節(jié)門的開度大小控制進入到煙道中的噴氨量，滿足脫硝效率的前提下，控制最小的逃逸氨量，減少空預器堵塞，減少鍋爐檢修工作頻率，延長SCR催化劑的使用時間，整體提高經(jīng)濟效益。該技術的應用對電廠減少氮氧化物排放、提高經(jīng)濟效益具有積極意義。