火力发电厂SCR脱硝控制系统配置及模拟量调节方案的探讨

一、引言

中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤燃烧所释放出废气中的氮氧化物(NOx)，是造成大气污染的主要污染源之一。氮氧化物(NOx)引起的环境问题和人体健康的危害主要有以下几方面：

(1)NOx对人体的致毒作用，主要影响呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿等疾病；

(2)NOx对植物的损害；

(3)NOx是形成酸雨、酸雾的主要污染物；

(4)NOx与碳氢化合物可形成光化学烟雾；

(5)NOx参与臭氧层的破坏。

目前，解决环境保护面临的巨大压力已是刻不容缓。

本文针对目前火力发电厂最为普遍使用的SCR（选择性催化还原法）脱硝技术的的自动化控制领域进行了论述和分析，同时参考国外脱硝技术支持方日本三菱、丹麦TOPSOE等技术资料，结合山西阳城电厂、山东黄岛电厂、大唐长春第三热电厂等脱硝项目的设计、施工、调试以及试运的经验从工程应用角度对脱硝控制系统配置方案、调节原理等进行了探讨。

二、脱硝技术介绍

NOx生产机理

●热力型。空气中的氮气在高温下氧化而生成，在温度低于13000C时，几乎不产生热力型NOx；

●燃料型。燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成；

●快速型。燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团反应生成。在这三种形式中，快速型NOx所占比例不到5%：

降低NOx排放主要有两种措施。一是控制燃烧过程中NOx的生成，即低NOx燃烧技术；二是对生成的NOx进行处理，即烟气脱硝技术。

在众多的烟气脱硝技术中，选择性催化还原法(SCR)是脱硝效率最高，其NOx的脱除率可达到80—90%，已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。

1、SCR脱硝技术原理及流程

SCR技术是还原剂（NH3.尿素）在催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N2和H20，而不是被02所氧化，故称为“选择性”。主要反应如下：

4NH3+4NO+ 02—} 4N2+6H20

4NH3+2N02+02—} 6N2+6H20

SCR系统包括催化剂反应室、氨储运系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统。SCR工艺的核心装置是脱硝反应器，有水平和垂直气流两种布置方式。在燃煤锅炉中，烟气中的含尘量很高，一般采用垂直气流方式，如图1所示。

2、SCR运行中的主要主要影响因素

在SCR系统设计中，最重要的运行参数是烟气温度、烟气流速、氧气浓度、S03浓度、水蒸汽浓度、钝化影响和氨逃逸等。烟气温度是选择催化剂的重要运行参数，催化反应只能

在一定的温度范围内进行，同时存在催化的最佳温度，这是每种催化剂特有的性质，因此烟气温度直接影响反应的进程；而烟气流速直接影响NH3与NOx的混合程度，需要设计合理的流速以保证NH。与NOx充分混合使反应充分进行；同时反应需要氧气的参与，当氧浓度增加催化剂性能提高直到达到渐近值；氨逃逸是影响SCR系统运行的另一个重要参数，实际生产中通常是多于理论量的氨被喷射进入系统，反应后在烟气下游多余的氨称为氨逃逸，NOx脱除效率随着氨逃逸量的增加而增加，在某一个氨逃逸量后达到一个渐进值；另外水蒸气浓度的增加使催化剂性能下降，催化剂钝化失效也不利于SCR系统的正常运行，必须加以

有效控制。

脱硝调节及保护系统必须根据上述特点进行设计，保证系统稳定可靠运行。

三、脱硝控制系统的设置方案

1．脱硝系统控制范围及自动化水平

热工自动化范围包括锅炉侧SCR反应器区域的烟气脱硝装置及脱硝公用系统（常见的液氨系统包括液氨储罐、蒸发槽、缓冲罐等）的仪表及控制系统。对于脱硝控制系统，其主要的组成部分有：

●脱硝分散控制系统DCS/或可编程逻辑控制器PLC控制系统

●脱硝检测仪表及执行机构

●脱硝烟气成分在线连续监测系统

脱硝控制系统自动化水平应与整个电厂控制系统设计相协调，满足安全、可靠和“无人值守、定其目巡检”的能力，脱硝系统的控制通常情况下在单元控制室内完成，通过机组DCS操作员站完成对脱硝装置的启／停控制、正常运行的监视和调整以及异常与事故工况的处理和故障诊断。

脱硝工艺系统根据其特点，一般采用与单元机组DCS硬件一体化的控制设备。

2．控制系统简介

随着电子信息技术的飞跃发展，工业控制系统无论从硬件体系、软件体系还是控制策略都发生了质的变化。目前电厂主机组控制系统采用分散控制系统DCS，辅机控制主要采用可编程控制器PLC。脱硝系统作为电厂一个子系统，控制系统应采用同全厂控制系统水平一致的硬件和软件。

3．脱硝控制系统配置方案分析

(1) SCR脱硝装置的布置特点及控制系统配置方式的选择

通常脱硝系统的由两部分组成：SCR脱硝反应器部分以及脱硝系统吸收剂的制备系统。SCR脱硝反应器布置在锅炉省煤器和空预器之间；脱硝系统吸收剂的制备系统布置在锅炉及汽机房以外的厂区场地内，距离单元机组电子设备间较远。

根据SCR系统的布置及工艺特点，脱硝装置的控制通常采用同单元机组DCS相同的硬件，并采用远程站或远程I/O的方式直接接入单元机组DCS。

(2)脱硝控制系统配置方案分析

脱硝系统放置于锅炉的尾部烟道上，位于省煤器后，空预器前，与其他常规锅炉设备构成了锅炉系统，是锅炉运行重要的组成部分。脱硝系统的控制逻辑与锅炉设备一同考虑，便于锅炉控制系统的整体设计。

由于控制方案选取中存在的复杂性，在方案的选取过程中必须兼顾工艺系统特点、设备布置特点及DCS系统网络结构特点来综合考虑。

根据电厂运行特点及脱硝系统同锅炉的关系，对于两台炉的脱硝系统，首先应从相对每个锅炉的独立性，氨制备系统的公用性的处理方法等几个方面来考虑控制方式，通常脱硝系统的控制可以考虑以下三种方式：

① 控制方式一

脱硝SCR区控制设直接采用DCS控制站，控制站布置在单元机组电子设备间内，直接连接入主机组DCS。

氨区控制设备采用DCS远程站或远程I/O，布置在氨区控制间内，通过光纤连入两台机组DCS的公用DCS网上。这也是目前各火力发电厂最为普遍使用的方式。

通过上述控制方式实现了整个脱硝系统的监视和控制直接在单元机组DCS操作员站上完成。特点是：

a．通过上述控制方式实现了整个脱硝系统的监视和控制直接在单元机组DCS操作员站上完成。

b．脱硝系统对应性强，机组单元性好。

c．氨制备系统作为两炉公用系统连接到主机组DCS公用DCS网上。网络结构清晰、电缆量节省显著。

d．适应目前国家对环保重要程度的要求，脱硝运行同锅炉关系更紧密。

e机组运行人员需要对脱硝工艺尤其氨区特殊性进行掌握。

f．当为脱硝系统SCR区和氨区均采用独立控制器时，可减少脱硝系统调整中对主机组运行或调试的影响。

②控制方式二

脱硝SCR反应器部分的控制方式同方式一，对氨区的控制方式进行变化，考虑到氨介质的特殊性，将脱硝氨区看做电厂辅助车间，对氨区采用PLC设备，设就地简易控制室，重要信号通过硬接线连入单元机组DCS，氨区控制纳入全厂辅控网，从而减少对机组运行人员的干扰。

在单元机组操作员站上完成脱硝SCR区域的监控，在辅控网上实现脱硝氨区的监控。

② 制方式三

全厂脱硝系统全部按辅助系统考虑，设立独立的设备间及控制室，完成独立控制，同时为了适应电厂自动化水平的要求，脱硝系统纳入全厂辅控网，完成全厂辅助系统的集中监控。

考虑到同全厂辅控网的连接，通常情况下脱硝控制系统的硬件采用PLC。

方案特点：脱硝系统在运行、维护及检修上相对独立，同主机关联性小，便于实施。但锅炉平台设备脱离了主机组控制，系统划分不够清晰。

四、SCR脱硝装置模拟量调节原理

根据脱硝系统工艺流程及特点，主要模拟量调节包括：SCR反应器氨气流量控制、液氨蒸发槽温度控制、氨气缓冲槽压力控制等，其中脱硝模拟量调节系统中最为重要和核心的控制为SCR反应器氨气流量控制。

SCR反应器氨气流量控制的工艺系统流程如下图所示：

脱硝系统氨气流量控制策略在实施过程中需要对如下几个问题进行特殊考虑：

a．NOX测量信号存在较长时间的滞后问题

b．NOX在催化剂作用下的时间复杂性

c．氨气逃逸率的控制问题

SCR反应器氨气流量控制方式通常有两种：固定摩尔比控制方式（标准控制方式）、出口NOx定值控制方式。

1、固定摩尔比控制

(1)控制过程

氨气流量：反应器入口烟气流量×入口氮氧化物浓度×摩尔比

SCR烟气脱硝系统利用固定的NH3/NOx摩尔比来控制所需要喷入的氨气量。SCR反应器进口的NOx浓度乘以烟气流量得到NOx信号，该信号乘以所需NH3/NOx摩尔比就是基本氨气流量信号，此信号作为给定值送入PID控制器与实测的氨气的流量信号比较，由PID控制器经运算后发出调节信号控制SCR入口氨气流量调节阀的开度以调节氨气流量。

(2)控制原理

a由于烟气流量不易于直接准确测量，因此烟气流量通常是通过锅炉空气流量和锅炉燃烧等数据计算得到的（数据由机组DCS提供）。由于测量信号存在的滞后性问题，锅炉空气流量被用来快速检测负荷变化。

b．计算出的NOx流量乘以摩尔比是所需的氨气流量。

摩尔比是根据系统设计的脱硝效率计算得出的，在固定摩尔比控制方法中为预设常数。

c．净氨气的质量流量由在氨气喷射母管测得的体积流量通过温度和压力修正后取得。

d．大负荷变化预喷氨控制

由于脱硝系统存在明显的NOx反应器催化剂反馈滞后和NOx分析仪响应滞后的问题，控制回路中加入大负荷变化预喷氨气措施，原理是将烟气流量信号被用作预示负荷变化的超前信号（对于负荷变化信号有必要采用一个尽可能迅速的预测NOx变化的信号。在某些情况下，发电量需求信号、主蒸汽流量信号等能比烟气流量信号更迅速的预测NOx变化）

如果脱硝催化剂反应缓慢等原因导致控制效果不能很好满足调节要求时，除根据系统特点调整调节系统从而改变调节品质外，还应从以下几个方面进行处理：

a．缩短NOx分析仪采样管以保证即时的检测响应

b．采用能够灵敏地预测NOx变化的信号

c．催化剂在NOx变化之前提前吸收足量的氨气来弥补反应滞后

(3)出口NOx定值控制

这种控制方法是保持出口NOx恒定。根据环境空气质量标准，控制反应器NOx为定值比控制固定的脱氮效率更容易监视，同时氨气消耗量更少。

出口NOx定值控制方式与固定摩尔比的控制方式在主控制回路上基本相同，与固定摩尔比控制主要的不同之处在于摩尔比是个变值，摩尔比与反应器SCR出口NOX值以及锅炉负荷相相应。

控制原理：

主控制回路同固定摩尔比控制方法，仅是将摩尔比作为变量。变化摩尔比输出控制器原理图如下：

a．根据入口NO×实际测量值以及出口NOX设定值计算出预脱硝效率和预置摩尔比。

b．预置摩尔比作为摩尔比控制器的基准来输出，出口NOX实际测量值同出口NOX设定值进行比较通过PID调节器的输出作为修正，最终确定控制系统当前需要的摩尔比值。

c．摩尔比控制器输出的摩尔比信号作为固定摩尔比控制回路（见固定摩尔比控制方式的说明）中摩尔比设定值，控制氨的喷射，从而有效的控制脱硝系统，保证出口NOX稳定在设定值上。

另外，由于受脱硝反应器催化剂的特性决定，即便在锅炉负荷已确定的条件下，出口NOx浓度也将会波动较长时间，因此当采用固定脱硝装置出口NOX最为控制方式时，应该考虑对这种波动现象进行补偿。

简而言之，应该调整控制策略和控制参数确保出口NOx变化可以在一个很短的时间内被抑制。

五、结论

以上对脱硝控制系统在整个火力发电厂控制系统中的所处位置的结构特点进行分析的同时也对脱硝氨气流量控制系统进行了重点阐述。笔者认为脱硝系统作为新近在国内大量采用的一项新技术，在实践运行中还需要更多的经验积累。本文是笔者根据亲身参与的几个工程的经验并且结合国外技术支持方的技术资料做的介绍和分析，还存在一定的理论及经验不足的地方，具体的工程应该根据自身特点进行优化，以提高脱硝系统的控制水平，实现更为适合各自电厂的运行管理模式和达到更为稳定的调节品质。