火电厂超低排放脱硝控制策略优化研究与实践

第３期　２０１６年５月　锅炉制造　Ｎｏ．３　ＢＯＩＬＥＲ　ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　Ｍａｙ．２０１６　火电厂超低排放脱硝控制策略优化研究与实践　吴智鹏，毛奕升　（广东珠海金湾发电有限公司，广东珠海５１９０５０）　摘要：以广东珠海金湾电厂３号机组为例对目前实现氮氧化物的超低排放要求所存在两个突出的问题进行分　析研究。通过脱硝系统保护逻辑的优化及变工况最低运行温度的应用实现了锅炉稳燃负荷以上全工况脱硝投　运；创新性的引入预测控制理念，对复杂的氮氧化物生成做出相对准确的趋势预测，解决了脱硝系统大滞后控制　难题，实现了锅炉稳燃负荷以上全工况脱硝排放Ｅｌ氮氧化物实时排放值＜５０　ｍｓ／ｍ　，实现超低排放要求。　关键词：超低排放；脱硝自动控制；预测控制；脱硝投运率　中图分类号：ＴＫ３２３　文献标识码：Ａ　文章编号：ＣＮ２３—１２４９（２０１６）０３—０００１—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｎ　ＤｅＮＯ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　Ｗｕ　Ｚｈｉｐｅｎｇ，Ｍａｏ　Ｙｉｓｈｅｎｇ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｚｈｕｈａｉ　Ｊｉｎｗａｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｚｈｕｈａｉ　５１９０５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｚｈｕｈｍ　Ｊｉｎｗａｎ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｅｍｉｓ—　ｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｏｘｉｄｅｓ　ａｒｅ　ｔｗｏ　ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ印ｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｎｉｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｇｉｃ　ｏｆ　ｈｅ　ｍｉｔｎｉｍｕｍ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａ－　ｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｉｌｅｒ　ｓｔａｂｌｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｌｏａｄ　ａｂｏｖｅ　ａｌｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｄｅｎｉｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ，ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｏｘｉｄｅｓ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔ，ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｌａｇ　ｃｏｎｔｏｌｒ　ｏｆ　ｈｅ　ＤｅＮＯ　ｓｔｙｓｔｅｍ．Ｉｔ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—　ｔｉｍｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ＮＯ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｉｌｅｒ　ｓｔｂｌａｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｌｏａｄ＜５０　ｍｇ／ｍ　，Ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ＮＯ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＤｅＮＯ　；ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｅｎｉｔｒｉｉｆｃａ—　ｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　０　引　言　随着《火电厂大气污染物排放标准》　放浓度分别不高于１０、３５、５０毫克／立方米。全面　实施燃煤电厂超低排放是一项重要的国家专项行　动，既有利于节能减排、促进绿色发展、增添民生　（ＧＢ１３２２３—２０１１）、《环境空气质量标准》　（ＧＢ３０９５—２０１２）等一系列环保标准与文件的陆　续发布与实施，我国火电厂相关主要大气污染物　排放指标进一步大幅收紧，环保部、发改委、能源　局三部委印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和　节能改造工作方案》更是明确要求燃煤电厂在　２０２０年前全部实现烟尘、二氧化硫、氮氧化物排　福祉，也有利于扩大投资、促进煤电产业转型升　级，意义重大。　氮氧化物的生成和脱除是一个快速变化的过　程，受锅炉燃烧、催化剂特性，反应温度等多种因　素影响，反应时间受限，控制难度大，是目前实现　超净排放的一个难点。广东珠海金湾发电有限公　司３号机组是国家十三个达到燃机排放水平环保　收稿日期：２０ｌ６—０２—－２８　作者简介：吴智鹏（１９８２一），男，江苏南通人，电力管理工程师，工学学士，从事电厂热能动力与安健环管理工作。　·２·　锅炉制造　总第２５７期　改造示范项目，是全国首批通过中国环境监测总　站验收的超低排放机组。在脱硝控制策略这块进　行了深入的研究及实践取得了预期的效果。　是选择性催化还原法（ＳＣＲ），催化反应系统是　ＳＣＲ工艺的核心，催化剂的作用下，利用还原剂　（ＮＨ，）来“有选择性”地与烟气中的ＮＯ　反应并　生成无毒无污染的Ｎ　和Ｈ：０，达到除去氮氧化物　１　介　绍　火力发电厂脱硝系统目前最典型的脱硝工艺　的目的。脱硝系统通常布置在省煤器出口及空预　器入口中间，其结构及流程图见图１。　图１　火电厂烟气脱硝工艺流程　目前要完全实现氮氧化物的超低排放要求，　还存在两个突出的问题，一个是脱硝投运率，一个　是全工况控制氮氧化物不超过５０　ｍｇ／ｍ　。　改造，将原有的省煤器靠近烟气下游的部分拆除，　在ＳＣＲ系统催化剂后重新安装一定面积的省煤　器受热面。在不影响原有锅炉热力性能的前提　脱硝投运率这方面：受深度机组调峰的影响　６００　ＭＷ机组需在（６００—２２０　ＭＷ）区间运行，而　脱硝系统催化剂反应温度区间一般要求在　下，提高ＳＣＲ人口烟气温度。但仍然不能实现　（６００—２２０　ＭＷ）区间全负荷投运。　脱硝系统逻辑设计时国家对氮氧化物排放的　要求相对宽松，原有控制策略偏保守，留有较大的　安全裕量，以能停则停，能关则关的思路考虑，影　（３１４—４００　ｏＣ），中低负荷（４５０　ＭＷ）下，脱硝系统　入口温度只有３１０℃左右（见表１），影响脱硝系统　投运。为提高脱硝系统人口温度，进行省煤器分级　表１　省煤器改造前后ＳＣＲ入口烟气温度对比　响脱硝系统投运率，已不适合目前日趋严格的环　保要求。　氮氧化物的生成与燃烧温度、过量空气系数、　燃煤性质等多种因素有关，脱硝系统受测量滞后、　还原反应过程的影响整个响应过程至少有２分钟　的延时，对于这种滞后大、干扰强的系统，传统的　ＰＩＤ控制效果不能令人满意。以目前的前馈一反　馈串级控制方式在动态过程中不能有效的将出口　氮氧化物控制在５０　ｍｇ／Ｎｍ　以内，在ｌ０天的统　计时间里有２　９２８分钟氮氧化物超过５０　ｍｇ／ｍ　。　２优化策略及效果　为提高脱硝投运率实现稳燃负荷以上全工况　脱硝并满足超低排放氮氧化物排放浓度不大于　５０　ｍｇ／Ｎｍ　的要求，对稳燃负荷以上全工况脱硝　控制策略进行研究，主要从提高脱硝系统投运率，　增强脱硝侧氮氧化物控制效果两方面着手对机组　进行深度优化。　第３期　吴智鹏，等：火电厂超低排放脱硝控制策略优化研究与实践　·３·　２．１提高脱硝系统投运率　３　ｐｐｍ等硬性指标），将ＳＣＲ人口烟气温度低保护　２．１．１优化ＳＣＲ最低运行温度保护逻辑，拓展　值定在了３１４℃。经多方调研并与日本巴布科克　低温运行范围　Ｅｌ立公司（ＢＨＫ）专家的进一步沟通，在确保催化　厂家的催化剂特性资料显示该催化剂理论应　剂活性和控制ＮＨ　ＨＳＯ　生成的前提下，提出通过　用范围为２８０—４００　ｏＣ，当烟气温度低时，催化剂　ＳＯ　质量浓度及入口氮氧化物（ＮＯ　）浓度来确定　的活性会降低，ＮＯｘ的脱除效率随之降低，此时　ＳＣＲ最低运行温度方法，见表２，在最优情况下　ＮＨ　的逃逸率增大。随着烟气温度的降低二氧化　ＳＣＲ最低运行温度可以降至２９３　ｏＣ。通过表２的　硫（ｓ０　）很容易被催化氧化成三氧化硫（ＳＯ，），从　对应函数关系，修改温度保护定值，使其与ＳＯ　浓　而与还原剂氨（ＮＨ　）及烟气中的水反应生成硫酸　度与入口ＮＯ　成对应关系。通过煤种掺烧和运　氢铵（ＮＨ　ＨＳＯ　）。ＮＨ　ＨＳＯ　粘性较高容易堵塞　行的合理操作确保了锅炉稳燃负荷（２２０　ＭＷ）以　空预器危害机组安全运行。厂家为满足合同设计　上全工况脱硝的实现，甚至可以做到１８０　ＭＷ负　的要求（投运期间脱硝效率＞８５％，氨逃逸＜　荷脱硝系统投运，有效的应对了这一问题。　表２最低运行温度及工况对照表　２．１．２将容错逻辑设计思想引入脱硝系统保护　员根据实际工况进行暂时的手动干预。　逻辑，提高系统可靠性　２）尽量避免单点信号用于保护，改单点触发　为保证脱硝系统热控设备和系统的安全、可　为多条件触发。对原有“氨区至脱硝ＳＣＲ供氨母　靠运行，可靠的设备与控制逻辑是先决条件。由　管压力低于０．１　Ｍｐａ，延时２　ｓ保护关闭两侧喷氨　于脱硝系统在设计、安装、调试时将注意力都放在　关断阀”保护条件增加辅助确认条件，由于其压　了如何去满足工艺系统的要求上，而对提高脱硝　力低的源头实际为氨区氨气缓冲罐出口母管压力　系统的可靠性考虑较少。根据被控设备的工艺要　低。因而将该保护修改为“氨区至脱硝ＳＣＲ供氨　求设计逻辑只是满足控制的最基本要求，如果不　母管压力低于０．１　Ｍｐａ，且氨气缓冲罐压力低于　考虑被控设备和控制设备的特点，这样构成的控　０．１　Ｍｐａ，延时２　ｓ”。　制系统可靠性有所欠缺。对涉及脱硝喷氨的保护　３）当不得不采用单点信号作保护时，需引入　逻辑进行全面的梳理，将容错逻辑设计思想引入　故障鉴别信号。对原有的“一侧ＳＣＲ稀释风流量　脱硝系统保护逻辑，主要体现在以下几个方面。　低于１　９５０　Ｎｍ　／ｈ，延时５　ｓ保护关闭对应侧喷氨　１）当脱硝系统出现可容忍的小故障时，保护　关断阀”保护条件增加坏值剔除功能，避免变送　逻辑应考虑容错，保持系统持续运行。取消了原　器故障引起保护误动。　有的“一侧ＳＣＲ入口烟气ＮＯ　测量坏值，延时　２．２增强脱硝侧氮氧化物控制效果　１０　ｓ保护关闭对应侧喷氨关断阀”保护条件。当　ＳＣＲ脱硝系统由于其较高的脱硝效率，是大　测量坏值时喷氨控制切手动即可，由运行操作人　型火电机组脱硝系统改造的首选类型，而长期以　·４·　锅炉制造　总第２５７期　来对ＳＣＲ脱硝系统的研究主要针对于其物理原　理、设备结构和运行方式方面，却一直忽略了对脱　硝自动控制策略的研究。　而事实上在执行超低排放要求时，脱硝系统　的自动控制品质又是至关重要的。目前脱硝喷氨　控制普遍采用带前馈的串级控制，由于测量及反　应的滞后，该控制策略不能有效的应对因燃烧工　况的变化而引起的入口ＮＯ　急剧变化的工况，存　在较大的滞后和超调。　针对ＳＣＲ脱硝喷氨控制系统的大滞后特性，对　原有脱硝喷氨控制回路进行了优化改进。在原有的　前馈一反馈串级控制的基础上引入智能预测前馈控　制，有效的进行偏差调节。控制框图见图２。　图２采用智能预测算法的喷氨控制框图　智能预测控制器主要实现如下功能：　１）通过对机组负荷、总风量、总给煤量、ＳＣＲ　人口ＮＯ　浓度变化等众多因素的分析做出趋势　预测，根据预测结果提前喷人后续ＮＯ　变化所需　的氨气量。采用预测控制和带前馈的ＰＩＤ控制对　比图见图３所示，使用带前馈的ＰＩＤ控制只能根　据入口ＮＯ　的变化来喷人所需的氨气，再通过偏　差调节来控制ＮＯ　的排放，由于测量和反应的滞　后，喷氨存在明显的滞后和超调过程。而采用趋　ｌ厂一、、、　三　燕一　Ｉ■恻　黼　胂　榭■　图３两种不同控制策略效果对比图　势预测可以提前响应人口ＮＯ　的变化，及时喷人　氨气有效控制ＮＯ　的排放。　２）现有机组后改脱硝系统受锅炉结构的限　制，出口ＮＯ　测点的烟道成狭长型存在流场不均　的问题，因而烟囱ＮＯ　浓度与ＳＣＲ出口ＮＯｘ浓　度测量存在一定的偏差。以环保考核点烟囱ＮＯ　为基准对ＳＣＲ出口ＮＯ　进行实时比较，评估得出　Ａ、Ｂ侧出口ＮＯ　浓度与烟囱ＮＯ　浓度的偏差，当　累计平均值超过一定误差时对控制器的ＮＯ　测　量值进行智能修正，确保控制精度。　３）由于流场的不均Ａ、Ｂ侧烟气流量不能做　到完全一致，因而Ａ、Ｂ侧的喷氨需要进行智能配　比修正，确保两侧喷氨的相对一致。对Ａ、Ｂ侧喷　氨量及入口ＮＯ　浓度进行比较、评估得出Ａ、Ｂ侧　之间的偏差，对Ａ、Ｂ侧喷氨量进行智能配比。　４）根据ＣＥＭＳ仪表状态的判断，通过Ａ、　Ｂ侧浓度差值替代的方式，消除仪表校准过程　中控制的不可判断性。由于ＣＥＭＳ分析仪表　每隔４　ｈ进行一次１０　ｍｉｎ的吹扫校准，在　１０　ｍｉｎ内，ＣＥＭＳ分析仪表端做保持处理，如　果发生燃烧工况变化引起ＮＯ　浓度的扰动，　预测算法将无法通过人口ＮＯ　的变化率做出　对应的预测，在ＣＥＭＳ测量恢复后，会导致调　节的波动。因而不能简单的通过测量保持来　解决，利用Ａ，Ｂ侧ＣＥＭＳ吹扫校准不同步，Ａ　侧吹扫时通过Ｂ侧替代，考虑到Ａ，Ｂ侧测量　不一致，需要进行差值叠加，这样就能很好地　处理吹扫校准而导致的波动。　５）根据脱硝系统出口ＮＯ　控制波动情况（任　何工况均＜５０　ｍｇ／Ｎｍ　）倒推出设定值上限，按设　定上限和８５％脱硝效率对应的设定值取小值得　出控制设定值，在减少喷氨量的同时，确保全工况　控制过程ＮＯ　不超５０　ｍｇ／Ｎｍ　。　通过回路优化引入智能预测算法，大幅提高　了系统闭环稳定性和抗扰动能力，有效的将烟囱　出Ｅｌ　Ｎｏ　浓度控制在５０　ｍｓ／Ｎｍ　以下。通过表３　看出，１０天时间ＮＯｘ排放没有超过５０　ｍｇ／Ｎｍ　，　有效的控制了ＮＯ　的超标。　２．３优化效果　针对超低排放脱硝控制策略优化研究与　实践，从提高脱硝系统投运率，增强脱硝侧氮　氧化物控制效果两方面着手对机组控制策略　进行深度优化使得金湾公司脱硝系统ＮＯ　排　［下转第１０页］　·１Ｏ·　锅炉制造　总第２５７期　［上接第４页］　放有了质的提升。通过选取省煤器改造前时间段　通过表３可以看出，在未进行改造优化　前，３、４号机组脱硝系统投运率受最低投运温　度的限制只能达到４５．４Ｏ％。通过省煤器分　２０１４—５—１　ｏ０：００至２０１４—５—１１　００：００，部分优　化后时间段２０１５—１—２１　００：００至２０１５—１—３１　级改造及脱硝系统保护逻辑优化后脱硝系统　已能实现１００％的投运率。引入智能预测算　法排放口ＮＯ　超过５０　ｍｇ／Ｎｍ　的时间进一步　Ｏ０：００以及优化实践完成时间段２０１５—８—１　００：　ｏ０至２０１５—８—１１　０Ｏ：００的数据，对优化前后３、　４号机组氮氧化物排放进对比，时间间隔为１分　钟。　降低至０，整个脱硝ＮＯ　排放处于最优状态，　完全达到了超低排放要求。　表３　３号机组脱硝系统优化前后对比　３　结束语　广东珠海金湾发电有限公司省煤器分级改　造后结合脱硝系统保护逻辑的优化及变工况　最低运行温度的应用实现了锅炉稳燃负荷以　上全工况脱硝投运。提高了系统的投运率，在　设备无大故障的情况下可以达到１００％的投　运。同时创新性的引入预测控制理念，对复杂　的氮氧化物生成做出相对准确的趋势预测，解　参考文献　［１］　王林，侯玉婷，薛建中，高林，高海东．基于主元分析　的ＳＣＲ烟气脱硝系统入口ＮＯ　生成量预测模型　［Ｊ］．热力发电，２０１５，（８）．　［２］李德波，徐齐胜，邓剑华，许凯．大型火电机组ＳＣＲ　脱硝系统现场调试若干关键问题研究及应用［Ｊ］．　广东电力，２０１４，（１１）：２１—２６．　［３］　西安热工研究院有限责任公司．火电厂ＳＣＲ烟气脱　硝技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１３．　［４］刘晓敏．烟气脱硝ＳＣＲ装置喷氨优化研究［Ｊ］．热　力发电，２０１２，４１（７）：８１—８３．　决了脱硝系统大滞后控制难题，实现了锅炉稳　燃负荷（２２０　ＭＷ）以上全工况脱硝排放口氮氧　化物实时排放值＜５０　ｍｇ／Ｎｍ　，完全达到了超　低排放要求，为国内同类型机组氮氧化物超低　排放提供了可行的技术路线。　［５］ＧＢ一１３２２３火力发电厂大气污染物排放标准［ｓ］．　环境保护部，２０１１　［６］杨飚．氮氧化物减排技术与烟气脱硝工程［Ｍ］．北　京：冶金工业出版社，２００７．３５—３６．