基于脫硝系統(tǒng)精細(xì)化控制總體思路，本文提出了利用溫度場(chǎng)測(cè)量裝置構(gòu)建二維溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化PID控制策略，利用溫度場(chǎng)與NOx生成量的耦合關(guān)系，使脫硝控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)鍋爐大負(fù)荷波動(dòng)帶來(lái)的影響。


1引言

“十二五”期間，根據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，我國(guó)采用的技術(shù)路線是:大力普及低NOx燃燒器技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)和示范空氣分段供給燃燒及時(shí)和超細(xì)煤粉再燃技術(shù)，推進(jìn)各種煙氣脫硝技術(shù)(SCR,SNCR,SNCR/SCR)國(guó)產(chǎn)化。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)將安裝SCR脫硝裝置約有1.5億kW，因此，消化、吸收、研究并創(chuàng)新SCR脫硝技術(shù)，在我國(guó)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格及執(zhí)法力度的加大，對(duì)采用SCR法脫硝的火力發(fā)電廠在確保煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)還要增強(qiáng)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，在保證脫硝效率的同時(shí)，如何應(yīng)對(duì)機(jī)組大負(fù)荷波動(dòng)，如何優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)性能，精確而經(jīng)濟(jì)地控制噴氨量、降低氨逃逸是脫硝系統(tǒng)運(yùn)行面臨的一個(gè)難點(diǎn)。

2影響SCR脫硝效率的因素

2.1微觀因素

在既定反應(yīng)條件下，脫硝反應(yīng)速率與催化劑微孔的面積和煙氣中反應(yīng)物濃度成正比，與表面化學(xué)反應(yīng)阻力、外傳質(zhì)阻力和內(nèi)傳質(zhì)阻力成反比。因此增加微孔橫截面積和反應(yīng)物濃度，減少反應(yīng)中各類阻力有助于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，提高脫硝效率。

可以通過(guò)提高氨氣濃度和增加催化劑微孔內(nèi)表面積的方法減少化學(xué)反應(yīng)阻力;通過(guò)改變煙氣流動(dòng)狀態(tài)和提高煙氣溫度，減少層流膜的厚度，有利于減少外傳阻力;通過(guò)減少催化劑外表面與微孔內(nèi)表面積之間的平均距離，增大催化劑微孔內(nèi)表面積和微孔平均截面積，能夠減少內(nèi)傳阻力，有效提高脫硝反應(yīng)速率。

2.2宏觀因素

2.2.1煙氣溫度的影響

當(dāng)催化劑在煙氣溫度280℃-400℃之間時(shí)，煙氣溫度越高，脫硝效率越大，但超過(guò)400℃后，脫硝效率隨著溫度升高開(kāi)始下降。因此為了降低煙溫對(duì)脫硝效率的影響，應(yīng)盡量保持鍋爐工況穩(wěn)定或采取帶旁路的省煤器來(lái)調(diào)整脫硝入口煙溫。

2.2.2氨氮比的影響

氨氮比=1.0時(shí)能達(dá)到95%以上的NO脫除率，并能使NH3的逃逸濃度維持在5×10-6或更小。實(shí)際生產(chǎn)中通常是多于理論量的氨被噴射進(jìn)入系統(tǒng)，造成反應(yīng)器后煙氣下游氨逃逸超標(biāo)，氨逃逸是影響SCR系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的另一個(gè)重要參數(shù)，燃煤機(jī)組一般將NH3的排放控制在2×10-6以下，以減少對(duì)后續(xù)裝置的堵塞。

2.2.3合理控制噴氨量

噴氨量與煙氣中的NOx含量相對(duì)應(yīng)后，才能保證NOx反應(yīng)過(guò)程中脫硝效率、氨氣逃逸率和催化劑壽命。在鍋爐負(fù)荷變化過(guò)程中，若氨氣流量與NOx濃度對(duì)應(yīng)，可以有效地避免由于過(guò)度噴氨造成的不良后果。

綜上，對(duì)SCR系統(tǒng)的優(yōu)化可以著重從兩方面入手，一是為還原反應(yīng)創(chuàng)造最佳的條件，通過(guò)改善設(shè)備結(jié)構(gòu)和提供適宜的溫度場(chǎng)、反應(yīng)時(shí)間;另一方面是在滿足脫硝出口合格的前提下，優(yōu)化脫硝控制，充分發(fā)揮溫度場(chǎng)與NOx生成物的耦合關(guān)系，盡可能的減少噴氨量，降低氨逃逸，通過(guò)更精準(zhǔn)的控制手段來(lái)控制噴氨量。

3脫硝系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

總結(jié)國(guó)內(nèi)脫硝控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)氨氣流量的控制一般采用固定摩爾比控制方式和固定出口NOx濃度控制方式，這兩種控制方式各有自己的控制優(yōu)勢(shì)，但由于負(fù)荷的波動(dòng)、設(shè)備運(yùn)行工況的因素的變化，造成各噴氨點(diǎn)后的氨氣濃度與煙氣濃度并不匹配，從而出現(xiàn)噴氨量增加，局部氨逃逸過(guò)大，威脅到煙氣下游設(shè)備的安全運(yùn)行，有研究測(cè)試表明，NH3逃逸率達(dá)到2ppm，空預(yù)器運(yùn)行半年后其阻力增加30%，NH3逃逸率達(dá)到3ppm，空預(yù)器運(yùn)行半年后其阻力增加約50%。一般的SCR自動(dòng)控制中，以SCR出、入口NOx濃度作為煙氣自動(dòng)調(diào)節(jié)的參考參數(shù)，但CEMS數(shù)據(jù)采集具有一定的誤差和滯后性，并且由于SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速不均，CEMS采樣未必具備代表性，以上因素均會(huì)對(duì)SCR單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生反映慢、調(diào)節(jié)失穩(wěn)失準(zhǔn)等影響。

4基于溫度場(chǎng)的脫硝控制優(yōu)化思路

4.1溫度場(chǎng)的建立

AGAM型聲波法爐膛溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是一類先進(jìn)的工業(yè)在線二維溫度場(chǎng)全工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，此設(shè)備是德國(guó)Bonnenberg+Drescher公司多年的科技研究成果，可實(shí)現(xiàn)在各種工況下對(duì)鍋爐、焚燒爐和各種加熱爐內(nèi)高溫燃燒氣體溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)的全自動(dòng)測(cè)量。

聲波法氣體溫度測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)量鍋爐內(nèi)距離已知的一對(duì)聲波收發(fā)裝置之間一個(gè)聲波脈沖的飛行時(shí)間，來(lái)計(jì)算該通道氣體平均溫度。聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)可以使用一定數(shù)量的收發(fā)器形成一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格，從而測(cè)量爐內(nèi)一個(gè)水平面的溫度分布情況。

從通道網(wǎng)格測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到平面二維溫度分布，并使用層析成像算法得到等溫圖。通道溫度、自定義區(qū)域溫度值(網(wǎng)格子分區(qū)的平均值)、轉(zhuǎn)換數(shù)值(最低、最高溫度，標(biāo)準(zhǔn)偏差，各區(qū)間的平均溫度差異)可以顯示在外部控制設(shè)備上，用于鍋爐診斷和操作優(yōu)化。


聲學(xué)測(cè)量技術(shù)是唯一不受輻射影響，也無(wú)漂移的高溫爐膛內(nèi)溫度測(cè)量技術(shù)。在燃燒性能的控制方面首次的應(yīng)用是1993年在慕尼黑。在燃煤鍋爐中，AGAM系統(tǒng)用來(lái)調(diào)整爐內(nèi)溫度場(chǎng)平衡。采用此溫度場(chǎng)測(cè)量和平衡調(diào)整的主要好處在于可以提高鍋爐的可用性(減少結(jié)渣和腐蝕)，并獲得更高的生產(chǎn)效率。

聲學(xué)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是聲學(xué)溫度信號(hào)的反應(yīng)速度非?？?。在4秒內(nèi)就可以刷新一次二維溫度場(chǎng)分析測(cè)量的結(jié)果，溫度測(cè)量的反應(yīng)時(shí)間比其它傳統(tǒng)的控制信號(hào)，例如蒸汽量或O2濃度等，快從半分鐘至幾分鐘。因此，根據(jù)不同的鍋爐類型，相對(duì)于蒸汽量和O2濃度，使用聲學(xué)方法測(cè)量爐內(nèi)溫度時(shí)，溫度信號(hào)可以更快的傳送至DCS，從而進(jìn)行基于聲波測(cè)溫技術(shù)原理的各類燃燒過(guò)程優(yōu)化控制。

4.2控制策略

4.2.1帶有前饋回路的分區(qū)串級(jí)控制系統(tǒng)

以煙囪入口處的NOx濃度測(cè)量值作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，脫硝被控對(duì)象(NH3流量?煙囪入口處NOx濃度)的響應(yīng)純延遲時(shí)間接近3分鐘，整個(gè)響應(yīng)過(guò)程達(dá)十幾分鐘，是典型的大滯后被控對(duì)象，在此種方式下的控制難度將明顯增加。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)噴氨量最優(yōu)控制，優(yōu)化控制可以與溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，基于大滯后被控對(duì)象的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行優(yōu)化，從而有效提前調(diào)節(jié)過(guò)程，獲得更好的控制品質(zhì)。帶有前饋回路的串級(jí)控制系統(tǒng)已可達(dá)到一般的控制出口合格的控制目標(biāo)，但為實(shí)現(xiàn)噴氨量更優(yōu)控制、使得控制目標(biāo)與環(huán)?？己四繕?biāo)相一致，基于溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)與NOx生成量的耦合關(guān)系，建立起動(dòng)態(tài)模型，以適應(yīng)控制過(guò)程中存在的大滯后延遲問(wèn)題。

根據(jù)溫度場(chǎng)模型預(yù)測(cè)未來(lái)NOx的生成量，并根據(jù)實(shí)測(cè)NOx數(shù)據(jù)，不斷修正并在當(dāng)前時(shí)刻給出最優(yōu)的控制量。同時(shí)根據(jù)鍋爐負(fù)荷情況、給煤量、煙氣流量作為溫度場(chǎng)校核因素，提高控制響應(yīng)時(shí)間。

5經(jīng)濟(jì)性分析

采用基于溫度場(chǎng)的脫硝控制技術(shù)，可以大幅度提高氨氣的利用率，降低氨氣耗量，以330MW機(jī)組例，節(jié)省耗氨量10%，年節(jié)約液氨費(fèi)用約為25萬(wàn)元。SCR自動(dòng)控制采用優(yōu)化控制策略情況下，可以提高SCR的最大脫硝效率，預(yù)計(jì)提高催化劑使用壽命7%;同時(shí)由于還原劑的利用率提高，在最優(yōu)的控制狀態(tài)下，可以降低氨逃逸40%，大大減少了對(duì)尾部煙道內(nèi)設(shè)備的威脅，降低了因空預(yù)器、電除塵腐蝕堵塞造成的維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本。

6展望

節(jié)能減排已經(jīng)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)和政治的一項(xiàng)中心任務(wù)，針對(duì)火電機(jī)組節(jié)能減排的現(xiàn)實(shí)需求，以及鍋爐大負(fù)荷變化情況下，爐膛溫度、煙氣量變化對(duì)脫硝控制的影響。脫硝的控制技術(shù)有望與溫度場(chǎng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步完美結(jié)合，以克服以往脫硝控制中受監(jiān)測(cè)手段、負(fù)荷變化、數(shù)據(jù)滯后不良因素的影響，實(shí)現(xiàn)噴氨量最優(yōu)控制，減少SCR出口NOx排放量和氨逃逸量，為火電廠SCR脫硝控制系統(tǒng)邁上一個(gè)新的高度。