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脱硝喷氨自动控制系统现状及优化
作者:管理员    发布于:2017-10-11 08:53:21    文字:【】【】【

  摘要:本文叙述了华电潍坊发电有限公司两台2X670MW机组脱硝喷氨自动控制系统,分析了喷氨自动控制系统存在的问题,通过对喷氨自动控制方式和系统设备的不断改进,采用PID控制加入前馈、动态调整喷氨调门开度等方式,实时调控喷氨量,有效控制出口氮氧化物排放的合理性,确保脱硝系统的安全稳定运行。

  关键字:脱硝系统;自动调节;PID控制;过程优化

  随着我国环保要求的逐渐提高,火电超低排放工作进展迅速。各大型燃煤火电企业对锅炉进行脱硫、脱硝、除尘装置的建设和改造,脱硫脱硝发展迅速,技术工艺逐渐成熟,但仍有大量问题存在。

  《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》规定东部地区新建煤电机组大气污染排放基本达到超低排放限值-烟尘、SO2、NOX排放浓度分别不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3,相较之前的NOX排放浓度不高于100mg/m3提出了更高要求。持续以往的脱硝技术,已明显不能满足更加严格的烟气出口氮氧化物的排放标准,燃煤机组烟气脱硝系统的优化亟待提高。

  1、SCR系统工作原理

  1.1燃煤企业大都采用选择性催化还原工艺SCR(Selective Catalytic Reduction)。将氨类(NH3)还原剂喷入烟气中,与稀释风在混合器中稀释后进入反应器,利用催化剂(铁、钒、铬、钴或钼等金属)在温度200~450℃时将烟气中的NOX转化为氮气(N2)和水(H2O),达到除去氮氧化物的目的,效果明显。

  主要反应方程式为:

  4NH3+4NO+O2 ->4N2+6H2O

  NO+NO2+2NH3 ->2N2+3H2O

  脱硝系统运行时关键的动态参数为喷氨量。氨气的喷入量是根据脱硝出口氮氧化物浓度及要求的脱硝效率,在动态下找到最佳喷氨量,实时调整喷氨调节门的开度,确保烟气脱硝效率,增强脱硝系统的可靠性、连续性以及经济性。

  喷氨调节门的开度不合理,喷氨量少造成脱硝效率过低,出口氮氧化物排放超标;喷入过多氨气不但增加脱硝运行成本,还会造成氨逃逸(氨逃逸率小于3ppm),未参加化学反应的氨气与烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨,附着于催化剂或者飞灰从反应器的出口被带入下游的空气预热器换热面上方,造成催化剂失效、空预器堵塞,还会引起尾部烟道积灰。

  在脱硝喷氨自动控制系统中,由CEMS测量得到反应器出口的NO浓度,通过换算和修正后得到用于实际计算和控制中所需NOX浓度。经脱硝DCS系统计算比较NOx浓度变化情况后,发出喷氨自动调节门开度指令控制喷氨量,从而保证设计的脱硝效率。

  

      2、脱硝现状与问题分析


  2.1脱硝现状

  长期以来,对脱硝系统的研究主要集中在设备结构和运行方式方面,忽略了对脱硝自动控制系统策略的研究。而超低排放施行后,环保部门对烟气排放指标出口氮氧化物排放浓度由100mg/m3降低到50mg/m3,为达到环保要求,改造和优化脱硝尤为重要。公司则进一步要求将脱硝出口NOX浓度严格控制在80%排放标准线以下运行。

  潍坊公司#4机组脱销系统2013年投运,一直沿用脱硝效率调节方式,根据设定及实际脱硝效率实时调整喷氨调节门开度,来控制喷氨量,确保达标排放。此种方式易于调试和整定,在工况稳定的情况下满足SCR反应器要求;一旦机组负荷波动大、工况调整频繁,出入口氮氧化物也将大幅变化,瞬时超标现象严重,调节系统不能充分发挥作用。只能改为手动控制调节门开度,完全依赖于运行人员的经验,合格达标和经济性很难平衡,运行人员发现和调整不及时将造成出口NOX值超高越线,各种不确定因素的存在给系统的正常运行造成了隐患。

  2.2问题分析

  从设备问题和控制逻辑两方面的分析,造成喷氨自动控制无法适应工况变化的主要因素是:

  脱硝烟气连续监测系统(CEMS)定期吹扫,吹扫时采集到的烟气失去真实性,测量值大幅变化,影响了测量准确度和相应时间,出口氮氧化物波动频繁。

  喷氨自动控制方式基于脱硝效率和催化剂脱硝能力,逻辑简单,采用单回路调节方式,仅以脱硝出口NOX农作作为被调量,无前馈信号,处理工况调整频繁的方面欠缺。且由于催化剂的消耗等原因的存在,脱硝过程是非线性化学反应过程,脱硝过程动态特性变化较大。这是造成喷氨自动调节滞后的主要原因。

  3、脱硝控制系统优化

  在新的控制逻辑中,对CEMS吹扫、PID调节、手动控制方面做了调整

  3.1针对CEMS仪表定期吹扫问题

  在控制系统中加入吹到信号,对CEMS采集到的测量信号进行品质判断确定所得信号是否是处于吹扫状态。吹扫时,保持前一状态数值,以保证系统的正常运行。持续时间以NOX浓度恢复正常来确定,一般情况下吹扫后3min即切换至正常控制状态。

  为进一步提高仪表测量准确性和及时性,应尽量减小CEMS仪表的取样管路的长度及弯曲度,同时进行定期校验。

  3.2前馈控制

  在控制逻辑引入脱硝入口烟气流量和入口NOX浓度的乘积作为前馈信号,用于快速响应各种工况突变的对NOX扰动现象的发生,同时可弥补反应器和烟气分析仪的滞后,增强调节效果。

  3.2 PID调节

  根据符合与烟气量对应关系经验值,以及实际出口NOX浓度与设定值的偏差,经过分段函数FX得到摩尔比,对入口氮氧化物修正,经PID运算后生成喷氨调节门指令,实时调整调节门的开度,从而得到更准确的供氨需求量。

  重新调整PID调节参数,优化喷氨调门控制逻辑,设计过程如下:

  查阅历史曲线,检查控制逻辑,实时观察,动态调整PID参数。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下:

  (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔

  (2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔

  (3)在一定控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

  (4)根据实际工况对PID参数进行完善。

  

  进行多次PID参数调整后,PID参数趋于合理,出口NOX值与设定值偏差小。

  3.3自动切手动设置

  在喷氨量调节控制中,设置手动、自动两种控制方式,并实现自动切换。

  喷氨调节门NOX调节方式切手动条件:

  1)调节方式选择为脱硝效率调节

  2)脱硝效率调节方式在自动

  3)快关门保护关条件

  4)出口NOX坏点

  5)出口O2坏点

  6)调节门反馈坏点

  7)调节门指令与反馈偏差大于30

  4、优化效果

  喷氨自动逻辑优化后,经多次PID参数整定,基本满足各种工况下的运行要求。

  脱硝喷氨自动控制系统优化后曲线对比图。


  可见,控制逻辑优化后喷氨调节阀门能及时响应工况变化,阀门开度与喷氨流量的对应关系良好,滞后现象得到改善,可有效维持出口NOX设定值范围,还能限定氨逃逸范围。

  5、结束语

  经过脱硝喷氨自动控制系统优化后,PID控制有效利用脱硝入口烟气流量和氮氧化物浓度作为前馈信号,根据机组工况自动调节喷氨量,解决了调节滞后问题,增强喷氨自动调节的稳定性,效果良好。

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