脫硝SCR噴氨調(diào)節(jié)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(fā)電廠兩臺630MW 機組脫硝噴氨控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用常規(guī)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(guān)設(shè)備，達到脫硝控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行.
關(guān)鍵詞：脫硝 常規(guī)PID控制 模糊自控制 優(yōu)化
序號 | 商品名稱 | 規(guī)格 | 材質(zhì)（參數(shù)） | 備注 |
1 | 脫硝SCR噴氨調(diào)節(jié)閥 | ZAJDHTP DN25 150磅 | 1Cr18Ni9Ti | 參數(shù)詳見附件 |
2 | 脫硝氨區(qū)儲罐出口調(diào)節(jié)閥 | AHDLTS DN25 300磅 | 1Cr18Ni9Ti | 參數(shù)詳見附件 |
1、引言
根據(jù)我國環(huán)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(guī)模的開展應(yīng)用。有相關(guān)研究資料表明，如果還繼續(xù)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(diào)節(jié)閥是專門針對小流量調(diào)節(jié)而開發(fā)的小口徑調(diào)節(jié)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(yīng)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(yī)藥、電子等行業(yè)。
閥體采用螺紋連接，具有體積小、重量輕、安裝、維護方便等優(yōu)點。
調(diào)節(jié)不干凈介質(zhì)時，針對其節(jié)流間隙小的問題，閥前后應(yīng)安裝Y型過濾器，以避免堵卡現(xiàn)象的發(fā)生。
隨著我國對工業(yè)環(huán)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(shù)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(shè)計基礎(chǔ)上在2013年更改設(shè)計，投產(chǎn)脫硝裝置，引進丹麥SCR煙氣脫硝技術(shù)，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(chǎn)生任何二次污染，反應(yīng)通常可在溫度250~450 oC下進行，其化學反應(yīng)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(yīng)生成氮氣和水，不影響環(huán)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(guī)控制策略分析：
2.1設(shè)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(tǒng)、注統(tǒng)、SCR反應(yīng)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、干除灰系統(tǒng)組成。其工藝流程見圖1。脫硝系統(tǒng)運行狀況
由于脫硝系統(tǒng)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(zhì)較設(shè)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(jīng)常出現(xiàn)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(guī)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(tǒng)的正常運行，且無法正常反映催化劑的反應(yīng)情況。
脫硝系統(tǒng)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(tǒng)邏輯設(shè)計不合理，脫硝無法自動停運，因此在監(jiān)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(yīng)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(zhì)，與煙塵粘結(jié)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(diào)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(tǒng)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(jīng)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(diào)節(jié)閥選型表 | 計劃號 | 交 貨 期 Delivery | |||||||
| 合同號 CONT.NO | |||||||||
| 表式號 | MXS 02 | 調(diào)節(jié)閥技術(shù)規(guī)格書 SPECIFICATION FOR CONTROL VALVE | 位 號 Tag No. | ||||||
| 型 號 Model No. | ZAJDHTP | ||||||||
| 頁碼 PAGE | 數(shù) 量 Quantity | 1 | |||||||
| 管道規(guī)格 Piping Size | 57*3 | 材 質(zhì) Material | 閥 體 Body | CF8 | |||||
| 管道材質(zhì) 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(tài) Fluid State | 氣體 | 閥 桿 Stem | 2CR13 | ||||||
| 標準密度 STd. Density (Kg/Nm3) | 執(zhí) 行 機 構(gòu) ACTUATOR | ||||||||
| 氣體摩爾分子量 M.W | 型 式 Type | 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu) | |||||||
| 絕熱指數(shù) CP/Cv | 型 號 Model. | ADZHB-22 | |||||||
| 壓縮系數(shù) 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(gòu) Hand Wheel | 帶（頂裝） | |||||
| 噪 音 Noise Level(dB) | ≤85 | ≤85 | 電 磁 閥 Solenoid | 型 號 Model No. | EF8320G174 | ||||
| 關(guān)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(guān)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(guān)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(shù) 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(zhì) 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(yīng)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(cè)，每側(cè)有一個供氨調(diào)門，該調(diào)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(diào)門保持平衡，防止催化劑的老死或者堵塞等現(xiàn)象，
2.2設(shè)備運行原理：
SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程示意圖如下圖所示。脫硝系統(tǒng)的工藝裝置主要組成部分包括兩個裝有催化劑的反應(yīng)器、兩個液氨存儲罐及一套氨氣注入系統(tǒng)。來自存儲罐的液氨靠自身的壓力進入蒸發(fā)器中，被熱水加熱蒸發(fā)成氨氣。從氨氣積壓器出來的氨氣經(jīng)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(tǒng)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(chǎn)生化學反應(yīng)，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(tǒng)依據(jù)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(chǎn)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(jù)煙氣脫硝反應(yīng)的化學反應(yīng)式，一摩爾氨和一摩爾NOx進行反應(yīng)。摩爾比對應(yīng)關(guān)系的決定是在現(xiàn)場調(diào)試期間來決定并記錄在氣氨流量控制系統(tǒng)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(chǎn)生的誤差信號經(jīng)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(jù)設(shè)計脫硝38.0%，依據(jù)入口NOx濃度和設(shè)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(tǒng)的程序上。SCR控制系統(tǒng)根據(jù)計算出的氨氣流量需求信號去定位氣氨流量控制閥，實現(xiàn)對脫硝的自動控制。通過在不同負荷下的對氣氨流量的調(diào)整，找到的噴氨量。
2.4 常規(guī)自動控制邏輯設(shè)計
1)根據(jù)目前國內(nèi)脫硝系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(yōu)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(zhí)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(yōu)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(diào)整為0.6MPa。
解決氨氣流量波動問題。首先對氨氣蒸發(fā)槽蒸汽調(diào)門和氨氣調(diào)門進行解體檢查和更換，確保調(diào)門線性正常，再對自動調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)整，由原來的根據(jù)蒸發(fā)槽出口壓力調(diào)節(jié)改為根據(jù)SCR區(qū)噴氨調(diào)門前壓力調(diào)整，從而保證了噴氨壓力的穩(wěn)定。
2)脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為噴氨量，因此采用良好的控制措施對供氨調(diào)門進行控制是脫硝自動的重點。
圖三 脫硝控制常規(guī)PID控制SAMA圖‘
控制主體原則為前饋串級控制，控制的主參數(shù)為脫硝出口煙道NOx的含量，副參數(shù)為氨氣流量，前饋量為根據(jù)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(diào)整摩爾比修正值，副回路PID出口用于控制調(diào)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(shè)定負荷跟實際負荷的偏差對于氨氣量的修正根據(jù)實際情況得到。
由于脫硝噴氨自動系統(tǒng)具有較大的延遲性，目前用常規(guī)控制策略，容易導致脫硝噴氨控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，目前在國內(nèi)不建議利用該方法進行噴氨自動控制。
3 脫硝噴氨系統(tǒng)模糊控制策略分析
3.1設(shè)備概況：
在國內(nèi)，針對比如SCR脫硝控制系統(tǒng)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(shù)、融合改進的狀態(tài)變量控制、相位補償控制技術(shù)，代替了經(jīng)典PID控制。能夠提前預測被調(diào)量未來變化趨勢，根據(jù)被調(diào)量未來變化量進行控制、提前調(diào)節(jié)，提高了脫硝系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)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(tǒng)，通過和DCS常規(guī)系統(tǒng)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(tài)特性校正和補償
采用智能前饋技術(shù)對脫硝控制系統(tǒng)受到擾動進行動態(tài)補償，從反應(yīng)源頭消除NOx濃度劇烈波動;模糊控制系統(tǒng)采用競爭型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習算法來實時校正上述動態(tài)補償算法中各項特性參數(shù)，使得整個系統(tǒng)始終處于在線學習狀態(tài)，控制結(jié)果不斷向*目標逼近。
3.2.2 增加AGC指令頻繁變化特別節(jié)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(tǒng)采用常規(guī)PID控制策略，因反饋調(diào)節(jié)作用與AGC指令變化同相位而造成疊加振蕩，使控制品質(zhì)明顯變差。模糊控制系統(tǒng)根據(jù)機組AGC指令變化，實時預測NOx濃度波動規(guī)律，調(diào)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(diào)節(jié)，氨氣消耗明顯減少。
3.2.3在線評估測量儀表數(shù)據(jù)
模糊控制系統(tǒng)根據(jù)機組運行參數(shù)對NOx測量數(shù)據(jù)進行在線評估;系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)測量參數(shù)失真現(xiàn)象后立即調(diào)整該測量參數(shù)在控制系統(tǒng)中的權(quán)重占比，將測量值失真給控制系統(tǒng)造成的影響降至低，從而保證脫硝控制系統(tǒng)可靠運行。
4 常規(guī)控制和模糊控制共同在機組噴氨系統(tǒng)上的應(yīng)用
4.1 實施方式
常規(guī)控制以目前DCS為載體，而模糊控制系統(tǒng)以PLC為載體，采用SCL、STL語言開發(fā)算法模塊，采用封裝技術(shù)建立比DCS系統(tǒng)功能更強大的組態(tài)函數(shù)庫，通過函數(shù)調(diào)用完成模糊控制系統(tǒng)的建立;模糊控制系統(tǒng)與機組DCS采用標準MODBUS通訊方式交換數(shù)據(jù)，取得機組負荷、NOx濃度、NOx設(shè)定等數(shù)據(jù)，借用常規(guī)控制邏輯的某些邏輯通道，將優(yōu)化計算后控制指令傳至DCS，與原有DCS脫硝控制系統(tǒng)進行切換完成噴氨自動調(diào)節(jié)。
4.2 二種控制方式的數(shù)據(jù)交換
常規(guī)控制采用噴氨調(diào)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(tǒng)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(shù)據(jù)充分反映系統(tǒng)運行狀況。
圖四 模糊控制指令生成圖
4.3 系統(tǒng)投運
在DCS脫硝畫面增加模糊控制系統(tǒng)投退按鈕，投入模糊控制控制方式后，將A側(cè)和B側(cè)噴氨調(diào)節(jié)閥投入自動即可實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對SCR出口NOx濃度自動控制;模糊控制自動投入與A、B側(cè)噴氨自動的投入不分先后。模糊控制系統(tǒng)投入與退出均實現(xiàn)無擾切換。
在火電廠中，NOX的有二組數(shù)據(jù)，一組為脫硫出口數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)都引入到模糊控制中，根據(jù)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(guī)PID控制投入圖
模糊控制系統(tǒng)投運后，若某側(cè)測量信號存在問題或噴氨調(diào)節(jié)閥存異常，則自動切換到常規(guī)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(yīng)用效果
模糊控制系統(tǒng)投運以來，控制品質(zhì)明顯改善，機組負荷穩(wěn)定、快速變負荷及啟停制粉系統(tǒng)狀況下，SCR出口的Nox濃度均控制在合理范圍內(nèi)。
圖七 噴氨自動實施曲線圖
6 結(jié)束語
通過近一年的實際應(yīng)用，模式控制技術(shù)、性能可靠、控制效果滿意;調(diào)節(jié)靈敏、系統(tǒng)抗干擾性能強，能適應(yīng)負荷大幅變化及個別參數(shù)異常;常規(guī)PID控制對模糊控制的有利的補充，當模糊控制出現(xiàn)各種參數(shù)監(jiān)測異常，模糊控制系統(tǒng)無擾切換至常規(guī)控制穩(wěn)定運行;
目前在國內(nèi)采用常規(guī)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(huán)保部門及其對大型排污企業(yè)監(jiān)控要求，取得了社會和企業(yè)雙重效益。
參考文獻：上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)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(yīng)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(shù)在國華臺電600MW機組的應(yīng)用
客服1號