惠润堂　杨爱勇　张承武　严智操　冯建春　申智勇　王雪松

(1.国电环境保护研究院　南京 210031；　2.国电民权发电有限公司　河南民权 476800)



大气污染治理

耦合式SCR还原剂供给调节装置及控制技术的研究与应用*

惠润堂1杨爱勇1张承武1严智操1冯建春1申智勇1王雪松2

(1.国电环境保护研究院南京 210031；2.国电民权发电有限公司河南民权 476800)

阐述了SCR喷氨调节控制常用的方法及存在的问题，提出了一种新型耦合式SCR还原剂供给调节装置及控制技术，并通过电厂实际案例对该调节装置与控制技术进行了说明。研究结果表明：该调节装置及控制技术可使脱硝效率相对稳定、出口NOx的浓度不超标、喷氨不过量。

燃煤电厂烟气脱硝选择性催化还原(SCR)喷氨技术

0　引言

根据《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)的要求，为了保证燃煤火电厂烟气氮氧化物(NOx)达标排放，需要进行NOx排放控制[1]。目前，普遍采用选择性催化还原烟气脱硝技术(SCR)进行脱硝，且被认为是目前乃至今后相当长时期内最主要的烟气脱硝技术[1-2]。

在SCR技术中，为了保证较高的NOx脱除率，同时减少氨的消耗量，降低氨逃逸率，还原剂氨喷入量的调节控制是关键。若还原剂氨供应量偏低， 将会导致氨与氮氧化物的反应不足，造成氮氧化物排放超标；若还原剂氨供应量偏高，则会出现氨耗量增大，同时氨逃逸增多，造成硫酸氢铵也增多，引起空预器堵塞，增大烟气流动阻力，降低锅炉系统安全性，与此同时，过多的氨进入环境会造成二次污染；而合适的还原剂氨喷入量可保证稳定的脱硝效率，延长催化剂更替周期，提高锅炉系统安全性与可靠性，降低投资和运行管理成本[3-7]。鉴于SCR系统喷氨调节控制的重要性，必须对SCR喷氨调节控制技术进行研究，从而实现对SCR系统喷氨量高精度实时控制，进而保证SCR系统安全、稳定运行。

1　SCR喷氨调节控制常用的方法及存在的问题

目前，SCR 工艺中调节氨流量的方式比较有限，且调节精度及实时跟踪控制效果较差。

现有的脱硝装置在氨气调节控制阀门选型时都是按满足最大氨气需要量考虑，涵盖最大氨气流量。由于燃煤锅炉燃烧过程比较复杂，燃煤来源、燃烧调整、机组负荷变化大等原因造成锅炉排烟NOx浓度变化幅度大，氨需要量变化大。当氨气需要量较大时，阀门调节控制精度尚能满足要求；当氨气需要量较小时，阀门开度较小，工作点较低，当工作点低到一定位置时，阀门可调比缩小，调节性能下降，调节精度降低，跟踪性能差，不能很好地实时调节控制。目前电厂低负荷运行工况十分普遍，而低负荷下阀门较差的调节性能，造成喷氨过量、氨逃逸率增加或者喷氨量过小、NOx排放超标，给锅炉、脱硝装置安全经济运行以及NOx达标排放带来严重影响[7]。

另外，在DCS控制逻辑中，常采用出口NOx浓度或脱硝效率作为单一的设定值。固定脱硝效率控制，未考虑入口NOx浓度的变化，在入口NOx浓度比较高时容易造成NOx排放浓度超标；固定出口NOx浓度控制，不能解决因入口NOx浓度或锅炉负荷快速变化实时跟踪控制的问题，造成出口NOx浓度超标[7-8]。

为了提高喷氨精度，也有采用引入前馈的控制方式。该控制方式往往引入烟气流量作为控制逻辑的前馈信号，以便进一步增强变负荷系统调节的及时性。在该控制方式中，烟气流量的确定是关键。烟气流量若采用实测值，因测量值波动较大，将导致测量值误差大、精度低，测量过程中还会引起喷氨控制自动指令跳变，难以满足精细化喷氨的控制要求。部分工程烟气流量采用锅炉蒸发量计算烟气量，但因蒸发量测量有滞后不能实时反映烟气流量，影响实时跟踪控制的效果。也有工程采用燃煤量计算烟气量，但由于煤质变化较大，不能准确反映烟气流量值，也难以满足精细化喷氨的控制要求。

2　耦合式SCR还原剂供给调节装置及控制技术

针对国内SCR喷氨调节控制中普遍存在的问题，研究开发了一种耦合式SCR喷氨控制技术及装置。该套技术及装置以耦合设置的控制阀门组为核心，结合其他相关设备协同作用，通过对多个参数因子的综合分析和多种耦合模式的协同配合，最终达到氨气流量宽范围、高精度、实时的控制目的。

在控制手段上，为了让调节阀维持较好的调节性能和精度，综合考虑调节阀机械性能，将装置中流通能力不同的调节阀进行并联耦合设置。根据氨气需要量的大小和工艺精度的要求，通过对流通能力不同的调节阀门的协同调控，对氨气需要量按流量分段控制，进而达到对氨气流量宽范围、高精度、实时的调控。该装置的结构示意图如图1所示。

在DCS控制逻辑上，采用前馈与反馈的耦合，通过前馈修正反馈，反馈反演前馈，将前馈与反馈协同配合，最终形成进氨流量调节阀的控制指令逻辑，通过调节进氨流量达到对SCR喷氨量的精确调控。在控制逻辑控制参数选择时，引入多个参数(SCR反应器入口NOx浓度、SCR反应器出口NOx浓度、烟气流量、氨气流量、SCR反应器出口NOx浓度设定值等，其中烟气流量采用锅炉侧总风量进行计算)，通过对上述多种参数的耦合，最终将出口NOx浓度及脱硝效率控制在设定的合适范围内。该技术的逻辑控制示意图如图2所示。

1-氨气流量测量仪；2-DCS系统；31-流通能力大的喷氨调节阀；32-流通能力小的喷氨调节阀；41-供氨母管；42-稀释风管道；5-稀释风机；6-稀释风流量测量仪；7-氨气/空气混合器；8-总风量测量仪；9-锅炉；10-SCR反应器入口NOx浓度测量仪；11-喷氨装置；12-代表SCR反应器；13-SCR反应器出口NOx浓度测量仪。

图2　喷氨量控制系统图

如图1与图2所示，DCS控制逻辑通过对逻辑参数SCR反应器入口NOx浓度、SCR反应器出口NOx浓度、锅炉侧总风量、氨气流量、SCR反应器出口NOx浓度设定值运算后发出控制指令，对还原剂供给调节控制装置中两个并联的不同流通能力的氨气流量调节阀进行调节控制，实现SCR反应系统氨喷入量的控制。

相关计算如下：

(1)检测反应器入口NOx参数并根据要求设定反应器出口NOx含量；

(2)喷氨需要量设定值=(入口NOx浓度-出口NOx浓度设定值)×锅炉侧总风量×修正系数

(1)

(3)出口NOx浓度实际值与出口NOx浓度设定值的偏差经第一控制器得到修正系数；

(4)最终氨气需求量=需求的氨气质量流量×修正系数

(2)

结合图1与图2对上述4个运算步骤进行详细说明如下。

检测反应器入口NOx参数并根据要求设定反应器出口NOx含量，反应器入口NOx浓度减去反应器出口NOx浓度设定值后和烟气流量(烟气量根据总风量计算得到)的乘积就是所需氨气流量信号，该信号送到氨气流量调节器，通过流通能力大的调节阀对喷氨量进行粗调。调节过程结束后，若反应器出口NOx浓度与其设定值不相等，则SCR反应器出口NOx浓度与SCR反应器出口NOx浓度设定值通过控制器(图2中第一控制器)，获取修正系数后对上述喷氨需要量设定值进行修正，修正后的进氨流量设定值与实际氨气流量进行比较分析后，由控制器(图2 中第二控制器)运算后输出进氨流量调节阀的控制指令，对流通能力小的调节阀进行细调，改变喷氨流量，使反应器出口NOx浓度等于给定值，保证脱硝效率。

该耦合式SCR喷氨调控装置中将流通能力不同的两个喷氨调节阀并联耦合设置，结合DCS控制逻辑对逻辑参数(SCR反应器入口NOx浓度、SCR反应器出口NOx浓度、锅炉侧总风量、氨气流量、SCR反应器出口NOx浓度设定值，其中参数锅炉侧总风量的引入能够达到对烟气流量实时跟踪控制的目的)进行逻辑运算后发出控制指令，采用流通能力大的调节阀达到喷氨需要量粗调的效果，采用流通能力小的调节阀达到喷氨需要量细调的效果。该耦合式SCR喷氨调节装置及控制技术通过上述控制装置耦合及控制逻辑耦合等耦合方式，最终达到氨气流量宽范围、高精度、实时的控制目的，进而保证SCR脱硝效率稳定、出口NOx的浓度不超标、喷氨不过量、氨逃逸率低。

3　工程应用

国电某发电有限公司2×300 MW机组脱硝采用SCR技术，脱硝系统分为两部分SCR本体部分和氨区部分。脱硝装置本体部分由烟道、两个对立SCR反应器(A侧反应器、B侧反应器)、催化剂、氨喷射系统、脱硝装置灰斗、吹灰及吹灰控制系统、氨供应系统等。利用液氨法制备脱硝还原剂，每台锅炉配置2台SCR反应器，单台SCR反应器催化剂层数采用“2+1”模式，烟气垂直向下通过催化剂层。采用该技术后SCR运行参数曲线如表1所示。

表1　SCR部分时间段运行参数表

从表1可以看出，采用该技术设计的SCR喷氨流量控制装置后，喷氨效果良好，在SCR进口NOx浓度有波动的情况下，仍然能保证脱硝效率相对稳定、出口NOx的浓度不超标、喷氨不过量。

另外，根据该发电有限公司2×300 MW机组运行情况调研，由于还原剂供给调节控制不合理，氨逃逸增加，喷氨调节控制特性差等因素导致单台机组氨耗量至少增加10 kg/h，供氨年增加约50万元，氨逃逸导致空预器压差较正常运行至少增加300 Pa，风机运行电耗费用增加约100万元(按年利用6 000 h计)。因此由于解决喷氨调节控制问题年费用可以节约约150万元，该耦合式SCR喷氨控制技术及装置取得了良好的经济效益与社会效益。

4　结语

鉴于SCR喷氨调节控制的重要性及国内SCR

喷氨调节普遍存在的问题，研发了一种新型耦合式SCR喷氨调节控制技术及装置，该技术及装置达到氨气流量宽范围、高精度、实时的控制目的，保证了SCR脱硝效率相对稳定、出口NOx浓度不超标、喷氨不过量，并在工程中得到应用，使用效果良好，可供类似工程借鉴和参考。

[1]屠士凤，章卫军，叶国满. 智能优化控制降低SCR对空气预热器的影响[J]. 中国电力，2014，47(9)：29-34.

[2]朱林，吴碧君，段玖祥，等. SCR烟气脱硝催化剂生产与应用现状[J].中国电力，2009，42(8):61-64.

[3]方朝君，余美玲，郭常青. 燃煤电站脱硝喷氨优化研究[J].工业安全与环保，2014，40(2)：25-27.

[4]赵宗让. 电力锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化[J].中国电力，2005，38(11)：69-74.

[5]曹志勇，谭城军，李建中，等. 燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统喷氨优化调整试验[J].中国电力，2011，44(11)：55-58.

[6]惠润堂，韦飞，王宝德，等. SCR法烟气脱硝后空气预热器堵塞及应对措施[J].中国电力，2014，47(10)：110-112.

[7]武宝会，崔利. 火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电，2013，42(10)：116-119.

[8]罗子湛，孟立新. 燃煤电站SCR烟气脱硝喷氨自动控制方式优化[J].电站系统工程，2010，26(4)：59-63.

Study and Application of a Coupling SCR Reductant Supply Device and Its Control Technologies

HUI Runtang1YANG Aiyong1ZHANG Chengwu1YAN Zhicao1FENG Jianchun1SHEN Zhiyong1WANG Xuesong2

(1.StatePowerEnvironmentalProtectionResearchInstituteNanjing210031)

This paper describes the common techniques and problems existed in SCR ammonia injection technology and states a new coupling SCR reductant supply device and its control technology. Additionally, the practical cases of coal-fired power plants have been taken for examples to illustrate the coupling SCR reductant supply device and its control technology. The results show that the operation of the coupling SCR reductant supply device and its control technology can fulfill the desired flue gas de-nitrification efficiency, reduce the ammonia injection quantity, realize the minimum rate of ammonia escape.

coal-fired power plantflue gas de-nitrificationSCRammonia injection technology

2015-10-17)

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2013AA065401)，国电环境保护研究院科技项目(H14Y02)。

惠润堂，男，1963年生，陕西渭南人，研究员级高级工程师，主要从事火电厂环保工程设计、科技研发等工作。