论文部分内容阅读
【摘要】目前环境保护已然成为全社会关注的焦点，而作为火力燃煤发电机组烟气排污的主要污染物NOx更成为了焦点中的焦点。如何降低火力燃煤发电机组NOx的排放总量成为火力燃煤发电机组脱硝技术研究的热点问题，从低氮燃烧的设计到SCR烟气脱硝技术的普遍应用，低氮排放技术已经经历了多年的发展。虽然理论设计已经相当成熟，但是在实际应用中还存在许多问题。本文结合火力燃煤发电机组SCR烟气脱硝技术实际应用情况，主要介绍了火力燃煤发电机组选择性催化还原法（SCR）脱硝技术，并针对其工业控制过程中存在的问题提出了作者的一些优化意见。
【关键词】方案；控制；优化；
1、引言
目前我国化石能源消耗主要是以消耗煤炭能源为主的能源消耗，约占全部能源消耗的75%。由煤产生的NOx（氮氧化物）污染约占所有NOx污染的比例高达67%。在新能源普及应用之前此格局还将持续相当长的一段时间，而火力燃煤发电机组仍然占据很大份额。火力燃煤发电机组燃烧所释放出废气中含有大量的有害物质NOx，我国火力燃煤发电机组因消耗煤炭而产生的NOx约占全球的3.1%。如此大量排放不但会污染环境，引起生态失去平衡，而且直接影响人体的健康。如何降低火发电燃煤机组的NOx成了我们目前必须面对的问题。为此行业技术人员研究设计了低氮燃烧器技术和烟气脱硝技术。本文主要介绍后者在实际应用中存在的问题并从过程控制方面提出了一些改进的意见。
2、火力燃煤发电机组选择性催化还原法（SCR）脱硝技术
无论在燃烧阶段应用何种先进的低氮燃烧技术，燃烧后的烟气中还是会含有大量的NOx，为了将NOx的排放降低至环保要求，一种叫做选择性催化还原法（SCR）的脱硝技术正广泛的应用于火力燃煤发电机组。其NOx的脱除率可达到80%～90%，已成为目前国内外火力燃煤发电机组脱硝应用较广泛的技术。
2.1 SCR脱硝技术原理
SCR技术是还原剂（液氨）在一定溫度下与催化剂作用，选择性地与氮氧化物发生化学反应，生成无害的氮气和水，而不是被氧气所氧化，因此被称为“选择性催化还原法”。主要反应如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→6N2+6H?2O
2.2 SCR运行中的主要影响因素
在SCR系统设计中，我们技术人员主要关注的运行参数是SCR反应器入口的烟气温度、烟气流速、氧气浓度、钝化影响以及氨逃逸率。
SCR反应器入口烟气温度高低对选择催化剂至关重要。因为催化反应只能在一定的温度范围内进行，否则催化剂会失效，影响脱硝效率，严重时会堵塞空预器，因此烟气温度直接影响反应的进程；烟气流速方面主要影响的是氨气与NOx的混合程度，流速设计合理了才能保证氨气与NOx混合充分；氨逃逸率也应该是我能必须加以关注的一个重要参数，实际被喷射进入系统的氨气量往往都是有余量的，反应多余的氨被称为氨逃逸，虽然氨逃逸量的增加会使反应充分，在某种程度上会提高脱硝效率，但是氨逃逸过大的话，就会大量增加氨使用量，造成浪费，严重时还会导致空预器堵塞；同时氧气浓度的增加对催化剂性能的提高有很大的影响，能使催化剂的效能达到最佳值。
脱硝系统控制调节及保护系统必须根据上述特点进行分析及设计，才能保证系统稳定可靠运行，但是恰恰这些因素又是难以掌控的，所以给整个脱硝系统过程控制方面带来了诸多问题，成为了脱硝技术迅速发展中的绊脚石。
3、SCR脱硝控制方案
根据系统工艺流程我们主要设计了几个模拟量调节系统，但其中最为重要的也是核心的控制就是对SCR反应器NH3流量的控制，也是最大的难点。现场调门的好坏也至关重要，因为管道直径不大，调门稍稍摆动就会产生很大的流量波动。固定摩尔比控制法和反应器出口NOx定值控制法，是我们在工程实践中比较常用的两种方法。
3.1 固定摩尔比控制方案
3.1.1控制过程
氨气流量的计算式很好理解，只要测得反应器入口烟气流量及氮氧化物浓度，我们再乘上摩尔比即可得到我们需要的氨气流量。
烟气脱硝系统是通过固定的NH3/NOx摩尔比来控制所需要喷入的氨气量的。算得氨气流量信号直接作为给定值送入PID控制器与现场实测的氨气流量做比较，经PID控制器运算后发出调节信号控制SCR入口氨气流量调节阀的开度从而实现对氨气流量的调节与控制。
3.1.2控制过程中的优缺点
由于烟气流量实际波动较大常规仪表很难准的确测量，而且烟气流量与负荷变化的函数变化关系又不是很明朗，难以定量描述，现有的技术手段很难准确预知烟气流量的变化；NOx测量时需要经过CEMS系统处理，其测量系统中的预处理时间较长导致NOx信号存在较长时间滞后问题；长时间运行后的烟道两侧催化剂的活性出现较大差异，使得原来设计的参数变得不再适应；大负荷变化期间预喷氨控制，将烟气中的氧量信号用作预示负荷变化的超前信号，对喷氨调门的控制有所帮助，但由于脱硝系统存在明显的NOx分析仪响应滞后的问题，所以还是不能取得特别好的效果；由于CEMS系统中氧量信号测量存在大迟延且CEMS定时反吹对氧量处理影响较大，建议将氧量信号改为氧化锆直接测量，效果会更好一些。
3.2 出口NOx定值控制方案
3.2.1控制过程
顾名思义我们就是要始终保持SCR反应器出口NOx的恒定。其实反应器出口NOx定值控制法与固定摩尔比的控制法在主回路原理上基本相同，主要的区别在于摩尔比是个变值，往往还需修正，摩尔比与反应器出口NOx值以及机组负荷还得相适应，规律不明显，控制难度较大。
3.2.2控制工程中的优缺点
机组长时间运行以后催化剂的催化效果就会发生改变，而且烟道两侧也会有差别，即使在锅炉负荷已不变的条件下，反应器出口NOx浓度也会长时间波动，所以采用固定脱硝装置出口NOx方式作为控制时，还应该考虑对这种波动情况进行补偿。这种控制方式在负荷、风量、煤质大幅度波动时调节品质较差，不能适应全工况过程调节；同时固定摩尔比过程控制中存在的问题在此种方案上也不能很好的解决。
3.3 串级控制方案
为了解决以上两种控制方案的弊端，为此我们采用了传统的串级控制方案。
3.3.1控制过程。
我们将SCR反应器效率作为主调，喷氨流量作为副调。负荷以及SCR反应器入口NOx作为副调的设定值修正。副调的设定值同时作为副调执行器输出的前馈修正。为了使运行人员便于控制，我们在逻辑中将SCR反应器出口NOx的含量经过函数计算作为主调的设定值。
3.3.2控制工程中的优缺点
此控制方案中采用液氨流量测量代替传统的烟气流量测量，实际运行中液氨流量测量值波动较小，能够及时反映进入SCR反应器的液氨瞬时流量；串级控制中兼顾SCR反应器出、入口NOx，更能实时监测SCR反应器内部的运行工况，便于运行人员操作；取消了繁琐的计算原理，便于技术人员在线实时的调整各项参数；由于调节时仍旧需要测量NOx含量，对系统影响较大，而烟气排污后主要考核位置在烟囱出口的NOx，建议将出口NOx引入控制系统作为副调控制器输出的前馈；在实际控制喷氨调门时应根据设计参数设置喷氨调门的上限或者将氨逃逸或者氨泄露越限报警信号作为喷氨调门的开启的限制条件，防止喷氨流量过大导致空预器堵塞或者氨泄漏事故。
火力燃煤发电机组脱硝SCR系统作为一项重要的环保技术，在实践运行中还需要更多的经验积累。很多具体的工程还应该根据自身特点及要求进行优化，只有不断的在实践中检验才能真正推动我们技术的进步，以提高脱硝控制水平，满足企业对自动化水平日益增长的需求。
4、结论
本文详细的介绍了火力燃煤发电机组SCR采用的两种常规的控制方案，并总结其实际现场应用中的不足之处，最后针对两种控制方案的弊端提出了一种改进的串级控制方案，对于同类的工程控制中具有一定的借鉴价值。
参考文献
闵兆俭（1983，2-），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，毕业于东北电力大学，学士学位，助理工程师，专业为控制科学工程，现从事火电厂热控专业工作。
【关键词】方案；控制；优化；
1、引言
目前我国化石能源消耗主要是以消耗煤炭能源为主的能源消耗，约占全部能源消耗的75%。由煤产生的NOx（氮氧化物）污染约占所有NOx污染的比例高达67%。在新能源普及应用之前此格局还将持续相当长的一段时间，而火力燃煤发电机组仍然占据很大份额。火力燃煤发电机组燃烧所释放出废气中含有大量的有害物质NOx，我国火力燃煤发电机组因消耗煤炭而产生的NOx约占全球的3.1%。如此大量排放不但会污染环境，引起生态失去平衡，而且直接影响人体的健康。如何降低火发电燃煤机组的NOx成了我们目前必须面对的问题。为此行业技术人员研究设计了低氮燃烧器技术和烟气脱硝技术。本文主要介绍后者在实际应用中存在的问题并从过程控制方面提出了一些改进的意见。
2、火力燃煤发电机组选择性催化还原法（SCR）脱硝技术
无论在燃烧阶段应用何种先进的低氮燃烧技术，燃烧后的烟气中还是会含有大量的NOx，为了将NOx的排放降低至环保要求，一种叫做选择性催化还原法（SCR）的脱硝技术正广泛的应用于火力燃煤发电机组。其NOx的脱除率可达到80%～90%，已成为目前国内外火力燃煤发电机组脱硝应用较广泛的技术。
2.1 SCR脱硝技术原理
SCR技术是还原剂（液氨）在一定溫度下与催化剂作用，选择性地与氮氧化物发生化学反应，生成无害的氮气和水，而不是被氧气所氧化，因此被称为“选择性催化还原法”。主要反应如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→6N2+6H?2O
2.2 SCR运行中的主要影响因素
在SCR系统设计中，我们技术人员主要关注的运行参数是SCR反应器入口的烟气温度、烟气流速、氧气浓度、钝化影响以及氨逃逸率。
SCR反应器入口烟气温度高低对选择催化剂至关重要。因为催化反应只能在一定的温度范围内进行，否则催化剂会失效，影响脱硝效率，严重时会堵塞空预器，因此烟气温度直接影响反应的进程；烟气流速方面主要影响的是氨气与NOx的混合程度，流速设计合理了才能保证氨气与NOx混合充分；氨逃逸率也应该是我能必须加以关注的一个重要参数，实际被喷射进入系统的氨气量往往都是有余量的，反应多余的氨被称为氨逃逸，虽然氨逃逸量的增加会使反应充分，在某种程度上会提高脱硝效率，但是氨逃逸过大的话，就会大量增加氨使用量，造成浪费，严重时还会导致空预器堵塞；同时氧气浓度的增加对催化剂性能的提高有很大的影响，能使催化剂的效能达到最佳值。
脱硝系统控制调节及保护系统必须根据上述特点进行分析及设计，才能保证系统稳定可靠运行，但是恰恰这些因素又是难以掌控的，所以给整个脱硝系统过程控制方面带来了诸多问题，成为了脱硝技术迅速发展中的绊脚石。
3、SCR脱硝控制方案
根据系统工艺流程我们主要设计了几个模拟量调节系统，但其中最为重要的也是核心的控制就是对SCR反应器NH3流量的控制，也是最大的难点。现场调门的好坏也至关重要，因为管道直径不大，调门稍稍摆动就会产生很大的流量波动。固定摩尔比控制法和反应器出口NOx定值控制法，是我们在工程实践中比较常用的两种方法。
3.1 固定摩尔比控制方案
3.1.1控制过程
氨气流量的计算式很好理解，只要测得反应器入口烟气流量及氮氧化物浓度，我们再乘上摩尔比即可得到我们需要的氨气流量。
烟气脱硝系统是通过固定的NH3/NOx摩尔比来控制所需要喷入的氨气量的。算得氨气流量信号直接作为给定值送入PID控制器与现场实测的氨气流量做比较，经PID控制器运算后发出调节信号控制SCR入口氨气流量调节阀的开度从而实现对氨气流量的调节与控制。
3.1.2控制过程中的优缺点
由于烟气流量实际波动较大常规仪表很难准的确测量，而且烟气流量与负荷变化的函数变化关系又不是很明朗，难以定量描述，现有的技术手段很难准确预知烟气流量的变化；NOx测量时需要经过CEMS系统处理，其测量系统中的预处理时间较长导致NOx信号存在较长时间滞后问题；长时间运行后的烟道两侧催化剂的活性出现较大差异，使得原来设计的参数变得不再适应；大负荷变化期间预喷氨控制，将烟气中的氧量信号用作预示负荷变化的超前信号，对喷氨调门的控制有所帮助，但由于脱硝系统存在明显的NOx分析仪响应滞后的问题，所以还是不能取得特别好的效果；由于CEMS系统中氧量信号测量存在大迟延且CEMS定时反吹对氧量处理影响较大，建议将氧量信号改为氧化锆直接测量，效果会更好一些。
3.2 出口NOx定值控制方案
3.2.1控制过程
顾名思义我们就是要始终保持SCR反应器出口NOx的恒定。其实反应器出口NOx定值控制法与固定摩尔比的控制法在主回路原理上基本相同，主要的区别在于摩尔比是个变值，往往还需修正，摩尔比与反应器出口NOx值以及机组负荷还得相适应，规律不明显，控制难度较大。
3.2.2控制工程中的优缺点
机组长时间运行以后催化剂的催化效果就会发生改变，而且烟道两侧也会有差别，即使在锅炉负荷已不变的条件下，反应器出口NOx浓度也会长时间波动，所以采用固定脱硝装置出口NOx方式作为控制时，还应该考虑对这种波动情况进行补偿。这种控制方式在负荷、风量、煤质大幅度波动时调节品质较差，不能适应全工况过程调节；同时固定摩尔比过程控制中存在的问题在此种方案上也不能很好的解决。
3.3 串级控制方案
为了解决以上两种控制方案的弊端，为此我们采用了传统的串级控制方案。
3.3.1控制过程。
我们将SCR反应器效率作为主调，喷氨流量作为副调。负荷以及SCR反应器入口NOx作为副调的设定值修正。副调的设定值同时作为副调执行器输出的前馈修正。为了使运行人员便于控制，我们在逻辑中将SCR反应器出口NOx的含量经过函数计算作为主调的设定值。
3.3.2控制工程中的优缺点
此控制方案中采用液氨流量测量代替传统的烟气流量测量，实际运行中液氨流量测量值波动较小，能够及时反映进入SCR反应器的液氨瞬时流量；串级控制中兼顾SCR反应器出、入口NOx，更能实时监测SCR反应器内部的运行工况，便于运行人员操作；取消了繁琐的计算原理，便于技术人员在线实时的调整各项参数；由于调节时仍旧需要测量NOx含量，对系统影响较大，而烟气排污后主要考核位置在烟囱出口的NOx，建议将出口NOx引入控制系统作为副调控制器输出的前馈；在实际控制喷氨调门时应根据设计参数设置喷氨调门的上限或者将氨逃逸或者氨泄露越限报警信号作为喷氨调门的开启的限制条件，防止喷氨流量过大导致空预器堵塞或者氨泄漏事故。
火力燃煤发电机组脱硝SCR系统作为一项重要的环保技术，在实践运行中还需要更多的经验积累。很多具体的工程还应该根据自身特点及要求进行优化，只有不断的在实践中检验才能真正推动我们技术的进步，以提高脱硝控制水平，满足企业对自动化水平日益增长的需求。
4、结论
本文详细的介绍了火力燃煤发电机组SCR采用的两种常规的控制方案，并总结其实际现场应用中的不足之处，最后针对两种控制方案的弊端提出了一种改进的串级控制方案，对于同类的工程控制中具有一定的借鉴价值。
参考文献
闵兆俭（1983，2-），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，毕业于东北电力大学，学士学位，助理工程师，专业为控制科学工程，现从事火电厂热控专业工作。