基于炉膛温度场原理的脱硝控制优化

基于脱硝系统精细化控制总体思路，本文提出了利用温度场测量装置构建二维温度场，在此基础上优化PID控制策略，利用温度场与NOx生成量的耦合关系，使脱硝控制系统能够适应锅炉大负荷波动带来的影响。

1引言

“十二五”期间，根据产业规划，我国采用的技术路线是:大力普及低NOx燃烧器技术，积极开发和示范空气分段供给燃烧及时和超细煤粉再燃技术，推进各种烟气脱硝技术(SCR,SNCR,SNCR/SCR)国产化。预计到2020年，中国将安装SCR脱硝装置约有1.5亿kW，因此，消化、吸收、研究并创新SCR脱硝技术，在我国有重要的现实意义。

随着我国环境保护法律、法规和标准的日趋严格及执法力度的加大，对采用SCR法脱硝的火力发电厂在确保烟气排放达标的同时还要增强脱硝系统运行的可靠性、连续性和经济性，在保证脱硝效率的同时，如何应对机组大负荷波动，如何优化SCR脱硝系统性能，精确而经济地控制喷氨量、降低氨逃逸是脱硝系统运行面临的一个难点。

2影响SCR脱硝效率的因素

2.1微观因素

在既定反应条件下，脱硝反应速率与催化剂微孔的面积和烟气中反应物浓度成正比，与表面化学反应阻力、外传质阻力和内传质阻力成反比。因此增加微孔横截面积和反应物浓度，减少反应中各类阻力有助于脱硝反应的进行，提高脱硝效率。

可以通过提高氨气浓度和增加催化剂微孔内表面积的方法减少化学反应阻力;通过改变烟气流动状态和提高烟气温度，减少层流膜的厚度，有利于减少外传阻力;通过减少催化剂外表面与微孔内表面积之间的平均距离，增大催化剂微孔内表面积和微孔平均截面积，能够减少内传阻力，有效提高脱硝反应速率。

2.2宏观因素

2.2.1烟气温度的影响

当催化剂在烟气温度280℃-400℃之间时，烟气温度越高，脱硝效率越大，但超过400℃后，脱硝效率随着温度升高开始下降。因此为了降低烟温对脱硝效率的影响，应尽量保持锅炉工况稳定或采取带旁路的省煤器来调整脱硝入口烟温。

2.2.2氨氮比的影响

氨氮比=1.0时能达到95%以上的NO脱除率，并能使NH3的逃逸浓度维持在5×10-6或更小。实际生产中通常是多于理论量的氨被喷射进入系统，造成反应器后烟气下游氨逃逸超标，氨逃逸是影响SCR系统安全稳定运行的另一个重要参数，燃煤机组一般将NH3的排放控制在2×10-6以下，以减少对后续装置的堵塞。

2.2.3合理控制喷氨量

喷氨量与烟气中的NOx含量相对应后，才能保证NOx反应过程中脱硝效率、氨气逃逸率和催化剂寿命。在锅炉负荷变化过程中，若氨气流量与NOx浓度对应，可以有效地避免由于过度喷氨造成的不良后果。

综上，对SCR系统的优化可以着重从两方面入手，一是为还原反应创造最佳的条件，通过改善设备结构和提供适宜的温度场、反应时间;另一方面是在满足脱硝出口合格的前提下，优化脱硝控制，充分发挥温度场与NOx生成物的耦合关系，尽可能的减少喷氨量，降低氨逃逸，通过更精准的控制手段来控制喷氨量。

3脱硝系统运行现状分析

总结国内脱硝控制系统运行情况，对氨气流量的控制一般采用固定摩尔比控制方式和固定出口NOx浓度控制方式，这两种控制方式各有自己的控制优势，但由于负荷的波动、设备运行工况的因素的变化，造成各喷氨点后的氨气浓度与烟气浓度并不匹配，从而出现喷氨量增加，局部氨逃逸过大，威胁到烟气下游设备的安全运行，有研究测试表明，NH3逃逸率达到2ppm，空预器运行半年后其阻力增加30%，NH3逃逸率达到3ppm，空预器运行半年后其阻力增加约50%。一般的SCR自动控制中，以SCR出、入口NOx浓度作为烟气自动调节的参考参数，但CEMS数据采集具有一定的误差和滞后性，并且由于SCR反应器内烟气流速不均，CEMS采样未必具备代表性，以上因素均会对SCR单闭环自动调节产生反映慢、调节失稳失准等影响。

4基于温度场的脱硝控制优化思路

4.1温度场的建立

AGAM型声波法炉膛温度场测量系统是一类先进的工业在线二维温度场全工况实时监测设备，此设备是德国Bonnenberg+Drescher公司多年的科技研究成果，可实现在各种工况下对锅炉、焚烧炉和各种加热炉内高温燃烧气体温度的实时连续的全自动测量。

声波法气体温度测量技术通过测量锅炉内距离已知的一对声波收发装置之间一个声波脉冲的飞行时间，来计算该通道气体平均温度。声学测温系统可以使用一定数量的收发器形成一个测量网格，从而测量炉内一个水平面的温度分布情况。

从通道网格测量数据可以计算得到平面二维温度分布，并使用层析成像算法得到等温图。通道温度、自定义区域温度值(网格子分区的平均值)、转换数值(最低、最高温度，标准偏差，各区间的平均温度差异)可以显示在外部控制设备上，用于锅炉诊断和操作优化。

声学测量技术是唯一不受辐射影响，也无漂移的高温炉膛内温度测量技术。在燃烧性能的控制方面首次的应用是1993年在慕尼黑。在燃煤锅炉中，AGAM系统用来调整炉内温度场平衡。采用此温度场测量和平衡调整的主要好处在于可以提高锅炉的可用性(减少结渣和腐蚀)，并获得更高的生产效率。

声学系统的主要优点是声学温度信号的反应速度非常快。在4秒内就可以刷新一次二维温度场分析测量的结果，温度测量的反应时间比其它传统的控制信号，例如蒸汽量或O2浓度等，快从半分钟至几分钟。因此，根据不同的锅炉类型，相对于蒸汽量和O2浓度，使用声学方法测量炉内温度时，温度信号可以更快的传送至DCS，从而进行基于声波测温技术原理的各类燃烧过程优化控制。

4.2控制策略

4.2.1带有前馈回路的分区串级控制系统

以烟囱入口处的NOx浓度测量值作为调节目标，根据现场试验结果，脱硝被控对象(NH3流量烟囱入口处NOx浓度)的响应纯延迟时间接近3分钟，整个响应过程达十几分钟，是典型的大滞后被控对象，在此种方式下的控制难度将明显增加。

为进一步实现喷氨量最优控制，优化控制可以与温度场测量技术相结合，基于大滞后被控对象的设计思路进行优化，从而有效提前调节过程，获得更好的控制品质。带有前馈回路的串级控制系统已可达到一般的控制出口合格的控制目标，但为实现喷氨量更优控制、使得控制目标与环保考核目标相一致，基于温度场的数据，通过过程数据与NOx生成量的耦合关系，建立起动态模型，以适应控制过程中存在的大滞后延迟问题。

根据温度场模型预测未来NOx的生成量，并根据实测NOx数据，不断修正并在当前时刻给出最优的控制量。同时根据锅炉负荷情况、给煤量、烟气流量作为温度场校核因素，提高控制响应时间。

5经济性分析

采用基于温度场的脱硝控制技术，可以大幅度提高氨气的利用率，降低氨气耗量，以330MW机组例，节省耗氨量10%，年节约液氨费用约为25万元。SCR自动控制采用优化控制策略情况下，可以提高SCR的最大脱硝效率，预计提高催化剂使用寿命7%;同时由于还原剂的利用率提高，在最优的控制状态下，可以降低氨逃逸40%，大大减少了对尾部烟道内设备的威胁，降低了因空预器、电除尘腐蚀堵塞造成的维护运营成本。

6展望

节能减排已经成为中国经济和政治的一项中心任务，针对火电机组节能减排的现实需求，以及锅炉大负荷变化情况下，炉膛温度、烟气量变化对脱硝控制的影响。脱硝的控制技术有望与温度场测量实现进一步完美结合，以克服以往脱硝控制中受监测手段、负荷变化、数据滞后不良因素的影响，实现喷氨量最优控制，减少SCR出口NOx排放量和氨逃逸量，为火电厂SCR脱硝控制系统迈上一个新的高度。