火电厂脱硝环保系统改造及优化

金 飞，马 瑞，杨春来

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

火电厂脱硝环保系统改造及优化

金 飞，马 瑞，杨春来

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

针对河北省南部电网某火电厂2号机组脱硝环保系统出现的问题，从烟气测量、喷氨调节阀流量特性和控制策略等方面制定具体改造方案，由改造效果可知此次优化改造能保证氮氧化物排放达到环保部门新标准的要求。

脱硝系统；烟气连续测量；氮氧化物排放；控制逻辑

1 概述

2015年8月，河北省环保厅下发了《燃煤电厂大气污染物排放标准》，要求河北地区现役火力发电机组在标准状态下的氮氧化物排放小于50 mg/m3。

河北省南部电网某火电厂1期2台机组燃烧的是山西褐煤，锅炉为∏型锅炉，对冲燃烧，标准状态下省煤器出口氮氧化物浓度在300～600 mg/m3波动，工况较为恶劣，于2013年加装SCR脱硝系统，位置在省煤器和空预期中间，三层SCR反应器全部投入并且完成锅炉低氮燃烧改造，但运行期间出现很多问题，使SCR出口氮氧化物浓度很难达到环保排放标准。在这种情况下，对其已运行的脱硝环保系统进行分析试验，从烟气测量、喷氨调节阀流量特性和控制策略等方面制定具体改造方案并实施，以下以该电厂2号机组为例，介绍其改造优化方法和效果。

2 脱硝环保系统存在的问题分析

2.1 烟气连续检测系统(CEMS)测量不准确且频繁故障

2号机组CEMS系统采用的是抽取法检测，其“L”型采样抽取管道过长，造成近1 min测量的延迟；脱硝装置区域烟尘浓度较高，最大高于20 000 mg/m3，有滤尘器进行过滤，烟尘浓度大，容易滤尘器堵塞，滤尘器堵塞会使测量值偏低延迟加大，清理滤尘器过程中会造成测量中断；脱硝装置区域除了烟尘浓度高，还存在高流速颗粒物，对检测探头的冲刷打磨非常严重；现有的抽取法仪器使用普通特氟龙管线不能适用260 ℃以上高温，脱硝装置区域烟气温度高，大于400 ℃，会变形或加速老化；脱硝后烟气含逃逸氨，在低于280 ℃时会产生铵盐结晶，进而堵塞管线。

2.2 喷氨调节阀流量特性差

2号机组脱硝系统在运行过程中，喷氨流量经常大幅波动，调节阀线性恶化，调节阀动作频繁，经常在完全关闭和打开之间反复波动，造成整个系统振荡，出口氮氧化物浓度超标[1]。经过分析，发现制氨过程中蒸发器温度和出口氨气压力不稳定是喷氨流量波动大的成因。

2.3 喷氨自动控制品质差

2号机组原喷氨控制策略为传统PID单回路，用出口氮氧化物浓度与设定值之间的偏差乘以PID函数加上负荷变动前馈，控制喷氨调节阀开度，以到达出口氮氧化物浓度设定值。

当炉膛燃烧发生变化时，SCR入口氮氧化物浓度随之变化，出口氮氧化物浓度会发生跳变，喷氨调节阀剧烈摆动，氮氧化物排放超标。每隔1 h的脱硝系统吹扫过程中，出入口氮氧化物浓度测量设备会保持当前值，造成近3 min的盲区，测量恢复后，喷氨调节阀会剧烈摆动，导致系统不稳定。

3 优化改造措施

3.1 应用脱硝检测新技术

针对原有抽取式检测方法产生的各种缺陷，现采用喷射引流+烟气回流组合探头的新技术来进行检测，探头示意如图1所示。

图1 喷射引流+烟气回流组合探头示意

新技术产品采样探头为烟道旁直接测量，取消了采样抽取管道，实际响应时间为5 s以内；采样探头的工作原理是基于文丘里效应，持续向烟道内喷射压缩空气，探头前端不加滤尘器，利用高温颗粒物的流动性，将含颗粒物的烟气引至烟道外传感器下方检测，再与喷射空气混合送回到烟道内，这样屏蔽了烟尘浓度高低对检测的影响。该技术在一个传感器内连续完成了氧气的检测、二氧化氮向一氧化氮的转换和氮氧化物的检测，传感器由氧化锆厚膜材料组合成一体结构，测量池、加热和控温均密闭在传感器中，解决了环境恶劣对传感器的影响；整个探头结构均为金属或陶瓷制品，没有塑料/橡胶等不耐高温的部件；双池厚膜氧化锆传感器工作温度大于800 ℃，无需降温可以直接检测大于300 ℃烟气，当烟气温度小于300 ℃时脱硝装置会停止喷氨，故不会发生铵盐结晶。

该技术检测氮氧化物浓度采用双池厚膜氧化锆传感器，传感器原理和结构示意如图2所示，具体检测原理如下。

图2 双池厚膜氧化锆传感器原理和结构

a.被测气体扩散进入传感器第一测量池：第一测量池内的氧气被排出(氧泵)，产生极限电流，通过测量这一极限电流来检出被测气体中的氧气浓度。同时第一测量池内还发生二氧化氮分解反应：2NO2→2NO + O2,完成NO2→NO转换。由于此过程中产生的氧气浓度量纲仅为10-6V/V，所以对氧气测量的影响可忽略不计。

b.被测气体继续扩散进入传感器第二测量池：第二测量池内一氧化氮产生分解：2NO→N2+ O2，分解的氧气被排出(氧泵)，产生极限电流，通过测量第二测量池的极限电流来检出被测气体中的氮氧化物浓度。

3.2 加装调节阀

a.从辅汽联箱来的蒸汽直接进入蒸发器加热液氮，温度高于70 ℃关闭进口阀门，低于60 ℃打开，温度的波动造成蒸发器内压力的波动，进而影响喷氨流量。在蒸汽进口处加装调节阀来稳定蒸发器温度，如图3所示，采用单回路PI控制，P=0.4、I=80，将温度设定为65 ℃。

图3 脱硝系统调节阀安装位置

b.在缓冲罐出口有一个氨气快关阀，在出口氨气压力到达0.5 MPa时联锁关，低于0.3MPa时联锁打开，蒸发器内压力变化很快，而缓冲罐容积过小，造成快关阀频繁动作，出口氨气压力频繁波动，氨气流量频繁变化，最终使SCR出口氮氧化物浓度排放超标。在快关阀前加装调节阀来稳定蒸发器出口压力，如图3所示，采用单回路PI控制，P=2、I=100，将压力设定为0.25MPa。

3.3 升级喷氨自动控制策略

a.将原有单回路PID升级为可以消除喷氨流量内扰的串级回路控制，主调节参数为P=1.0、I=90，副调参数为P=0.95、I=35，控制策略流程见图4。

图4 脱硝喷氨系统控制流程

b.锅炉燃烧过程中，氧量变化可以快速表示SCR入口氮氧化物浓度变化，选取氧量作为前馈的因变量。

c.经过反复观察，两侧SCR出入口氮氧化物浓度在运行过程中成等趋势变化，而且两侧脱硝系统吹扫的时间不一样，因此在吹扫时选取对侧出入口氮氧化物浓度作为本侧测量值，吹扫结束后恢复。

4 优化改造效果

该电厂脱硝环保系统改造优化后，由现场试运期间的数据分析，取得了显著效果。

a.CEMS系统采用喷射引流+烟气回流组合探头的新技术，提高了测量数据快速性和准确性，减少了日常人工清理的工作量，降低探头的故障率，为脱硝系统的正常稳定运行打下了坚实基础。

b.在蒸发器前后加装蒸汽调节阀和氨气调节阀，保证了蒸发器温度和压力的稳定，使喷氨调节阀具有较好的流量特性。

c.加入氧量前馈，根据炉膛燃烧变化确定SCR入口氮氧化物含量；加入吹扫时对侧入口氮氧化物浓度切换，避免吹扫引起的测量盲区，提高稳态的调节品质，并且能适应变负荷的各种工况。可以达到较为理想的控制效果，脱硝系统的控制效果如图5所示。

图5 脱硝系统的控制效果

5 结束语

被控对象信号测量的快速准确和执行机构的线性是自动控制的基础，再根据实际选取最能代表被控对象变化的前馈量，保证了整个自动调节功能的实现。该电厂2号机组的脱硝环保系统，通过此次改造优化，使SCR出口氮氧化物浓度变化平稳，排放值也到达环保部门的要求，可为类似的工程提供参考和借鉴。

[1] 卢建强.脱硝喷氨流量波动原因分析及解决措施[J].安徽电气工程职业技术学报，2013(9)：76-79.

本文责任编辑：王洪娟

Reconstruction and Optimization of Environmental Protection System ofPower Plant NOxSystem

Jin Fei,Ma Rui,Yang Chunlai

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

：As the new standard to NOxemission，on the denitration environmental protection system of a power plant in southern Hebei network issues.This paper introduces an ammonia injection of specific reform program from the flue gas measurement,valve flow characteristics and control strategy.The effect of the transformation from the transformation of the optimization to ensure the NOxemissions to reach the requirements of environmental protection departments.

NOxsystem;CEMS;NOxemission;control logic

2016-09-12

金 飞(1984-)，男，工程师，主要从事电源侧环保优化及电源电网协调工作。

TK323

B

1001-9898(2016)06-0032-02