600MW 機組脫硝控制系統優化淺析

發布日期：2018-04-10 瀏覽次數：1315

針對600MW燃煤機組脫硝系統運行中的一些問題，進行了控制系統優化，優化后的系統不僅滿足環保排放要求，同時其可靠性及經濟性也得到了提高。

1 引言

SCR脫硝(選擇性催化還原技術)是目前比較成熟的煙氣脫硝技術，它是一種爐后脫硝方法，是利用還原劑(NH3，尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與NOx反應生成N2和H2O,而不是被O2氧化，故稱為“選擇性”。目前世界上流行的 SCR 工藝主要分為氨法SCR和尿素法SCR 2種。此2種法都是利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒多少影響的N2和水，還原劑為NH3。

2.1 系統簡介

大唐國際王灘電廠機組為600MW亞臨界燃煤機組,鍋爐最大連續蒸發量為2030t/h，電廠機組已運行5年，于2011年新增了煙氣脫硝裝置，以降低煙氣中氮氧化物NOx的排放量。采用尿素熱解法制備脫硝還原劑，公用系統及裝置按全廠2臺爐改造整體容量設置，兩臺爐脫硝系統均按照SCR入口NOx濃度為400mg/Nm3(6%O2，標態，干基)設計，初裝2層催化劑后，要求在鍋爐任何工況處理100%煙氣量條件下脫硝效率不小于80%。

王灘電廠的脫硝工程采用的是選擇性催化還原脫硝工藝(SCR)，SCR 是目前比較成熟的煙氣脫硝技術, 它是一種爐后脫硝方法，是利用還原劑(NH3，尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與NOx反應生成N2和H2O，該方法脫硝效率高，價格相對低廉。脫硝系統的反應器是布置在省煤器與空氣預熱器之間，煙氣在鍋爐出口被平分成兩路，兩路煙氣并行從鍋爐尾部低溫省煤器下部引出口至SCR 反應器、經過SCR反應器進入空預器。在催化劑的作用下，氨氣與煙氣中的NOx反應生成氮氣和水從而達到除去氮氧化物的目的。

2.2 SCR脫硝控制原理及控制方式

脫硝原理反應方程式如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

脫硝系統的控制方式一般分為效率控制模式和濃度控制模式。效率控制模式以脫硝效率作為設定值，能夠保持脫硝效率在一個比較穩定的水平，控制方式比較簡單。濃度控制模式以SCR出口NOx濃度作為設定值，控制脫硝出口的NOx濃度滿足排放要求。對于采用低氮燃燒器的機組，SCR入口NOx濃度比較低的情況，濃度控制模式可以減少氨氣用量是比較經濟的。由于脫硝入口NOx濃度是不斷變化的，而且變脫硝系統存在較大的滯后性，這種控制方式中調試和整定比較復雜。

采用哪種控制方式需要根據電廠的工藝系統情況確定，濃度控制模式對于出口濃度的控制比較直觀、穩定，對于采用脫硝系統入口NOx濃度比較低的電廠，采用濃度控制方式雖然相對要復雜一些，但在脫硝系統運行的經濟性方面是比較高的。王灘電廠脫硝控制系統設計了效率控制模式和濃度控制模式兩種控制方式，由于鍋爐低氮燃燒器的效果不錯，脫硝系統入口一般控制在400mg/Nm3(6%O2，標態，干基)以下，因此在完成系統調試后，一般都運行在出口濃度控制模式。

上述兩種方式都需要根據出口濃度及脫硝效率，獲得需氨量，氨氣的噴入量通過現場調節門進行調節，噴氨量少會使脫硝效率過低，過多不但容易導致氨逃逸率上升造成尾部煙道積灰腐蝕，而且從經濟性方面考慮也是一種氨需量的浪費。

從上面的計算公式，我們可以知道WNOX(SCR入口NOx的含量)、Vgas(SCR入口煙氣量)，是計算氨消耗量至關重要的參數，SCR 入口NOx的含量通過專用脫硝CEMS分析儀表能夠實時檢測，但SCR入口煙氣量由于煙道的尺寸及煙道內氣體流動的不均勻性，很難檢測的非常準確，也是氨消耗量計算的一個難題。

3.1 控制方式優化

3.1.1 優化SCR入口煙氣量計算

理論上SCR入口煙氣量與機組負荷應該有一一對應關系，但生產實際中由于煤種的變化，漏風量的變化，運行人員操作習慣的不同，尤其在現在電網對機組快速響應的要求不斷提高，二個細則實施以來，SCR入口煙氣量與機組負荷的對應關系在不斷的發生變化。如下圖3.1負荷、煙氣量、NOx濃度趨勢圖所示，在14:58:37到15:03:51之間機組負荷保持不斷的情況下，鍋爐總風量還是存在比較大的變化。因此，利用SCR入口煙氣量與機組負荷對應關系擬合煙氣量曲線，并用實際總風量進行修正是一種比較接近機組運行中多變的實際情況的。一種比較簡單的方案是用SCR入口煙氣量與機組負荷對應關系擬合的煙氣量曲線與實際煙氣量(一般在DCS系統中都有相應的計算)進行加權計算。

這種方式的優點在于可以根據不斷變化的煤種及運行調整需要，階段性的調整加權系數，保證通過煙氣量計算需氨量的準確性，提高調節品質。在下面的優化后經濟性分析表1的數據分析中也能體現實際總風量對SCR入口煙氣量的修正效果。

3.1.2 保持NOx分析儀表數據的穩定性

無論是效率控制模式還是出口濃度控制模式,都需要用到SCR 出口、入口的NOx濃度，因此SCR出口、入口的NOx濃度在自動系統的投入中是至關重要的參數，為保證脫硝出入口NO分析儀表的穩定性：

1)脫硝出入口NO分析儀表安裝位置具有代表性

脫硝系統入口的NOx、O2分析儀必須安裝在省煤器出口至反應器入口煙道的直管段上，脫硝系統出口NOx、O2、NH3分析儀必須安裝在省煤器出口的直管段上反映器出口至空預器入口之間的煙道直管段上，直管段才能保證煙道中煙氣流動的穩定。

配置冗余的SCR 出入口NOx濃度分析儀表，在分析儀表消缺或者標定過程中，備用分析儀投入運行，保證脫硝出入口氮氧化物測量的準確性和連續性，但成本比較高;因為A、B兩側物理結構、煙氣反應過程基本一直，兩側的出入口NOx分析儀表數值接近，可以短時互為備用，在控制邏輯中設備A、B 側分析儀表互為備用開關，在消缺或者標定過程中退出運行，用一側儀表參與兩側控制。

2)加強對NOX、NH3 等分析儀的定期維護

由于脫硝系統大多數是安裝在靜電除塵器前，煙氣中含塵量大，CEMS測量設備因堵塞導致測量數據偏差較大，所以有必要進行摸索，電廠的煤質、維護周期、更換過濾網等，保證NOx、NH3等分析儀測量準確，以利于安全可靠生產。

3)保證SCR系統出口、入口氧量準確性

按照環保規程要求，SCR 系統出口、入口NOx測量數據需要折算為標準狀態下干煙氣的濃度參數，因此SCR出入口NOx濃度分析儀表測量的數據是需要有氧量修正計算的，如果氧量測量不準確，一定會影響到NOx濃度的準確性，進而影響脫硝系統的穩定運行，比如：SCR出口氧量異常偏高，SCR出口NOx濃度升高，噴氨量增加，當氨氣供應不能滿足要求，脫硝系統就會跳閘停運。

3.1.3 控制過程優化

脫硝系統在生產運行過程中，為減少系統的非正常情況下的停運次數，特地進行了流程優化。在脫硝控制系統在氨氣空氣分配模塊中，如果氨氣流量降低到臨界值時，整個系統正在運行的噴槍同時跳閘。這樣脫硝系統的投運率和設備可靠經濟運行都會受到影響，對該邏輯優化為：當流量降到臨界值時，噴槍不是一起跳閘，而是分別延時跳閘，延時的時間以電動門關閉時長來定。當流量降到臨界值時，噴槍順次延時跳閘，一、二只噴槍停止后，流量可能就不再降到臨界值，這時，系統其他的噴槍就可以繼續運行。運行人員就可有時間來干預系統，調整相關參數，使得系統恢復正常運行狀態。

4 優化后經濟性分析

以某廠600MW亞臨界、汽包爐脫硝系統為對象，采用效率控制模式及出口濃度控制模式運行數據

在脫硝濃度控制模式下，盡管出口濃度設定的比較高，耗氨量比較低，脫硝效率并不低，一方面可見出口濃度控制模式的效果遠遠好于效率控制模式的控制效果;另一方面效率控制模式與出口濃度控制模式是采集的兩天不同的數據，可見煤種變化、人員操作習慣的因素對于耗氨量還是有很大影響的;還有實際總風量對應SCR入口煙氣量的修正效果也很明顯。

5 結論

實踐中對脫硝控制系統的優化進行了一些摸索，通過對SCR入口煙氣量計算、NOx分析儀表數據配置、過程控制邏輯的優化，提高了脫硝控制系統的調節品質，脫硝系統的穩定性得到了提高，明顯減少了由于參數變化導致的SCR 系統出口濃度超標，同時大大減少了脫硝系統跳閘停運次數;通過對效率控制模式及出口濃度控制模式運行數據的對比分析，可見濃度控制模式的對出口NOx 的控制效果遠遠好于效率控制模式的控制效果，是一種比較經濟的控制方式。

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