摘要：随着社会的发展，科学技术的迅猛进步，自动化水平进一步提高，对火电机组的自动化水平也提出了更高的要求，自动控制技术在火电机组中的应用极大的减少了人力资源，降低了劳动者的劳动强度，提高了生产的经济性。近几年，国家对燃煤电厂烟气排放标准日益趋严，超低排放后的深度减排，使燃煤机组的一些设备不堪重负，脱硝喷氨的自动控制技术有待提高。本文主要介绍了脱硝自动喷氨的控制技术以及提高喷氨均匀性的改造措施，详细分析了生产过程中自动喷氨控制存在的问题，产生的原因，提出了有效的解决方案，并应用到实践中，取得了良好的效果。

关键字：自动控制   喷氨均匀性  氨逃逸  空预器堵塞

1  引言

国家环保形式趋于严峻，随着国家大气污染法规标准越来越严格，冀气领办〔2018〕156号《河北省钢铁、焦化、燃煤电厂深度减排攻坚方案》要求：电厂燃煤锅炉（除层燃炉、抛煤机炉外）在基准氧含量6%的条件下，燃煤电厂氮氧化物排放浓度不高于30mg/m3。目前我公司执行标准为国家发改委、环境保护部、国家能源局联合下发 “《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》（发改能源[2014]2093号），明确要求现役30万千瓦及以上公用燃煤发电机组，实施大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（即在基准氧含量6%条件下，氮氧化物、二氧化硫、烟尘排放浓度限值分别不高于50mg/m3、35 mg/m3、10 mg/m3）。

随着国家大气环境治理的力度逐步加大，燃煤电厂NOX浓度已降至小时均值不超过30mg/m?，加之国家产业政策的调整各电厂受燃煤成本压力，入厂煤采购形式多样，入炉煤均采用多种煤掺烧入炉，造成锅炉脱硝入口NOX大幅波动，SCR脱硝喷氨自动调节系统普遍存在震荡、延迟大、跟踪慢、过调或欠调等问题，同时由于我公司SCR脱硝喷氨格栅设计不合理，导致SCR脱硝入口NOX与HN3混合不充分，SCR脱硝出口NOX采用直线型三点取样，使SCR脱硝出口NOX浓度值不具备代表性，导致SCR脱硝喷氨自动控制投入率低、氨逃逸增大、空预器堵塞严重等问题。为了应对更加严格的排放指标，满足国家及地方环保排放政策要求，实现深度减排条件下脱硝装置安全、稳定、经济运行，需要提升氨喷射系统的调节性能，提高NH3/NOx分布的均匀性，减少局部过喷引起的氨逃逸浓度高值，减轻空预器堵塞，对原有喷氨系统及整体流场进行喷氨自动控制系统优化改造。

我公司两台2×330MW机组，锅炉是DG1110/17.4-Ⅱ12，为亚临界、中间一次再热、自然循环、燃煤汽包锅炉，单炉膛Π型布置，四角切圆燃烧，尾部双烟道，固态排渣，平衡通风，全钢架悬吊结构，制粉系统采用三台双进双出MGS4062钢球磨。脱硝装置原采用东方凯特瑞选择性催化还原法（SCR）全烟气脱硝。脱硝装置催化剂采用蜂窝式、两层布置（预留一层）高温布置，反应器布置于锅炉省煤器出口与空预器之间;采用氨气作为还原剂。2015年两台机组均进行了超低排放改造，主要将原两层燃烬风改为三层并上移约3米左右，脱硝入口烟道进行了均流优化，催化剂更换为远达环保18孔催化剂，2017年检修时加装了第三层催化剂。2019年对SCR脱硝喷氨格栅、喷氨母管、烟气分布均流性进行改造。改造后SCR脱硝入口NOX分布相对比较均匀，而且SCR脱硝出口增加了网格式取样测点，SCR脱硝出口NOX浓度值更具有代表性，对SCR脱硝自动调整打下了良好的基础。

SCR脱硝自2010年投运后，一直沿用普通单级PID调节方式，根据设定及脱硝出口实时NOX值调整喷氨调节门开度，来控制喷氨量，确保达标排放。2015年实行超低排放以来，在工况稳定的情况下可满足SCR脱硝NOX排放标准要求;一旦机组负荷波动大、工况调整频繁，煤质发生较大的变化，出入口NOX也将大幅波动，瞬时超标现象严重，调节系统不能充分发挥作用。只能改为手动控制调节门开度，完全依赖于运行人员的经验，达标排放和经济性很难平衡，运行人员发现和调整不及时将造成出口NOX值超高限，运行人员为了控制NOX值小时均值不超标，只能盲目开大调节门开度，造成氨蒸汽过喷现象，用氨量增加，氨逃逸变大，继而引发空预期堵塞，空预器及下游设备腐蚀。各种不确定因素的存在给系统的正常运行造成了隐患。

2  SCR脫硝喷氨自动控制系统现状

2.1  SCR脱硝入口烟气流速分布不均

SCR脱硝入口截面上NOx/NH3混合不均匀、喷氨格栅无法进行分区调整喷氨，脱硝反应器NOX与NH3反应不均衡，导致出口NOX值偏差较大，分布均匀性差。A侧NOX值最大值40.9 mg/Nm?，最小值21.5 mg/Nm?，B侧最大值91.4 mg/Nm?，最小值33.4 mg/Nm?。

2.2  SCR脱硝出口取样测点不具代表性

SCR脱硝出口测点呈直线布置，仅3个NOx取样测点，测点布置少，不能代表整个截面上的NOx分布，出口取样测点不具代表性，对运行人员运行操作判断和运行参数比对及运行经济分析都没有参考价值， 更不具备SCR脱硝喷氨自动调节被调量的条件。

2.3  SCR脱硝喷氨自动投入率低

引起SCR脱硝喷氨自动投入率低的原因：SCR脱硝喷氨原自动调节系统延迟大、跟踪慢、过调或欠调等问题，针对这些问题引起的原有SCR脱硝系统喷氨自动控制的不足，对喷氨流量控制进行了详细的分析和总结。引起SCR脱硝喷氨自动控制的扰动因素很多，主要有：1）机组负荷快速变化、骤升骤降;2）第三台磨煤机启停（C磨的启停），3）煤粉的层投和层停; 4）风量的变化，5）入炉煤质变化，6）分析仪表本身的波动;7）CEMS仪表定期吹扫问题等，这些因素都会引起SCR脱硝入口NOX的变化，有时会剧烈大幅波动，从而影响SCR脱硝喷氨自动控制的稳定性。

3  控制系统优化

通过对影响SCR脱硝喷氨自动控制的稳定性原因的分析，发现单纯的PID控制已无法满足现在的控制要求。由于受HOLLISYS软件功能的限制，SCR脱硝自动无法实现模糊及预测控制，针对以上种种问题，对SCR脱硝喷氨自动调节策略提出以下方针：以SCR喷氨自动控制为主，锅炉燃烧配风自动控制为辅的策略，同时对SCR脱硝系统喷氨母管、喷氨格栅、及出口NOX的取样系统进行优化。

3.1  SCR脱硝喷氨自动调节方面的优化

在新的控制逻辑中，对CEMS吹扫、PID调节、手动控制方面做了调整，并且还加入了机组负荷前馈、净烟气随动修正逻辑，满足变工况运行的调节需要。

3.1.1针对CEMS仪表定期吹扫问题

在控制系统中加入吹扫信号，对CEMS采集到的测量信号进行品质判断确定所得信号是否是处于吹扫状态。吹扫时，保持前一状态数值，以保证系统的正常运行。持续时间以NOX浓度恢复正常来确定，在反吹期间脱硝入、出口NOX浓度值保持原值不变持续6分钟，为了避免反吹结束NOX浓度值有大幅变化造成脱硫出口NOX浓度值突升，在自动逻辑中添加反吹期间调节门稍微开大，保证脱硫出口NOX浓度值稳定，为进一步提高仪表测量准确性和及时性，应尽量减小CEMS仪表的取样管路的长度及弯曲度，同时进行定期校验。

3.1.2前馈控制

在控制逻辑中引入SCR脱硝入口烟气流量和入口NOX浓度的乘积作为前馈信号，用于快速响应各种工况突变的对NOX扰动现象的发生，弥补反应器和烟气分析仪的滞后，增强调节效果。同时对SCR脱硝入口NOX值和对应的调节阀门的开度值建立数据库，从数据库提取数据，形成SCR脱硝入口NOX值和对应的调节阀门的开度值的FX折线函数，直接作用在手操器上。当煤质掺烧不均，SCR脱硝入口NOX值大幅变化时，不经PID计算，直接快速控制阀门动作，及时使氨蒸汽与烟气中的NOX值混合，快速反应，控制NOX值，避免SCR脱硝出口NOX值超标，影响烟气排放标准。当煤质单一或掺烧均匀时，SCR脱硝入口NOX值较稳定，此函数值不参与SCR脱硝PID自动控制。

3.1.3  PID調节

查阅历史曲线，检查控制逻辑，实时观察，动态调整PID参数，根据实际工况对PID参数进行完善。在原有PID控制的基础上，一是：加快调节频率，扰动发生时调节阀快速动作，为了避免过调发生震荡，对PID的输出做了限幅，使调节阀在适当的有限范围内调节，把被控参数的震荡控制在可控范围之内;二是：对给定值增加了随动控制（被调量的给定值是时间的未知函数），把过程值与预期控制值的偏差做成折线函数叠加到给定值上。偏差为正时，给定自动增值调节阀开大;偏差为负时，给定自动减值调节阀关小，使被调量（脱硫出口NOX浓度值）接近预期控制值;三是：加入机组负荷前馈，机组负荷变动时（升负荷、降负荷）经过函数FX进行阀门开度的修正，针对SCR脱硝入口NOX随着负荷的变化而变化的情况，我们对历史趋势进行了研究统计，发现当负荷降低的时候入口NOX先升高后降低，当负荷升高的时候入口NOX先降低后升高;基于此种情况我们加入了负荷前馈调节，利用机组实际负荷和AGC指令之间的差值进行阀门开度的修正，尤其是在降负荷较大时，通过阀门迅速动作减少瞬时超标的现象。提高变工况的适应性;四是：加入脱硫净烟气随动系统，SCR脱硝系统由于其工艺特性和烟道长度，SCR脱硝烟气测点和净烟气测点安装位置不同，会存在“倒挂”或取样测点不具备代表性的现象，存在较大延迟和滞后，针对这个特性加入了净烟气出口NOX随动修正，在限定值内通过随动FX函数，不断修正阀门开度，一定程度上抵消了大延迟对自动调节造成的干扰。

3.3  SCR脱硝系统喷氨母管、喷氨格栅、及出口NOX的取样系统进行优化

3.3.1  SCR脱硝喷氨母管、喷氨格栅的优化

通过合理设计母管直径，采用分段变径的方式使各分支管处的静压均衡，可实现个分支管内流量一致。基于此原理对喷氨管道采用等压力设计，使得喷氨管道长度方向各处的流速基本一致，保证喷氨支管的流速基本一致，进而使得喷氨格栅截面氨气分布均匀.将现有喷氨格栅改为单侧SCR的喷氨格栅分为2×7个分区，能实现烟道宽度和深度双向精细化调节功能。

3.2新喷氨格栅在SCR入口烟道的位置34.945米。

每个分区设置36喷嘴，共设置504个喷嘴。SCR入口烟道截面积为2.28m×10.7m=24.396㎡，平均每平方米设置约21个喷嘴。为增强喷嘴喷射扩散效果和防堵灰性能，使喷嘴Y形错列布置.

3.3.2  SCR脱硝入口烟道加装混合器

在SCR脱硝入口烟道的垂直段布置1层烟气预混合器，标高36.67米。烟气预混合器采用圆盘式结构，每个混合器模块上布置2个圆盘，单侧共8组，

3.3.3  SCR脱硝出口加装全截面均布式取样系统

将SCR出口网格布置截面平均分成3×3个区域，在每个区域中心布置烟气取样测点。每个测点采用取样控制阀单独控制分析、采用烟气在线分析仪进行检测。取样管上方布置防磨角钢（导流防护板）。取样管接入集管，集管上布置热一次风吹扫接口，热一次风从空预器一次风出口管道处接，每根取样管上设置一个气动球阀控制，吹扫管设置一个气动蝶阀控制。集管下接气动蝶阀，再接往电除尘入口烟道。

四、优化后的效果

SCR脱硝自动控制优化后氨需求量减少，氨逃逸显著下降，空预器运行阻力下降，有利于机组安全、稳定、经济运行。

4.1  优化后SCR脱硝出口NOX分布情况

机组带热负荷运行，负荷为240MW，主汽流量为931t/h，SCR脱硝出口取样

通过以上表格可以看出：SCR脱硝出口NOX浓度分布相对较均匀，取样系统显示A侧SCR脱硝出口NOx平均值为30.0 mg/Nm?，B侧SCR脱硝出口NOx平均值为26.9mg/Nm?。优化后对 NH3/NOx 的混合、分布效果进一步提高，通过喷氨自动调整，可满足燃煤电厂NOx深度减排后达到 30mg/Nm3 以下的要求。

改造后手动测试孔测量出口NOX值，A侧出口最大值36.1 mg/Nm?，最小值20.5 mg/Nm?。B侧出口最大值29.8 mg/Nm?，最小值18.9 mg/Nm?。见表4-2。

4.2  优化后SCR脱硝喷氨量及氨逃逸的情况

在不同运行工况下，优化后尿素溶液浓度50%，需氨量减少40kg/h，SCR脱硝氨逃逸量大大降低，可较大程度改善空预器堵塞问题。优化前空预器烟气侧阻力最高约达3kpa，平均阻力为2.7kpa，优化后运行空预器阻力一直稳定在1.3kpa以下，空预器阻力大幅下降。

五、优化后所带来的经济效益

优化后尿素溶液浓度50%，需氨量减少40kg/h，按年运行时间7000小时计，一年可产生直接经济效益127.6万元。

优化后氨逃逸下降，空预器阻力降低，按照空预器阻力至少下降300pa计算，三大風机每年可节约运行电量103万kw.h，上网电价按0，34元/kw.h计算，每年可产生经济效益35万元。SCR脱硝喷氨自动控制系统优化后可产生直接经济效益162.6万元。

结  论

通过SCR脱硝喷氨自动控制系统的先进控制策略及其参数的整定以及喷氨系统的优化后，氨需求量减少，氨逃逸显著下降，空预器运行阻力下降，有利于机组安全、稳定、经济运行，使被控参数（脱硫出口NOX浓度）控制在30mg/Nm?之下，在稳定工况下可以控制在25mg/Nm?左右，可满足燃煤电厂NOx深度减排后达到 30mg/m3 以下的要求。

提高了自动控制系统的自动投入率，提高了SCR脱硝系统的可靠性、稳定性，增强了喷氨自动调节的稳定性。同时大大降低了运行操作人员的劳动强度。

氨逃逸的降低减少了对SCR脱硝下游设备空预器的影响，降低了三大风机的能耗，提高了燃煤电厂运行的经济性。

姓名：张秀敏，出生年月：1976，12，女，籍贯：河北省石家庄市，职称：助工，学历：本科，研究方向：电厂环保  自动控制