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SCR煙氣脫硝噴氨自動控制分析及優化 1+1

摘要:針對某電廠660MW超臨界機組在脫硝系統投運時噴氨自動不能正常投入,無法精確控制脫硝出口NOx排放濃度的問題,分析了噴氨自動控制的影響因素,對現有噴氨自動控制采取移位選取不當的煙氣自動監控系統(CEMS)取樣測點、調整自動吹掃/標定時間及每路進氨支管手閥的開度等進行優化,優化控制系統邏輯:主調控制回路不再修正摩爾比,副調控制回路在得到噴氨流量后加上人員手動偏置量,優化后脫硝噴氨自動調節可以長時間正常投入,出口NOx排放濃度滿足了環保達標排放要求。
 
某電廠2×660MW超臨界燃煤機組,為滿足大氣污染物環保排放要求,先后對2臺機組實施了脫硝改造,采用選擇性催化還原(SCR)法進行脫硝,控制系統采用可編程邏輯控制器(PLC)控制,接入輔網進行操作調整。
 
2臺機組脫硝系統在投入運行的過程中,由于PLC實現復雜自動控制的局限性,加之現場設備及脫硝噴氨自動控制設計的不完善,導致噴氨自動無法正常投入,完全依靠運行人員手動控制,無法精確控制脫硝出口NOx排放濃度,也增大了運行人員的工作強度。下面對脫硝噴氨自動控制系統存在的問題進行深入分析并優化。
 
1 SCR脫硝基本原理
 
燃煤電廠鍋爐產生的NOx主要來源于燃料型NOx和熱力型NOx。根據NOx生成機理,控制NOx的技術主要包括燃燒時盡量避免NOx的生成技術和NOx生成后的煙氣脫除技術。SCR技術是應用最為廣泛的煙氣脫硝技術,采用NH3作還原劑,煙氣中NOx在經過SCR反應器時,在催化劑的作用下被還原成無害的N2和H2O。煙氣中的NOx主要有NO和NO2,其中NO占95%左右,其余的是NO2。
 
要實現高效率脫硝,噴氨流量的控制至關重要。若噴氨量超過需求量,則NH3氧化等副反應的反應速率將增大,降低NOx的脫除效率,同時形成有害的副產品,即硫酸銨(NH4)2SO4和硫酸氫銨NH4HSO4,加劇對空氣預熱器換熱元件的堵塞和腐蝕;若噴氨量小于需求量,則反應不充分,造成NOx排放超標。由于噴氨量主要由氨流量調節閥控制,因此為保證脫硝出口NOx排放濃度滿足環保要求,控制氨逃逸率低于3×10-6mg/m3,提高脫硝系統噴氨自動控制的品質尤為重要。
 
2初始噴氨自動控制策略
 
該電廠原脫硝噴氨自動控制策略是摩爾比串級回路控制,與單回路比例-積分-微分(PID)相比,摩爾比串級回路控制相對復雜,該串級控制回路由主調和副調控制回路組成。
 
a.主調控制回路。利用脫硝反應時MNH3/MNOx摩爾比近似等于1的原理,使用煙氣進口NOx質量濃度和煙氣流量的乘積得到基本的NOx含量,再乘以二者摩爾比便可得到氨氣需求量,在滿足脫硝效率要求的情況下,設置二者摩爾比為0.84,同時進行脫硝出口NOx對二者摩爾比的修正調節(依據出口NOx質量濃度與設定值偏差進行PID調節),此外,在操作員站上設有摩爾比偏置,提供了摩爾比的設定功能。
 
b.副調控制回路。根據修正的摩爾比計算得到所需要的氨氣流量,其作為副調的給定值與氨氣流量測量值的偏差經過副調調節后輸出控制指令,控制噴氨流量調節閥開度,改變噴氨量大小,最終將出口NOx質量濃度控制在設定值范圍內。
 
3噴氨自動控制影響因素分析及優化
 
初始邏輯設計雖然采用了較為經典的控制策略,但是設計不完善,沒有考慮更多的細節,同時由于PLC實現復雜的模擬量控制較為困難,所以脫硝噴氨自動一直無法正常投入,長時間依靠運行人員手動調節,在負荷變化較大時,脫硝出口NOx質量濃度得不到及時有效地控制,嚴重影響了NOx的達標排放。為解決該問題,使噴氨自動能夠有效投入,達到良好的調節品質,全面分析噴氨自動控制的影響因素,并對現有噴氨自動控制進行優化改造。
 
3.1影響因素分析
 
a.系統延遲性。由于脫硝反應系統及取樣測量系統的延遲性,使噴氨自動控制系統被控對象的響應延遲時間在2~3min,是典型的大滯后被控對象,這意味著噴氨調節閥動作后,出口NOx需要一段時間才會有變化,這使得調節的及時性受到制約。
 
b.入口NOx含量波動大。受燃燒調整、煤質變化、負荷變化頻繁及啟停磨等影響,脫硝入口NOx質量濃度變化大、變化快,由于脫硝反應區入口到出口的距離短,噴氨反應有一定的時間滯后,所以反應就不完全,出口NOx也會相應快速上升,導致超調。
 
c.NOx測量數值異常。脫硝煙氣自動監控系統(CEMS)取樣采用直抽法,系統處于負壓狀態,若取樣管路有泄漏,氧量測量就會失準,導致經過氧量折標的NOx質量濃度異常;取樣探頭及管線堵塞,取樣流量消失,分析儀表報故障,會使NOx數值失準;分析儀表吹掃/標定期間,NOx數值將保持不變,這些都會影響噴氨自動控制。
 
d.煙氣流量計算不準。煙氣流量通過燃料量計算而來,由于其參與噴氨需求量的計算,其計算的準確程度,將決定計算所得噴氨需求量與實際需求量偏差的大小,偏差太大,主調修正回路無法進行有效地修正調節,從而影響噴氨自動的投入及調節效果。
 
e.噴氨流量的穩定性差。噴氨流量采用節流孔板的方式測量,其測量數值受到孔板特性的影響,同時受到氨區供氨壓力的影響,供氨壓力通過機械減壓閥和穩壓罐調節,供氨壓力不穩,波動較大,使噴氨流量測量值頻繁發生變化,與閥門開度對應的穩定性差,對調節回路產生擾動,影響調節效果。
 
f.噴氨不均勻。噴氨不均勻會引起反應器出口NOx含量分布不均勻,進而導致出口NOx測量值不具有代表性,從而影響噴氨自動調節效果;脫硝CEMS取樣測點位置選取不當,可能使取樣探頭處于渦流區,NOx測量數值不能正確反應實際變化,這些也影響噴氨自動的調節效果。
 
g.控制邏輯設計不完善。PLC實現復雜的模擬量控制較為困難,原有邏輯回路無前饋信號,沒有對大延遲屬性進行有針對性地優化;原有邏輯對摩爾比進行偏置,對運行人員來說,畫面中無摩爾比顯示,偏置調整不直觀。
 
3.2優化方法
 
3.2.1脫硝噴氨自動控制的優化
 
根據分析結果,優化現有的脫硝噴氨自動控制系統,對脫硝進出口CEMS系統全面細致檢查,測點選取不當的進行移位改造;合理調整自動吹掃/標定時間及間隔時間,防止脫硝進出口CEMS裝置的吹掃時間重合,最大程度保證接收的NOx、O2含量等參數的真實性;通過噴氨格柵(AIG)噴氨優化調整試驗,調整每路進氨支管手閥的開度,調整不同區域的噴氨量,最終達到噴氨均勻;對噴氨調節閥進行檢修,并重新調試定位,使兩側閥門開度與流量特性盡量一致,并在分布式控制系統(DCS)中利用函數修正閥門特性。
 
此外,也優化了控制系統邏輯,由于PLC實現復雜的模擬量控制較為困難,利用電流信號隔離器,將與噴氨自動相關的參數測點同時引入PLC與DCS中,并在DCS中對噴氨自動控制進行邏輯組態,然后將調節閥自動指令再送回PLC輸出,脫硝噴氨自動的投切、給定值設定、流量偏置等與自動相關的操作仍在原輔網畫面進行,僅在DCS中進行邏輯運算。
 
將控制邏輯引入DCS后,對噴氨自動控制策略優化,優化后主體仍采用串級回路控制,基于出口的串級控制方式見圖1。

3.2.2主調及副調控制回路的優化

 

主調控制回路不再修正摩爾比,而是根據出口NOx質量濃度與其設定值的偏差經PID調節輸出,直接對計算出理論所需的噴氨流量進行修正(修正范圍0.7~1.3)。理論所需的噴氨流量則是由燃料量所計算出的煙氣量乘以入口NOx質量濃度與出口NOx設定值之差,再乘以二者摩爾比得到氨氣需求量。

 

副調控制回路由主調回路修正后得到的噴氨流量,加上運行人員手動偏置量,作為副調的給定值,與噴氨流量測量值的偏差經過PID調節后輸出自動控制指令,控制噴氨流量調節閥開度,改變噴氨量大小。為了減小系統遲延的影響,在控制系統中引入了變負荷前饋;另外,由于燃燒工況的變化會影響入口NOx質量濃度,當發現入口NOx質量濃度迅速上升,出口NOx質量濃度超過設定值時,調節已來不及,觀察發現尾部煙道處煙氣氧量測點,能提前反應入口NOx質量濃度的變化趨勢,引入氧量信號作為前饋,來減少遲延與超調。

 

正常情況下通過脫硝系統出口NOx質量濃度來調節噴氨調門開度,從而調節噴氨流量,當出口分析儀進行吹掃/標定時,閉鎖主調PID運算,保持原輸出,減少超調;當氨逃逸率超過2×10-6mg/m3,副調回路閉鎖,防止過量氨的噴入。

 

在噴氨調節系統自動調節時,通過觀察曲線發現,噴氨調門開度基本在25%~55%就能滿足不同負荷下脫硝效率的要求,結合閥門流量特性,同時為防止測點反應遲緩,造成調節閥過開或過關,所以限制噴氨調節閥開度自動指令在20%~70%進行調節,以免超調;手動操作時調門無開度限制,可在0~100%操作。

 

4優化后的效果

 

優化后的脫硝噴氨自動調節品質有了明顯改善,基本滿足機組各種參數運行工況的變化,自動調節可長期投入,出口NOx質量濃度基本能穩定在設定值的±20mg/m3范圍以內,噴氨自動控制能滿足運行要求,氨的逃逸率控制在3×10-6mg/m3內,減輕了運行人員的操作強度,使NOx排放濃度滿足環保要求。

 

5結束語

 

通過對現有噴氨自動控制系統的優化,自動調節品質雖然有了明顯改善,但是隨著環保標準的日趨嚴格,以及超低排放改造的實施,對脫硝噴氨這種大延遲自動控制系統,傳統的PID控制將很難滿足現場控制要求,因此探索結合模糊控制、神經網絡、史密斯預估等先進控制算法進行優化,是今后學習工作的一個方向,以期找到合理的控制策略,提高控制品質,滿足脫硝自動控制的要求,為脫硝系統的安全、穩定和經濟運行提供保障。(來源鍋爐兄弟)

 

精彩導讀

 

供氨調節門對火電廠脫硝系統的工況有直接影響,但某些情況下由于脫硝自控系統的“不接地氣”而致使脫硝系統無法投入,并導致NOx超標。應通過對現場情況的認真分析,促進DCS組態優化,使脫硝系統保持較高的自動投入率,以符合電力生產的環保要求。

 

隨著我國科技的不斷進步,人們對于環境保護的認識也越來越深刻。同時,低碳環保理念的提出也使得火力發電廠在煙氣脫硫脫硝技術的實施力度不斷加大,這是走可持續發展道路的重要前提。目前我國的發電廠脫硝技術仍處于發展階段,未來還有很長的一段路要走。

 

1.發電廠脫硝技術分析

 

(1)濕法煙氣脫硝技術。濕法煙氣脫硝技術的基本原理,運用濕法煙氣脫硝計算進行脫硝時,在這個過程中降一氧化氮先轉化差能二氧化氮,然后才可以進行繼續脫硝,在這個過程中可以加入適量的水或是使用其它可以作為吸收物質來進行脫銷,達到脫硝的目的。

 

使用此方法進行脫硝工作要注意在脫硝反應的局部進行此工作。分析比較脫硫與脫硝的各個方面可以發現,煙氣脫硝技術要復雜于煙氣脫硫技術,具有一定的特殊性,相關的科研人員在進行研究的過程中要格外注意這一點,不可將脫硫技術移植到脫硝技術中。

 

(2)干法煙氣脫硝技術。干法煙氣脫硝技術的主要原理,即在煙氣脫硝的過程中應用氣態反應劑,進而將煙氣中的氮氧化物轉化為氮氣與水,從而達到脫硝的目的。在實際的脫硝過程中最主要化學反應為催化還原反應,此外,還可以應用氧化銅法進行脫硝處理。在我國現階段的脫硝處理方法中,主要應用的還是干法煙氣脫硝技術。然而即使脫硝的效率在一定的程度上得到了提升,但是成本的選擇和應用均較復雜而且難度也較大。

 

2.火力發電機組的脫硝控制問題

 

火力發電機組的脫硝控制是把所收集到的所有信號進行相應的計算和處理,根據相應的規范和要求進行操作,并發出指令來控制噴氨的輸出量,這樣就可以對氮氧化物的含量的得到有效的控制。從目前看,我國的火力發電機組脫硝控制所使用的控制方法主要是串級控制,主回路一般是按照選擇性催化還原脫硝系統氮氧化物的含量與出口氮氧化物的設定值,出口是可以作為反饋的。

 

將兩者間的偏差引入到PI控制中,這樣才可以得到氨氮化物比的系數。脫硝率和SCR進口氮氧化物含量是通過對副回路中的煙氣流量的計算所的到的,同時可以計算出氨量的設置值,以實際的測量得到的液氨流量作為實際的反饋,兩者之間的實際偏差引進到PI控制中,這樣所得到的對噴氨調節閥的開啟命令。

 

已備份的火力發電機組脫硝系統進行實際的投入使用以后做出了一定的優化設置,在氨量設定值計算的回路中,以機組負荷信號當作運算的前饋,進而縮短回路的反應時間。

 

火力發電機組脫硝控制采用的控制方法的一般特點是:副回路是粗條回路,主要要求是速度要快,并可以在一定程度上可以快速的控制干擾;副回路主要的控制量是主回路的輸出和煙氣的流量等,主要的目的是可以對氮氧化物在出口進行控制,而實際上進口的氮氧化物的濃度與煙氣流量對被控量的影響要比出口氮氧化物的影響要快速。

 

其中,副回路的控制效果與主要的擾動量沒有相關性質。出口氮氧化物的變化是由于氨量變化而引起的,這個過程還由反應器催化劑的相關性質有關。由于沒有辦法體現兩側煙氣流量的偏差與低負荷時煙氣流量計算的偏差很大,這樣的問題都會在一定程度上影響噴氨量的自動控制。

 

3.對策措施

 

(1)針對自控。

 

PID模塊控制對象與實際運行中所期望的控制目標之間的矛盾,利用機組停機機會進行相關參數設置值的更改,即:進入DCS組態環境,將自動控制下的控制對象由原先的“脫硝效率”改為“NOx含量”,這樣就使自動控制目標值與運行人員所關注的考核目標相一致,一方面保證了電力生產的環保要求,另一方面也極大地方便了運行人員的操控。

 

(2)針對供氨調節門死區偏大問題,經細致查勘和說明書翻閱,發現供氨調節門閥門為Limitorque電動執行器,其死區其實是可以調整的(范圍為1%-50%,默認2%)。由于導致供氨調節門不能自動運行(實質是可以自動運行的,但效果差)的要因是死區過大,所以進入系統相關菜單將死區設置為理論上可以達到的最小值(即由當前的2%調整為1%),以提升閥門對DCS指令的響應速率。

 

另外,因系統構成上是供氨調節門位于過濾器后面,這樣一旦長時間運行,過濾器出現堵塞是大概率事件;萬一過濾器有堵塞,直接影響的是液氨流量曲線對液氨調節門開度曲線的跟蹤效果;所以在停爐機會下,不能遺忘對過濾器的清洗。

 

(3)現場煙氣監測儀的自動維護功能對自控系統造成的擾動問題,顯然可以歸屬于不同系統之間銜接不暢的情形。要從根本上解決該問題,需將煙氣監測儀與供氨自動控制系統進行集成,但這樣投資較大,停機時間過長。為了改善機組運行情況下供氨自控系統頻繁崩潰的現狀,只能考慮在不新增投入的前提下提升對DCS組態邏輯的利用程度。

 

具體實現:當DCS系統“感受”到煙氣監測儀處于自我維護狀態時,相關輸出值非NOx真實含量,因此自控系統應停止調節,將供氨調節閥門開度鎖定在監測儀表執行自我維護行為之前的開度;監測儀表完成自我維護后,自動調節系統應立即由“關閉調節”轉為“開啟調節”。以上處置可在最大程度上規避監測儀表運行對自控系統的影響。

 

自控系統模塊運行:

 

1)MOXPODII模塊是DCS中基于PID控制的自動調節模塊。

 

2)CFK34XB104、CFK34XB101、CFK34XB106分別表征的是煙氣監測儀的校準態、故障態和反吹態三個信號執行“或”運算(只要有一個為“真”就輸出控制邏輯至供氨自控系統)。

 

3)ST_SEL模塊起到選擇開關的作用,具體來說,當S1為1時,VAL2執行輸出(其值為設定值HSJ12AA100_SP),對于MOXPODII模塊,因設定值SP和測量值PV相同,所以模塊不執行自動調節;當S1為0時,VALl執行輸出(其值為NOx測量值HSA20CQ103),則MOXPODII模塊對設定值和測量值進行比較,并以兩者偏差作反饋式調節。

 

(4)相關延伸??梢灶A見執行措施(1)-(3)后,能夠在不對原系統大拆大建前提下大幅提升供氨調節門自動運行投入率,使脫硝工序的穩定性和可靠性得到躍增。當然這些措施從根本上講是改良性的不可能百分百避免監測儀表對自控系統的干擾。

 

如果要徹底規避,一個可行的辦法是多增一臺在線監測儀表且與原儀表的自我維護時間錯開,然后由DCS對兩臺儀表輸出的NOx測量值進行綜采:兩臺均正常工作時取它們的平均值;當一臺自我維護時取另一臺數值,這樣就可使問題得到進一步改善。

 

4.結語

 

總體來說,隨著環保期望的提升,火電廠在電力生產上被寄以更高的清潔要求。我們對600MW機組運行中出現的脫硝系統供氨控制自動運行投入困難的問題,通過層層梳理,分析了原因所在并提出了針對性應對措施,研究成果可作為同類問題解決的有效借鑒。

 
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