基于区域偏差控制的精准喷氨系统在1000MW机组上的应用

1 引言

燃煤发电机组 SCR 脱硝系统普遍存在脱硝出口断面氮氧化物浓度不均匀、局部氨逃逸超标情况。对下游设备系统造成危害包括：（1）空预器腐蚀及堵塞。逃逸的氨气与烟气中SO3反应生成硫酸氢铵，当烟温低于147℃时结露，液态硫酸氢铵在空预器冷端黏结沉积堵塞。空预器发生堵塞情况时，引风机出力势必增大，增加电耗；（3）脱硝催化剂中毒。机组长期处于低负荷工况运行时，硫酸氢铵附着在催化剂表面，降低催化剂反应性能。（4）粉煤灰因含铵盐影响综合利用等。严重时，甚至导致燃煤机组负荷受限、非计划停运。

为了控制氨逃逸、提高机组运行经济可靠性，某新建1000MW 燃煤发电机组通过分区精准喷氨系统的应用改善了脱硝出口断面NOx分布均匀性，氨逃逸得以有效控制，较好的解决了因氨逃逸超标造成的空预器堵塞等影响燃煤机组长期运行可靠性的问题。本文通过喷氨均匀性、氨逃逸控制、NOx达标排放可靠性、数据一致性四个指标对分区精准喷氨系统应用效果进行分析讨论。

2 系统概述

2.1 工作原理

分区测量控制系统采用仪表测量及优化工作原理，即通过设置于脱硝出口的氮氧化物快速分析仪、氨逃逸仪表测量获取的各分区NOx、氨逃逸浓度数据反馈至DCS， A/B 各组测量控制单元的8 个分区分别根据“巡测-赋值-喷氨调阀开度调整-热风反吹-混合取样”预设程序进行自动调整，直至脱硝出口 NOx不均匀系数达到设定目标值，并同步实现低氨逃逸控制目的。

2.2 系统组成

脱硝入口喷氨层，采用左右对称方式布置于尾部烟道，分 A/B 两组，每组设置 8 个喷氨调节阀，喷氨调阀分别定义为 A1 分区喷氨阀、A2 分区喷氨阀、A3 分区喷氨阀„A8 分区喷氨阀，B1 分区喷氨阀、B2 分区喷氨阀、B3 分区喷氨阀„B8 分区喷氨阀。

脱硝出口取样层，分 A/B 两组于反应器出口断面对侧布置，每组配置一台 NOx/O2快速测量仪表，取样母管温度测点，分区混合取样装置分别定义为A1 分区取样阀、A2 分区取样阀、A3 分区取样阀„A8 分区取样阀、SCR出口A 组取样总阀、SCR 出口A 组反吹阀、B1 分区取样阀、B2 分区取样阀、B3 分区取样阀„B8 分区取样阀、SCR出口B 组取样总阀、SCR 出口B 组反吹阀。系统设置16 个测量分区与16 只喷氨调阀一一对应，每只喷氨调阀分别配置3 根不同净深喷氨管道以实现全断面覆盖。

3 系统特点

3.1 喷氨格栅布置方式

喷氨均匀性优化及氨逃逸控制本质是氨/氮比的控制。根据对历年省内燃煤机组脱硝系统运行状态跟踪，脱硝出口断面普遍呈现氮氧化物浓度均匀性欠佳，与烟囱排口氮氧化物浓度存在偏差并伴有氨逃逸超标情况，严重程度不一。通过增设精准喷氨系统，一定程度上可改善或解决上述问题。但是受到以下两个基础条件制约：一是脱硝烟气流场条件，工程技术单位编制的烟气流场数值模拟[2]与实际烟气运行参数匹配程度，是分区喷氨优化效果的核心影响因素，当烟气流场发生问题时，不仅造成脱硝喷氨均匀性不佳、氨逃逸超标，严重时导致脱硝入口整流格栅变形、烟道严重积灰、催化剂损毁等设备系统事故，二是脱硝精准喷氨 16 个分区喷氨调阀与脱硝出口16 个分区测量取样点位是否一一对应，如：A1 测量分区烟气氮氧化物浓度应主要受A1 喷氨调阀调节影响，当A1 测量分区数据与A1 喷氨调阀匹配时，精准喷氨效能便可进一步得到保证。

在以上两个基础条件达到要求的前提下，能够满足脱硝出口断面氮氧化物不均性系数＜20%的性能保证值，脱硝入口断面氨气浓度均匀分布程度决定了质量效果。对比1000MW 同炉型SCR 脱硝系统喷氨管道采用单侧布置与左右对称布置两种方式的应用效果，在边界条件近乎相同的情况下，对称布置的喷氨格栅喷氨均匀性更容易调节，效果更佳，不均匀系数最优时可稳定在10%以内，而单侧布置方式的调节无明显规律特点，不均匀系数最优时也仅仅达到15%左右。

每只喷氨调阀控制近端、中端、远端三根氨气管道，由于每根氨气管道阻力不同，在引风机运行、烟气负压作用下，近端由于管道阻力小，氨流量相对最大，中端次之，远端最小。若提高氨气分布均匀性，则需降低三根管道流量差值，实质是减小三根管道阻力差。相同截面烟道，单侧布置喷氨格栅其近端、中端、远端管道较长，三管间阻力差值相对较大。而采用对称布置方式，氨气管道长度仅为单侧布置 1/2，降低了三管间的阻力差值，提升了三管间氨气流量均匀性，进一步保证了脱硝出口断面可获得较优且稳定的喷氨不均匀系数。氨气管道对称布置方式下，根据机组不同负荷工况的手/自动优化调整结果数据，脱硝入口 16 只喷氨调阀氨量控制与16 个分区测量数据获得了较佳的匹配特性且与机组负荷的适应性较好。

3.2 氨逃逸取样方式

脱硝系统布置于锅炉尾部烟道高尘区， 烟气取样管道中难免含有大量烟尘， 以往同类型精准喷氨项目中出现氨逃逸测量值高达10μL² L 原因分 管线上，分区取样阀动作时引起管线内烟尘飞扬，导致氨逃逸测 时间由 15 秒延长至 85 秒后，该问题基本得以解决。但由于“ 赋值 间延长 喷氨自动调节效果。本项目氨逃逸测量取样装置通过抽取取样管线内烟气并增加预处 氨逃逸未曾出现异常，巡测周期较短，喷氨自动调节效果得以保证。

3.3 控制策略

A/B 组分区测量控制单元各自独立进行喷氨均匀性的测量调整，投入自动调节后，当不均匀系数≥15%设定目标值时，即触发“巡测-赋值- 喷氨 -热风反吹-混合取样”优化调整程序。根据每组8 个分区NOx测量赋值数据调整喷氨调阀开度， 据最大、次大、次小、最小值对应的 4 只喷氨调阀进行调整，赋值数据的最大、次大分区 开度分别增加3%、1%，最小、次小分区开度分别减少3%、1%。循环往复，直至不均匀系数达到目标设定值。该控制策略基于区域偏差调整方法，逻辑简单、数据直观、效果明显。

3.4 数据一致性表现

数据一致性是指脱硝出口烟气排放连续监测系统（以下简称 CEMS）、精准喷氨混合取样测量及烟囱排口三处部位测量仪表所测得的氮氧化物数据偏差程度。通过对各处数据分析，默认烟囱排口氮氧化物混合均匀。脱硝出口CEMS 为单点取样，氮氧化物测量数据与烟囱排口存在一定偏差。脱硝精准喷氨各分区氮氧化物浓度较为均匀，采取多点混合取样方式时，保证测量数据与烟囱排口的一致性。

4 运行效果分析

4.1 达标排放可靠性分析

机组 168h 满负荷试运行期间，喷氨总阀投入自动，精准喷氨A/B 测量控制单元混合烟气NOx数据与烟囱排口NOx数据曲线对比，两处部位数据均稳定在30mg/Nm3左右，精准喷氨系统运行稳定，满足氮氧化物超低排放控制需要。

4.2 数据一致性分析

一般认为，烟囱排口烟气成分混合较为均匀，即使烟囱排口 CEMS 采用单点取样方式也能够保证测量数据的代表性。脱硝精准喷氨 A/B 测量控制单元采用多点混合取样方式，测量数据的代表性较接近烟囱排口。而脱硝出口A/B 侧CEMS 取样方式为单点取样，测量断面面积达430m2，断面NOx浓度分布不均匀的情况难以避免。

5 结语

在燃煤机组深度调峰与友好减排的背景下，脱硝精准喷氨技术的应用不仅有效助力于江苏地区氮氧化物友好减排、区域环境空气质量改善目标。同时较好的改善了燃煤机组氨逃逸超标问题，提升了燃煤机组长期运行的可靠性。实现了环境效益与燃煤机组可靠性双赢的局面。