脫硝SCR噴氨調節閥在火電廠使用

                        脫硝SCR噴氨調節閥在火電廠使用

                            上海申弘閥門有限公司
摘要：本文敘述了華潤首陽山發電廠兩臺630MW 機組脫硝噴氨控制系統，該控制系統采用常規PID控制策略和模糊控制共同完成，能夠準確的測量、控制相關設備，達到脫硝控制系統的安全、穩定、經濟的運行.

關鍵詞：脫硝 常規PID控制 模糊自控制 優化

序號	商品名稱	規格	材質（參數）	備注
1	脫硝SCR噴氨調節閥	ZAJDHTP DN25 150磅	1Cr18Ni9Ti	參數詳見附件
2	脫硝氨區儲罐出口調節閥	AHDLTS DN25 300磅	1Cr18Ni9Ti	參數詳見附件

1、引言

根據我國環保政策要求，目前煙氣脫硫項目已基本覆蓋所有燃煤火電機組，但煙氣脫硝還未大規模的開展應用。有相關研究資料表明，如果還繼續不加強對煙氣中氮氧化物的控制， 氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。ZXPE系列微小流量調節閥是專門針對小流量調節而開發的小口徑調節閥，可廣泛控制各種氣體、液體、蒸汽的流量，小可控Kv可達0.001。因而可應用在許多需控制微小流量的場合，如精細化工、食品添加劑、醫藥、電子等行業。
   閥體采用螺紋連接，具有體積小、重量輕、安裝、維護方便等優點。
   調節不干凈介質時，針對其節流間隙小的問題，閥前后應安裝Y型過濾器，以避免堵卡現象的發生。

隨著我國對工業環保標準逐漸嚴格，僅靠低氮燃燒已明顯不能滿足更加嚴格的排放標準。SCR煙氣脫硝技術是目前減少氮氧化物排放的有效方法，河南華潤電力首陽山有限公司利用原設計基礎上在2013年更改設計，投產脫硝裝置，引進丹麥SCR煙氣脫硝技術，采用SCR (Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還 原法)方法，SCR脫硝工藝中，氮氧化物在催化劑作用下被氨還原為無害的氮氣和水，不產生任何二次污染，反應通常可在溫度250~450 oC下進行，其化學反應如下：

4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O

SCR 法一般是將氨類等還原劑噴入煙氣中，利用催化劑將煙氣中的NOX通過催化反應生成氮氣和水，不影響環境，而除氮氧化物效果明顯，能夠達到90%以上。

2 脫硝自動控制常規控制策略分析：

2.1設備概況：

華潤首陽山電廠分別在2013年5月和10月對二臺超超臨界的630MW機組進行了脫硝改造，其SCR煙氣脫硝裝置主要由液氨卸載/儲存系統、注統、SCR反應系統、吹灰系統、干除灰系統組成。其工藝流程見圖1。脫硝系統運行狀況
由于脫硝系統安裝在省煤器和空預器之間屬于高塵布置，煙氣中灰塵含量大，加之進行配煤摻燒，煤質較設計煤種偏差較大，煙塵量進一步增加，造成脫硝出口NOX表計頻繁堵塞，導致指示不準確，經常出現出口NOx含量高于入口的情況，影響脫硝效率的計算，要維持規定的脫硝效率，必然導致氨氣消耗量大幅上升。
煙氣含塵量多，激光鏡片上積灰嚴重，導致氨逃逸率表計的透光率大幅下降，氨逃逸率表計指示不準頻繁跳變，嚴重影響脫硝系統的正常運行，且無法正常反映催化劑的反應情況。
脫硝系統催化劑積灰嚴重，脫硝阻力增加，嚴重時阻力達800Pa,超過正常值200Pa。
在負荷低于200MW以下時，脫硝入口煙氣溫度低于300℃，由于脫硝系統邏輯設計不合理，脫硝無法自動停運，因此在監視不到位的情況下，脫硝依然運行。此時，由于煙溫低，催化劑活性低導致與氨氣反應的效果差，氨氣逃逸率高，硫酸氫氨形成量增加，硫酸氫氨沉積在催化劑表面，在空氣預熱器換熱管上冷凝析出晶體物質，與煙塵粘結一起沉積，降低了催化劑的活性并影響催化劑壽命，增大了空預器的換熱阻力并增加了堵塞、腐蝕的風險。
在調整噴氨流量時氨氣流量波動大極易造成噴氨流量快速增加，使得空氨比快速升高，導致脫硝跳閘，嚴重影響脫硝系統的正常運行并降低脫硝的投運率和安全性。
在運行中為控制脫硝效率，使得脫硝出口NOx含量遠遠低于國家標準，使得氨氣消耗量大，增加了脫硝運行的費用，降低運行經濟性。

圖一 工藝流程圖

					客戶名稱 Customer	大唐呼圖壁熱電廠		項目名稱  PROJECT
脫硝氨氣氣動調節閥選型表					計劃號			交 貨 期 Delivery
					合同號   CONT.NO
表式號		MXS 02	調節閥技術規格書                   SPECIFICATION  FOR  CONTROL  VALVE				位    號 Tag No.
							型    號 Model No.		ZAJDHTP
頁碼 PAGE							數    量 Quantity		1
管道規格  Piping Size			57*3			材    質     Material	閥        體  Body		CF8
管道材質  Piping Material			1Cr18Ni9Ti				閥        芯  Plug		304
工 藝 條 件 Service Condition							閥        座  Seat		304
流體名稱  Fluid Name			氨氣				套    筒 Cage
流體狀態  Fluid State			氣體				閥    桿 Stem		2CR13
標準密度  STd. Density (Kg/Nm3)						執  行  機  構  ACTUATOR
氣體摩爾分子量 M.W						型        式  Type			氣動薄膜執行機構
絕熱指數 CP/Cv						型        號  Model.			ADZHB-22
壓縮系數 Comp.Factor						氣源Air Supply (Kgf/cm2)/電源  Elec.supply			280KPA
飽和蒸汽壓 Vapor Press						彈簧范圍  Spring  Range(Kgf/cm2)			0.8-2.4
臨界壓力 Critical Press						行    程 Travel(mm)			16
運動粘度 Kin Visc						作用型式 Action
流量單位  Flow Rate Unit			Nm3/h			定  位  器  POSITIONER
壓力單位  Pressure Unit			Mpa(G)			型        號  Model.			6DRA5010-0DNG0-0AA0
操作工況 OPERATION			大 MAX	正常 NOR	小 MIN	供氣壓力  Air Supply (Kgf/cm2)			2.8
流    量 Flow Rate			150	93	0	輸入信號  Input Signal			4-20mA.DC
閥前壓力 Input Pressure			0.17	0.17		輸出信號  Output Signal			4-20mA.DC
閥后壓力 Outlet Pressure			0.12	0.12		防爆等級  EXP.Proof			EXiaIICT4
壓        差   Different Pressure			0.05	0.05		氣源接口  Air Input Connect			NPT1/4"
溫    度 Temp. ℃				常溫		電氣接口  Electric.Connect			NPT1/2"
操作密度  Opera Density (Kg/m3)			0.76			附    件  ACCESSORY
計算Cv值 Calculate Cv			3.16	2.45		減壓器  Filter			QFH-261
開    度 Travel (%)			79.7	72.2		手輪機構  Hand Wheel			帶（頂裝）
噪    音  Noise Level(dB)			≤85		≤85	電 磁 閥  Solenoid	型        號  Model No.		EF8320G174
關閉壓力  Shut off Pressure							電        壓  Voltage		24V.DC
氣源或電源故障時閥位  Air or power Fail			失氣關FC				防爆等級 EXP.Proof		EXdIIBT4
閥  體  組  件  Valve							氣源接口  Air Input Connect		NPT1/4"
閥體類型  Body Type			單座閥				電氣接口  Electric.Connect		NPT1/2"
公稱通徑  Body Size			DN25				接線盒 JUNCTION BOX
公稱壓力  Rating			150#			行程開關Limit Switch	型        號  Model No.
閥座直徑  Ports Size			dg25				防爆等級 EXP.Class
額定Cv值  Rated Cv			10				安裝位置 Assembly
流量特性  Characteristic			等百分比				數        量  Quantity
連接形式  Connect Type			法蘭式			空氣配管 Air Piping(Tube)			Φ6
法蘭密封面形式 Flange Type			FM			空氣配管材質 Air Piping Mate.			不銹鋼管
泄漏等級  Leakage Class			V級			其它附件      Other ACCESSORY	保位閥 Pneu. Retaining
上蓋型式  Bonnet Type			標準型				繼動器 Booster
填        料  Packing			柔性石墨
流        向  Flow To Open/Close			流開
備注：小流量應控制在10Nm3/h以下						編         制  PREP.
						校         對  CHK.
						顧客確認  REV.
						日    期 Date.

鍋爐分A\B二側，每側有一個供氨調門，該調門進行對噴氨量的控制，從而參與控制出口煙囪NOx含量，并且二個調門保持平衡，防止催化劑的老死或者堵塞等現象，

2.2設備運行原理：

SCR脫硝系統的工藝流程示意圖如下圖所示。脫硝系統的工藝裝置主要組成部分包括兩個裝有催化劑的反應器、兩個液氨存儲罐及一套氨氣注入系統。來自存儲罐的液氨靠自身的壓力進入蒸發器中，被熱水加熱蒸發成氨氣。從氨氣積壓器出來的氨氣經由稀釋風機來的空氣在氨氣/空氣混合器混合稀釋，通過注入系統被注入到煙氣中，被稀釋的氨氣和煙氣在SCR前被充分混合均勻后進入兩層催化劑，進而產生化學反應，氮氧化物就被脫除。其工藝流程見圖2。

圖二 SCR 法的基本原理流程圖

2.3 自動控制的測量原理：

SCR煙氣脫硝控制系統依據確定的NH3/NOx摩爾比來提供所需要的氣氨流量，進口NOx濃度和煙氣流量的乘積產生NOx流量信號，此信號乘上所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號(前饋信號)，根據煙氣脫硝反應的化學反應式，一摩爾氨和一摩爾NOx進行反應。摩爾比對應關系的決定是在現場調試期間來決定并記錄在氣氨流量控制系統的程序上。所計算出的氣氨流量需求信號送到DCS控制器并和真實氣氨流量的信號相比較，所產生的誤差信號經比例加積分動作處理送氨氣流量控制閥進行定位

同時根據設計脫硝38.0%，依據入口NOx濃度和設計中要求的大≤5.0ppm的氨逃逸率計算出修正的摩爾率(反饋信號)并輸入在氣氨流量控制系統的程序上。SCR控制系統根據計算出的氨氣流量需求信號去定位氣氨流量控制閥，實現對脫硝的自動控制。通過在不同負荷下的對氣氨流量的調整，找到的噴氨量。

2.4 常規自動控制邏輯設計

1)根據目前國內脫硝系統的運行情況，對脫硝氨氣流量控制一般采用基本控制方式Constant Mole Ratio Control (固定摩爾比控制方式)。該控制方式是基于脫硝效率和催化劑脫硝能力的控制方式，在該控制方式下系統按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx ，這種控制方式是 解決脫硝CMS表計頻繁故障。首先針對實際運行中煙塵含量大易造成表管堵塞的問題，將原設計的每四小時反吹一次，修改為每兩小時反吹一次，將反吹壓力由原來的0.2MPa修改為0.4MPa。再將表計的定期標定時間由原來的兩周一次改為一周一次，并加大對表計的定期維護工作，對氨逃逸率每天進行清理，以保證其透光率和表計的正常指示。
優化吹灰解決煙塵量大導致催化效率下降及阻力大的問題。認真執行檢修工作，要求對脫硝催化劑做到逢停必檢，重點是檢查催化劑積灰情況、聲波吹灰器膜片及噴嘴堵塞磨損情況，并及時進行修復和清理;對吹灰器程控運行方式進行優化，將原來的每300秒吹5秒修改為每140秒吹10秒，將吹灰壓力由原來的0.4MPa調整為0.6MPa。
解決氨氣流量波動問題。首先對氨氣蒸發槽蒸汽調門和氨氣調門進行解體檢查和更換，確保調門線性正常，再對自動調節裝置進行調整，由原來的根據蒸發槽出口壓力調節改為根據SCR區噴氨調門前壓力調整，從而保證了噴氨壓力的穩定。



2)脫硝系統的關鍵參數為噴氨量，因此采用良好的控制措施對供氨調門進行控制是脫硝自動的重點。

圖三 脫硝控制常規PID控制SAMA圖‘




控制主體原則為前饋串級控制，控制的主參數為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數為氨氣流量，前饋量為根據進口NOx的流量算出的基本氨氣需求量。主回路PID出口用于調整摩爾比修正值，副回路PID出口用于控制調門開度。在控制中3個氨氣流量需要由計算流量公式得到，算出的氨氣流量三取中后做濾波處理。

脫硝進口煙道NOx修正值=(脫硝進口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝進口煙道含氧量檢測)。脫硝出口煙道NOx修正值=(脫硝出口煙道NOx檢測×15)/(21-脫硝出口煙道含氧量檢測)。設定負荷跟實際負荷的偏差對于氨氣量的修正根據實際情況得到。

由于脫硝噴氨自動系統具有較大的延遲性，目前用常規控制策略，容易導致脫硝噴氨控制系統不穩定，目前在國內不建議利用該方法進行噴氨自動控制。

3 脫硝噴氨系統模糊控制策略分析

3.1設備概況：

在國內，針對比如SCR脫硝控制系統這樣大滯后、大延時的控制，引進了針對控制對象的預測控制技術、融合改進的狀態變量控制、相位補償控制技術，代替了經典PID控制。能夠提前預測被調量未來變化趨勢，根據被調量未來變化量進行控制、提前調節，提高了脫硝系統閉環穩定性和抗擾動能力。華潤首陽山電廠脫硝大膽引入了由東南大學研究的英菲迪控制系統，通過和DCS常規系統的耦合，達到了的控制。

3.2模糊控制的特點

3.2.1實時動態特性校正和補償

采用智能前饋技術對脫硝控制系統受到擾動進行動態補償，從反應源頭消除NOx濃度劇烈波動;模糊控制系統采用競爭型神經網絡學習算法來實時校正上述動態補償算法中各項特性參數，使得整個系統始終處于在線學習狀態，控制結果不斷向*目標逼近。

3.2.2 增加AGC指令頻繁變化特別節氨算法

AGC指令變化頻繁將導致脫硝出口NOx濃度反復波動，若控制系統采用常規PID控制策略，因反饋調節作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩，使控制品質明顯變差。模糊控制系統根據機組AGC指令變化，實時預測NOx濃度波動規律，調整控制算法始終保持與AGC指令變化反相位，減少不必要的控制調節，氨氣消耗明顯減少。

3.2.3在線評估測量儀表數據

模糊控制系統根據機組運行參數對NOx測量數據進行在線評估;系統發現測量參數失真現象后立即調整該測量參數在控制系統中的權重占比，將測量值失真給控制系統造成的影響降至低，從而保證脫硝控制系統可靠運行。

4 常規控制和模糊控制共同在機組噴氨系統上的應用

4.1 實施方式

常規控制以目前DCS為載體，而模糊控制系統以PLC為載體，采用SCL、STL語言開發算法模塊，采用封裝技術建立比DCS系統功能更強大的組態函數庫，通過函數調用完成模糊控制系統的建立;模糊控制系統與機組DCS采用標準MODBUS通訊方式交換數據，取得機組負荷、NOx濃度、NOx設定等數據，借用常規控制邏輯的某些邏輯通道，將優化計算后控制指令傳至DCS，與原有DCS脫硝控制系統進行切換完成噴氨自動調節。

4.2 二種控制方式的數據交換

常規控制采用噴氨調門開度、煙囪入口NOx濃度、煙囪入口O2濃度、脫硝氨氣流量、脫硝入口NOx測量值、脫硝出口NOx測量值、脫硝入口O2測量值、脫硝出口O2測量值、脫硝出口氨測量值、脫硝效率、分析儀故障等信號，而模糊控制系統采集除了上述信號外，還包括了鍋爐指令、速率限制之前的功率指令、速率限制之后的功率指令、鍋爐總風量等，這些數據充分反映系統運行狀況。

圖四 模糊控制指令生成圖




4.3 系統投運

在DCS脫硝畫面增加模糊控制系統投退按鈕，投入模糊控制控制方式后，將A側和B側噴氨調節閥投入自動即可實現模糊控制系統對SCR出口NOx濃度自動控制;模糊控制自動投入與A、B側噴氨自動的投入不分先后。模糊控制系統投入與退出均實現無擾切換。

在火電廠中，NOX的有二組數據，一組為脫硫出口數據、一組為脫硝出口，為了更有效的控制，我們在控制中，把二組NOX數據都引入到模糊控制中，根據實際情況，進行隨時切換，達到預期目標。

圖五 模糊控制投入圖 圖六 常規PID控制投入圖

模糊控制系統投運后，若某側測量信號存在問題或噴氨調節閥存異常，則自動切換到常規自動控制，或者由運行人員接觸自動，進行手動控制;二次均是獨立自動方式，相互操作不受影響。

5 應用效果

模糊控制系統投運以來，控制品質明顯改善，機組負荷穩定、快速變負荷及啟停制粉系統狀況下，SCR出口的Nox濃度均控制在合理范圍內。

圖七 噴氨自動實施曲線圖

6 結束語

通過近一年的實際應用，模式控制技術、性能可靠、控制效果滿意;調節靈敏、系統抗干擾性能強，能適應負荷大幅變化及個別參數異常;常規PID控制對模糊控制的有利的補充，當模糊控制出現各種參數監測異常，模糊控制系統無擾切換至常規控制穩定運行;

目前在國內采用常規PID和模糊控制共同組合的這種方式，能夠有效的提升熱控自動化水平，滿足國家環保部門及其對大型排污企業監控要求，取得了社會和企業雙重效益。

參考文獻：上海申弘閥門有限公司生產相關的產品有：減壓閥(氣體減壓閥,

[1] 馬瑞 《河南華潤首陽山電廠邏輯說明》

[2] 呂劍虹 預測控制在熱工過程控制中的應用研究，

[3] 羅子湛 中國大唐科技集團有限公司

[4] 馬瑞 《華潤首陽山電廠運行自動投入操作指導書》

[5] 王露華 SCR煙氣脫硝技術在國華臺電600MW機組的應用