基于全截面氨逃逸零超標的SCR脫硝控制系統研究與應用

華電滕州新源熱電有限公司 閔國政 北京新葉科技有限公司杭州分公司 夏仁杰

選擇性催化還原脫硝控制（Selective Catalytic Reduction，SCR）作為國內多數火力發電廠的脫硝控制方案，對于目前日益嚴格的排放標準已經逐漸力不從心，急需做出改造。目前，控制方式存在幾個較明顯的缺陷：一是適應性差，針對不同的工況，只有一套可用的PID 控制方案；二是經濟性差，為了滿足環?？己酥笜硕^度噴氨，將氮氧化物濃度控制的非常低，卻忽略了氨逃逸以及氨耗量等其他要素；三是沒有做到控制程序與硬件相結合。

除了氮氧化物的控制外，氨逃逸的控制也是SCR 脫硝控制中重要的一環。但是現在大部分燃煤電廠對于氨逃逸都只處于一個監測的狀態，并沒有將其運用到脫硝控制中；或者只有單點的氨逃逸監測控制，無法做到全截面全煙道的監測控制。目前的控制策略仍有較大的提升空間。

本文使用了某先進高精度高效率測量儀表，結合前饋控制、分區控制、全截面氨逃逸控制及多級PID 控制對SCR 脫硝系統做出改造，并在某燃煤電廠進行應用示范。該系統的應用可顯著提升SCR 脫硝控制系統的穩定性、適應性和經濟性，提高機組經濟效益與競爭力。

1 脫硝控制系統

1.1 SCR 脫硝控制原理

在一般的火力發電廠中，作為還原劑的NH3通過SCR 反應器內的專用管道，在專用噴頭的作用下噴入煙道與鍋爐煙氣均勻混合。在一定的溫度和合適的催化劑的條件下，煙氣和NH3在SCR 反應器中反應生成無害的氮氣N2和水H2O，具體反應方程式如下：

反應過程中，還會有部分NOx 被氧化：

目前，一些火電廠針對鍋爐出口NOx 的調節方式主要是通過噴氨量進行調節。根據SCR 反應器出口NOx 的實際測量值與期望設定值的偏差，調節SCR 反應器入口處的噴氨調節閥開度來控制出口NOx 的濃度，使出口NOx 濃度保持在合適的值。

但是，當前燃燒煙氣在線監測系統（CEMS）在使用過程中也暴露出了一些問題：維護工作內容多；維護消耗成本高；測量在時間上存在滯后性，在空間上不具有代表性，等等。這導致DCS 得到的數據并不能準確地反映測量時機組的真實情況，有較大的改進空間。

1.2 基于全截面氨逃逸零超標的SCR 脫硝控制系統原理

本控制系統由三部分組成：一是以多變量專家預測控制為前饋，串級PID 為主體的總量噴氨控制；二是以調平煙道煙氣濃度為目標的分區控制；三是在前兩層控制基礎上降低氨逃逸的氨逃逸控制。

測量儀表及測量方法的改進?？焖贉y量儀表：在硬件層面上，針對目前CEMS 儀表存在的測量滯后、維護困難等問題，本系統選擇改用快速測量儀表。測量方式從原位取樣測量法變成了紫外差分吸收光譜法。NLC-01型快速測量系統采用的是紫外差分吸收光譜法，該方法是在吸收光譜法的基礎上發展起來的，對被測氣體濃度進行比較準確定量分析的光譜分析方法。其基本原理為朗伯比爾定律：

公式中，I（λ）為經過氣體吸收之后的光譜；I0（λ）為光源原始光譜；L 為光程；δj（λ）為第j 種氣體的吸收截面；cj為第j 種氣體的氣體濃度；εR（λ）為瑞利散射；εM（λ）為米氏散射；A（λ）為儀器干擾。

在紫外差分吸收光譜測量的計算中，光譜儀直接測量的光譜并不是單純所檢測氣體吸收的光譜，而是一個綜合因素摻雜影響而呈現的光譜，需要對光譜進行濾波處理。影響因素主要有：水蒸汽和其他氣體的吸收、各種光學器件造成的折射和光強衰減、Mie 散射和Rayleigh 散射消光等。其中，Mie 散射和Rayleigh散射等因素引起的光譜隨波長變化為慢變的寬帶吸收，吸收氣體引起的光譜隨波長變化為快變的窄帶吸收，利用算法處理可將其慢變和快變部分分離，得到只表征吸收氣體的光譜。

1.3 分區同步測量法

分區測量儀表方面，本系統使用的NOx 分區同步測量系統。同步測量法是指每個測點探頭在同一時間抽取煙氣，因為流速一致，通過修改每根樣氣傳輸管長度，控制樣汽的流動時間，使樣汽到達分析儀的時間不同，制造一個時間差，分析儀在一個循環內測量顯示的NOx 數值是每個測點探頭同一時間抽取的煙氣，從而達到同步輪測。

1.3.1 以神經網絡為基礎的專家預測前饋

通過與DCS 通訊得到入口NOx濃度、出口設定值、煙氣流速、煤量等提前于出口NOx 濃度的數據，初步計算出在當前期望出口NOx 濃度下需要的噴氨量，公式如下：

其中，c0（NOx）代表SCR 反應器入口NOx濃度，cs（NOx）表示系統SCR 反應器出口NOx期望值，v 表示當前的煙氣流速，MNOx表示NOx的平均相對分子質量，MNH3表示NH3的相對分子質量，k 表示單位換算值，k1表示化學方程式配平系數。

通過以上公式，系統可以在煙氣剛進入SCR 反應器時，就計算出當前入口條件及出口設定值情況下所需要的噴氨量，相比于對出口NOx 實際濃度和期望濃度的偏差反饋控制更加提前。

除了入口前饋，本系統還增加了針對磨組啟停時的啟停磨前饋。在觀察機組歷史運行趨勢后，選取磨煤機電流、一次風量作為啟磨信號，選取給煤機電流和給煤量作為停磨信號。當啟磨信號或者停磨信號來時，便對噴氨量做出一定的修正，作用時間也遠遠提前于出口控制。

1.3.2 分區與氨逃逸控制

在總量控制的作用下，本系統保證了脫硝作業在時間上控制的提前與準確。但是在煙道的空間分布上并不具備代表性。所以本系統增加了分區控制，對SCR 噴氨格柵和噴頭進行前后左右分區，增設各分區對應支管調節門、實現各分區的獨立調節。分區的控制分為一層NOx 控制和二層氨逃逸控制，目的是盡可能的將兩項指標同時控制在合理范圍內。

分區閥門主要調節手段是對氨空混合器后的混合還原劑進行分配調節，使得進入噴氨格柵各個區域的還原劑濃度相對關系發生變化，而不對總噴氨量進行調節，總噴氨量調節仍由噴氨總管上的流量調節閥進行。分區調節的目標是在總排口不超標的情況下使得SCR 出口NOx 測量值盡可能平均，同時優先保證SCR 出口各個氨逃逸分區測點低于報警值。

圖1 總量控制優化策略

圖2 分區滾動均值輪側算法

1.4 基于滾動均值的反饋控制算法

分區自動控制在運行過程中，會不斷接收分區輪側儀表傳輸過來的數據，并根據邏輯不斷更新分區的濃度均值。分區調節閥自動調節時，NOx 濃度相對較高的分區對應的調節閥則根據算法往高閥位動作，NOx 濃度相對較低的分區對應的調節閥則根據算法往低閥位動作。在此過程中，分區均值不斷變化，但由于分區的實際濃度并不能代表當前煙道內的實際流場情況，所以分區的控制往往需要較長的時間進行數據收集，然后再對閥門進行控制。

在實現總量控制和分區控制投入并分區調平后，本系統將進行動態隨動微調，對于分區的控制目標不再是不均勻度，而是各分區的氨逃逸值。對于氨逃逸高的分區，微調分區閥門向下關閉；對于氨逃逸低的分區，微調分區閥門向上打開，從而控制SCR 出口處的氨逃逸小時均值不超標，并在保證凈煙氣出口NOx濃度不超排的情況下，將各分區的氨逃逸最小化。

這種氨逃逸控制邏輯相較于以往的氨逃逸控制，被控對象更加細化，從整個煙道單點測量變成按分區細化后的多點測量，大大地減少了氨逃逸在局部超標的可能，做到了煙道全截面零超標的氨逃逸控制。

1.5 基于負荷判斷的模型辨識算法

燃煤機組在正常工作過程中，會根據電網調度不斷改變負荷，這也代表著NOx 濃度、流場會隨著負荷不斷改變。本系統針對不同機組的工作情況，提供了一種基于負荷判斷的模型辨識算法。當機組運行過程中發生負荷變動時，各個分區會依據當前負荷的變化方向，在發生特定變化的負荷段自動進行一次閥位變動，以達到更快的控制效果。

1.6 基于稀釋風和閥位均值的保護邏輯

在調節過程中，由于閥位的變化對鍋爐SCR 區域的稀釋風流量會有較大的影響，為了避免因稀釋風過低而產生事故，所有的分區都會有一定的開度下限進行約束，也有保護邏輯進行保護。當某個分區的閥位低于下限，或者稀釋風量低于保護值時，該分區或所有分區閥門都會向上打開一定開度，避免控制系統發生事故。

對于分區而言，不均勻度是代表分區調節效果的最好指標，公式如下：

其中，n 代表分區個數，xi代表第i 個分區的NOx 濃度，代表整個煙道各個分區NOx 濃度的平均值。不均勻度越高，煙道內各個分區濃度越波動。不均勻度越低，煙道內各個分區越平均。

2 系統應用效果

以某機組350MW 超臨界燃煤機組為對象。采用基于全截面氨逃逸零超標的SCR 脫硝控制系統進行控制后發現，整體系統實現了設計要求，與機組DCS 系統融為一體，有效地實現了對于脫硝系統的控制。

一是采用原位快速測量儀表代替傳統直抽法CEMS，目前數值一致情況下原位法比直抽法CEMS 快90s。二是采用新型煙道取樣裝置，實現出口全截面的氮氧化物、氧含量、氨逃逸同步測量，目前已實現5min 內單側8分區的全截面測量。三是總量控制，基于精準預測與快速測量相融合，出口及外排口雙重反饋的智能控制，實現耗氨率由項目前的5.23kg/萬kWh 下降到3.77kg/萬kWh。單周最低3.22kg/萬kWh。四是分區調平控制，在總量投入穩定情況下。根據入口流速場分布匹配與對應分區氮氧化物、氧量、氨逃逸相結合，利用三種穩定工況（50%、75%、90%）4～8h 調整實現各分區氨逃逸小時均值小于3PPM，不均勻度20%以內。

表1 某電廠改造前后一個月單位發電量耗氨對比

3 結語

SCR 脫硝系統，作為燃煤電廠最重要的系統之一，一直以來都是實現完全自動化難點。本系統在設計過程中學習了大量國內外的經典控制思路，并在投入使用后成功實現設計目標，提高了控制效率，節約了控制成本，解放了人力資源。