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SCR烟气脱硝喷氨自动控制分析及优化 1+1

北极星大气网  来源:热控圈    2019/1/9 11:32:32  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:大气污染物 脱硝系统 SCR

北极星大气网讯:摘要:针对某电厂660MW超临界机组在脱硝系统投运时喷氨自动不能正常投入,无法精确控制脱硝出口NOx排放浓度的问题,分析了喷氨自动控制的影响因素,对现有喷氨自动控制采取移位选取不当的烟气自动监控系统(CEMS)取样测点、调整自动吹扫/标定时间及每路进氨支管手阀的开度等进行优化,优化控制系统逻辑:主调控制回路不再修正摩尔比,副调控制回路在得到喷氨流量后加上人员手动偏置量,优化后脱硝喷氨自动调节可以长时间正常投入,出口NOx排放浓度满足了环保达标排放要求。

某电厂2×660MW超临界燃煤机组,为满足大气污染物环保排放要求,先后对2台机组实施了脱硝改造,采用选择性催化还原(SCR)法进行脱硝,控制系统采用可编程逻辑控制器(PLC)控制,接入辅网进行操作调整。

2台机组脱硝系统在投入运行的过程中,由于PLC实现复杂自动控制的局限性,加之现场设备及脱硝喷氨自动控制设计的不完善,导致喷氨自动无法正常投入,完全依靠运行人员手动控制,无法精确控制脱硝出口NOx排放浓度,也增大了运行人员的工作强度。下面对脱硝喷氨自动控制系统存在的问题进行深入分析并优化。

1 SCR脱硝基本原理

燃煤电厂锅炉产生的NOx主要来源于燃料型NOx和热力型NOx。根据NOx生成机理,控制NOx的技术主要包括燃烧时尽量避免NOx的生成技术和NOx生成后的烟气脱除技术。SCR技术是应用最为广泛的烟气脱硝技术,采用NH3作还原剂,烟气中NOx在经过SCR反应器时,在催化剂的作用下被还原成无害的N2和H2O。烟气中的NOx主要有NO和NO2,其中NO占95%左右,其余的是NO2。

要实现高效率脱硝,喷氨流量的控制至关重要。若喷氨量超过需求量,则NH3氧化等副反应的反应速率将增大,降低NOx的脱除效率,同时形成有害的副产品,即硫酸铵(NH4)2SO4和硫酸氢铵NH4HSO4,加剧对空气预热器换热元件的堵塞和腐蚀;若喷氨量小于需求量,则反应不充分,造成NOx排放超标。由于喷氨量主要由氨流量调节阀控制,因此为保证脱硝出口NOx排放浓度满足环保要求,控制氨逃逸率低于3×10-6mg/m3,提高脱硝系统喷氨自动控制的品质尤为重要。

2初始喷氨自动控制策略

该电厂原脱硝喷氨自动控制策略是摩尔比串级回路控制,与单回路比例-积分-微分(PID)相比,摩尔比串级回路控制相对复杂,该串级控制回路由主调和副调控制回路组成。

a.主调控制回路。利用脱硝反应时MNH3/MNOx摩尔比近似等于1的原理,使用烟气进口NOx质量浓度和烟气流量的乘积得到基本的NOx含量,再乘以二者摩尔比便可得到氨气需求量,在满足脱硝效率要求的情况下,设置二者摩尔比为0.84,同时进行脱硝出口NOx对二者摩尔比的修正调节(依据出口NOx质量浓度与设定值偏差进行PID调节),此外,在操作员站上设有摩尔比偏置,提供了摩尔比的设定功能。

b.副调控制回路。根据修正的摩尔比计算得到所需要的氨气流量,其作为副调的给定值与氨气流量测量值的偏差经过副调调节后输出控制指令,控制喷氨流量调节阀开度,改变喷氨量大小,最终将出口NOx质量浓度控制在设定值范围内。

3喷氨自动控制影响因素分析及优化

初始逻辑设计虽然采用了较为经典的控制策略,但是设计不完善,没有考虑更多的细节,同时由于PLC实现复杂的模拟量控制较为困难,所以脱硝喷氨自动一直无法正常投入,长时间依靠运行人员手动调节,在负荷变化较大时,脱硝出口NOx质量浓度得不到及时有效地控制,严重影响了NOx的达标排放。为解决该问题,使喷氨自动能够有效投入,达到良好的调节品质,全面分析喷氨自动控制的影响因素,并对现有喷氨自动控制进行优化改造。

3.1影响因素分析

a.系统延迟性。由于脱硝反应系统及取样测量系统的延迟性,使喷氨自动控制系统被控对象的响应延迟时间在2~3min,是典型的大滞后被控对象,这意味着喷氨调节阀动作后,出口NOx需要一段时间才会有变化,这使得调节的及时性受到制约。

b.入口NOx含量波动大。受燃烧调整、煤质变化、负荷变化频繁及启停磨等影响,脱硝入口NOx质量浓度变化大、变化快,由于脱硝反应区入口到出口的距离短,喷氨反应有一定的时间滞后,所以反应就不完全,出口NOx也会相应快速上升,导致超调。

c.NOx测量数值异常。脱硝烟气自动监控系统(CEMS)取样采用直抽法,系统处于负压状态,若取样管路有泄漏,氧量测量就会失准,导致经过氧量折标的NOx质量浓度异常;取样探头及管线堵塞,取样流量消失,分析仪表报故障,会使NOx数值失准;分析仪表吹扫/标定期间,NOx数值将保持不变,这些都会影响喷氨自动控制。

d.烟气流量计算不准。烟气流量通过燃料量计算而来,由于其参与喷氨需求量的计算,其计算的准确程度,将决定计算所得喷氨需求量与实际需求量偏差的大小,偏差太大,主调修正回路无法进行有效地修正调节,从而影响喷氨自动的投入及调节效果。

e.喷氨流量的稳定性差。喷氨流量采用节流孔板的方式测量,其测量数值受到孔板特性的影响,同时受到氨区供氨压力的影响,供氨压力通过机械减压阀和稳压罐调节,供氨压力不稳,波动较大,使喷氨流量测量值频繁发生变化,与阀门开度对应的稳定性差,对调节回路产生扰动,影响调节效果。

f.喷氨不均匀。喷氨不均匀会引起反应器出口NOx含量分布不均匀,进而导致出口NOx测量值不具有代表性,从而影响喷氨自动调节效果;脱硝CEMS取样测点位置选取不当,可能使取样探头处于涡流区,NOx测量数值不能正确反应实际变化,这些也影响喷氨自动的调节效果。

g.控制逻辑设计不完善。PLC实现复杂的模拟量控制较为困难,原有逻辑回路无前馈信号,没有对大延迟属性进行有针对性地优化;原有逻辑对摩尔比进行偏置,对运行人员来说,画面中无摩尔比显示,偏置调整不直观。

3.2优化方法

3.2.1脱硝喷氨自动控制的优化

根据分析结果,优化现有的脱硝喷氨自动控制系统,对脱硝进出口CEMS系统全面细致检查,测点选取不当的进行移位改造;合理调整自动吹扫/标定时间及间隔时间,防止脱硝进出口CEMS装置的吹扫时间重合,最大程度保证接收的NOx、O2含量等参数的真实性;通过喷氨格栅(AIG)喷氨优化调整试验,调整每路进氨支管手阀的开度,调整不同区域的喷氨量,最终达到喷氨均匀;对喷氨调节阀进行检修,并重新调试定位,使两侧阀门开度与流量特性尽量一致,并在分布式控制系统(DCS)中利用函数修正阀门特性。

此外,也优化了控制系统逻辑,由于PLC实现复杂的模拟量控制较为困难,利用电流信号隔离器,将与喷氨自动相关的参数测点同时引入PLC与DCS中,并在DCS中对喷氨自动控制进行逻辑组态,然后将调节阀自动指令再送回PLC输出,脱硝喷氨自动的投切、给定值设定、流量偏置等与自动相关的操作仍在原辅网画面进行,仅在DCS中进行逻辑运算。

将控制逻辑引入DCS后,对喷氨自动控制策略优化,优化后主体仍采用串级回路控制,基于出口的串级控制方式见图1。

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