摘要：环境污染、成本高以及能源的浪费作为如今火电机组运行过程中的频发问题，越来越引起各企业以及学者的关注，氮氧化物作为火电机组的主要排放物，其脱除系统与工艺应得到高度重视。许多企业为了进一步提高火电机组的经济与运行效率，合理利用了SCR（选择性催化还原）脱硝系统来达到降低烟气中氮氧化物含量的目的，但据调查发现，该系统在应用与实施过程中仍然存在诸多问题需要引起高度重视，如测量回路问题、控制策略问题、对空气预热器以及对电除的影响问题，但该方法仍然有重要的理论与现实意义。而对于该系统可能产生的影响与问题应进一步探讨，并提出合理的解决方式。本论文正是基于该背景，以火电机组脱硝系统为主要研究对象，从其存在问题以及优化措施两个方面站展开探讨。由于笔者经验不是太足，旨在为读者提供浅要观点，望可提出针对性意见或建议以便于及时更正。
关键字：火电机组；脱硝；问题；应对措施
一、引言
为了控制燃煤电厂NOx的排放，燃煤发电机组普遍采用选择性催化还原（SCR）技术进行烟气脱硝。SCR一般采用氨(NH3)作为反应剂，与锅炉排出的烟气混合后通过催化剂层，在催化剂的作用下将氮氧化物还原分解成无害的氮气和水。其中SCR催化剂是整个工艺的核心，催化剂选用的合理与否对运行效率起着至关重要的作用。喷氨量是否合理与多种因素有关，如周围环境、机组的运行情况以及控制策略等。整个运行过程作为一个整体，其中某一环节的失误与波动都会对作业运行率产生显著影响。因此，下文将着重探讨火电机组脱硝系统所存在的问题，以找到影响系统运行的不利因素。
二、火电机组脱硝系统的存在问题探析
（一）控制策略问题
火电机组脱硝系统中的控制策略以控制出口的氮氧化物含量为目的，通常将所收集的信号进行黑的计算与处理，该过程一般需按照正确的规则进行，其次将喷氨量的指令输出，从而控制出口的氮氧化物。当前该系统的控制策略选择串级控制回路的方式，该方式的特点主要是将副回路作为粗调回路，而主回路为细调回路，其中，副回路需要达到高效、快速的标准，有利于进一步抑制扰动，且其主要的扰动量是烟气流量、进口的氮氧化物含量等，主回路一般是得出出口的氮氧化物的设定值，设定过程主要依据的是进口的氮氧化物含量以及设定的脱硝率，副回路与主回路在计算数值与依据等方面都有着明显差异，主要以需要的氨量为计算值，以烟气流量、进口的氮氧化物含量和主回路的PI输出量为计算依据。但是据调查发现，烟气流量、进口的氮氧化物含量对被控量影响会比对出口的氮氧化物含量快，另外，副回路的实际粗调作用十分有限，主要是由于两个主要的扰动量与副回路的控制结果并没有显著的关联，其主要是根据煤含量、烟气的氧含量以及煤种的含氮量所决定的。且火电机组脱硝系统出口氮氧化物的变化会随着氮量的变化而产生一定时间的滞后，且不同机组的滞后时间有所区别，一般情况下约为两分钟左右。另外，其滞后时间与反应器的催化器是否完全反应有较大关系，且两侧的烟气流量之间的差别无法表现出来，多种因素都一定程度的阻碍着SCR系统喷氨量的合理调控。
（二）测量回路问题
火电机组的测量回路对控制量的计算提供依据，其作为整个实施过程的基础，
起着龙头作用，其对系统的运行状态进行准确表达，以提高系统运行的准确性与稳定性。测量信号一旦失真便会对整个系统造成不可预计的后果，如喷氨量不合适、空预器灰尘积攒而造成堵滞现象以及系统的脱硝效率低下等问题。喷氨量是由一系列相关参数的计算得到的，包括进口烟气的含氨量、出口烟气的含氨量以及烟气流量。因此本论文将测量回路问题分为了进出口烟气的含氨量测量不准、分析仪表反吹以及矫正的测量不准确、脱硝烟气流量测量不准确、氨逃逸耗散测量不准确四个方面。
首先对于进出口的烟气含氨量测量而言，我国目前已投运的SCR脱氨系统主中进出口烟气的测量一般选用单点取样的方式，只有较少的机组选择多点取样方式，单点取样不能真实、有效的反应烟气的实际值，从而降低了该控制系统的准确性。
而对于仪表反吹或矫正的测量而言，设置分析仪表采样系统的自行反吹时间为五分钟一次，以减少采样回路堵灰发生的可能性，但在反吹过程中，氮氧化物的信号保持着吹灰以前的值则使得喷氨系统控制的准确性大大折扣。在氨逃逸散发的测量过程中，虽然并不直接参与到氮氧化物含量的控制过程中，但若是其逃逸散发量过多便会直接导致空预器由于硫酸氢铵过多而堵塞。因此需要工作人员对系统的运行状态进行实时监测并将监测数据上报，以便于进一步调整系统的喷氨量。
在脱硝烟气流量的测量过程中，准确率低下是脱硝系统的普遍问题，测量结果的准确与否直接影响到系统的控制效果，一般的脱硝系统选择采用煤量以及风量折算出烟气量，在折算过程中主观性过强，通过经验得出折算数据从而增大了系统的折算误差，并不能准确体现反应器两侧的流量偏差。
（三）对锅炉影响问题
1、对空气预热器的影响研究
SCR技术原理是将还原反应剂氨（NH3）喷入流过催化剂的烟气中以有效地将NOx转化为氮气（N2）和水蒸气（H2O），即：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
1NO2+1NO+2NH3→2N2+ 3H2O
同时在催化剂作用下发生副反应：
SO2 +1/2O2→SO3
NH3+SO3+H2O→NH4 HSO4
上述化学反应在不使用催化剂时也可在900～1100 ℃的均匀气相下进行，而在SCR 脱硝工艺中，因使用了催化剂，反应通常可在温度300～450 ℃下进行。
副反应的产物即是硫酸氢铵，伴随脱硝工艺，其生成不可避免。硫酸氢铵是一种具有很大粘性的物质，在低温下具有吸湿性，从烟气中吸水后会造成设备的腐蚀。如大量附着于催化剂的表面会阻塞催化剂并影响其活性，如黏附在空预器蓄热元件的表面，使蓄热元件腐蚀和积灰，引起空预器流通截面减小、阻力增加，限制机组带负荷能力。运行数据显示，控制不当的机组，空预器运行半年后的阻力即会增加50%，严重影响设备可靠性。如下图1和图2为被硫酸氢铵腐蚀及堵塞的空预器蓄热元件照片。
2、对引风机的影响研究
引风机的功率以及电耗直接关系到系统运行的稳定性，针对已建的火电机组而言，主要从空气预热器的阻力、烟道阻力以及反应器的阻力三个方面得以体现，这些因素都会导致引风机的压头有所增加，因为催化剂在设备的布置中主要选择分层布置方式，每层催化剂的压降约200pa，电厂一般布置2-3层，再加上空气预热器堵塞增加的阻力,所以整个系统所增加的阻力相比引风机原有的容量裕度而言过大，下图3陕西某600MW亚临界机组的静叶可调引风机，脱硝改造后引风机运行曲线在P-Q图中较设计点上移，使得风机压头裕量减少，随着运行时间增加，烟道阻力逐渐增大，30个月后，运行阻力曲线进一步上移，使得低负荷时风机落入喘振线附近，负压波动时风机频繁喘振。
3、对机组煤耗和锅炉效益的影响研究
SCR脱硝系统对锅炉的热效率会产生极大影响，由于系统反应器增加尾部烟道的面积，以及烟道长度的增加导致烟气的散热损失和排烟热损失都会随之增加。另外，由于某些低温稀释空气进入脱硝系统的内部，通过与烟气混合从而使得烟气的热损失增大，以上情况都会进一步导致锅炉热效率降低。
（四）其他问题的研究
1、喷氨流量计算不准确：系统的计算过程中往往存在由于副调节器所使用的烟气流量值不正确从而导致喷氨流量的计算值和需求值不符合的现象。
2、前馈环节的缺失：火电机组脱硝系统作为多要素参与的串级控制系统的典型，与主蒸汽系统、给水控制系统以及燃烧系统等有较大差异，其前馈环节一旦缺失便会增加脱硝自动投入过程中NOx变化时喷氨流量调节阀的响应时间，进一步阻碍整个系统的正常运行。
3、采样探头的安装位置不正确：采样探头作为脱硝系统分析仪的核心部件，由于采样探头的取样点开孔处是固定的，因此在安装时若是距离混合区域过近便会直接减少出口NOx测量的准确性。
提高SCR的脱硝效率的根本方法就是增加喷氨量，理论上在不考虑氨逃逸的前提下，SCR的脱硝效率完全可维持在90~95%，但氨逃逸会严重SCR的下游设备安全运行，如生成硫酸氢氨沉积在催化剂、空预器和低温省煤器上,造成催化剂中毒和空预器和低温省煤器的腐蚀，尤其以空预器和低温省煤器在电除尘器前面的高温部分严重；造成FGD废水及空预器清洗水中含NH3；增加飞灰中的NH3 化合物,改变飞灰的品质。
图1
图 2
图3 引风机运行曲线
三、优化措施
（一）测量回路优化
主要从上文所论述的四个测量误差问题进行逐一分析：SCR进出口烟气氮氧化物的测量不准、脱硝烟气流量测量不准、分析仪表反吹或矫正时测量不准、氨逃逸测量不准。
1、增强进出口烟气氮氧化物测量的准确度，应合理选取多点混合的取样方式，将横向贯通烟道的多点烟气取样管设置在系统的进出口烟道中，且从纵向来看应在烟道的上下侧分别设置一个单独的取样管，且为了进一步将烟气排送到烟道外，应在取样管上设置一定数量的进烟孔。
2、增强脱硝烟气流量测量的准确度，多点阵列式风量测量装置在其中必不可少，与传统的折算方法有所区别，将传统折算所得到的流量信号作为系统的一个参考值。
3、增加分析仪表反吹和矫正时测量的准确性，应在进出口的烟气CEMS中增加采样探头和采样设计切换回路，避免某一路采样反吹的失误而导致整个信号测量出现问题的现象发生。
4、增加氨逃逸测量的准确性，应将氨逃逸信号作为报警取信，而不应将其引入喷氨自动调节。对于有些机组已经安装了氨逃逸机，应通过合理方法调整装置以及设备，以达到提高信号准确性的目的。
（二）控制策略优化
传统的串级控制模式由于存在多种影响因素，如烟气流场偏差以及分析仪表检测滞后等问题，已然不适应当前SCR脱硝系统的运行标准，因此，应选择单回路加前馈的控制模式，其主要是通过系统进口的氮氧化物含量以及脱硝率设定值来对系统的出口氮氧化物进行计算。并将出口的氮氧化物测量值作为一个反馈值，且应尽量将脱硝率的控制定值降低，从而进一步控制氨逃逸量，在此过程中应注意必须满足环保排放要求。另外，脱硝系统的长时间运行会产生一系列不可预计的问题，如由于催化剂的活性下降以及烟温下降而导致的系统反应速度慢。且控制回路中的前馈信号处理不应仅限于单一的方法，应根据不同情况选取不同的处理方式，如对于锅炉燃料量的变化而言应前馈信号设计惯性环节以达到匹配喷氨的特性，对于前后墙对冲燃烧方式的锅炉而言，应在其前馈回路中合理将磨煤机启停过程的超弛作用引入其中。
（三）对锅炉的影响优化
针对SCR脱硝系统对锅炉的影响而言，主要集中于空气预热器、引风机、烟
道加固以及锅炉效率四个层面，从而对其优化措施进行逐一探讨。
1、空气预热器的影响优化策略：首先应合理控制催化剂对SO2的转化率，
一般情况下，认为SO2的转化率控制在1%以下最为适宜。其次为了进一步降低硫酸铵与硫酸氢铵的生成量，逐一减少反应器出口SO3的浓度，并注意降低硫酸铵和硫酸氢铵的生成量，这就要求在系统的设计过程中降低反应器出口NH3的浓度，从而达到降低氨逃逸率的目的。完善空预器吹灰管理，增加空预器蒸汽吹灰次数，有效清除蓄热元件上积存的硫酸氢铵。空预器高声强吹灰器正常投连续、 循环模式，发现空预器差压升高，减小吹灰时间间隔，增加吹灰频次，有效减少了硫酸氢铵的积存，防止了空预器差压的升高。
2、引风机的影响优化策略：引风机的增容改造是一种有效的优化策略，即
为了进一步适应系统的受到的阻力，应合理增加引风机容量。上述陕西某600MW亚临界机组通过引增合一改造，增加风机容量，同时将静叶可调风机更换为动叶可调风机，避免了低负荷喘振、高负荷出力不足等运行风险，如下图4所示，改造后性能试验结果显示，风机运行曲线合理，各负荷段风机效率较高。
图4 引增合一改造后运行曲线
3、烟道加固的影响优化策略：烟道的改造以及内部结构的优化是机组的
脱硝系统优化的重要工作之一，其主要是在原有机组脱硝系统改造的基础上进一步改造和加固烟道，并对其内部与外部结构进行优化，如烟道压降、走向的调整以及加固与支撑外部结构，从而增强烟道的反应器载荷。
（三）其他优化措施
1、规范计算规则：由于使用负荷量所获取的烟气流量与实际所需要的数
值偏差很大，因此，关于烟气流量的折算应根据总风量进行计算，利用总风量作为折算量进行计算，可以发现所得到的喷氨量与实际所需数值在1%的偏差之内，并将副调节器控制策略进行进一步修改，使得SCR脱硝系统的出口氮氧化物浓度完全符合运行要求。
2、更改采样探头的安装位置：为了防止出口氮氧化物测量值波动情况的
发生，应选择在机组停机检修时间，封堵原有的取样孔，在现有的取样孔上沿着烟气流向向后测量的25米安装采样探头，从而降低未完全反应的气体导致的氮氧化物测量值波动现象。
3、更换变送器：原有的喷氨流量变送器并不适应当前火电机组脱硝系统
的要求标准，导致系统的测量精度大大降低，且无法适应当前新环境的流量测量，应将其更换为量程在0-100m3/h的变送器，以降低维护难度。
4、增加出口分析仪的探头数量：采样探头的数量应随着采样的可靠性增大
而增加，因此，为了有效减少采样探头的失灵问题，一般情况下需增加两个采样探头。
5、增加系统的前馈环节：在调节系统的过程中应考虑增加前馈环节，且主
调节器和副调节器具有不同的控制效应，前者主要负责通过出口浓度来获得氨气流量设定的加权系数，，而后者则主要将NOx的浓度引入来作为系统的前馈信号。
6、为了使SCR 脱硝效率达到最高, 同时使氨逃逸量控制在最低水平, 我厂600MW亚临界机组申请立项了关于“基于网格测量法的分区喷氨控制技术研究与示范”的项目。主要对SCR脱硝喷氨进行改造，主要包括对原2*24个手动喷氨阀进行分组改造为2*8个气动调节阀；在SCR出口、入口布置18个测量点；通过网格法测量系统对SCR布置的测量点进行烟气采集；通过对采集后的数据和机组相关数据分析来控制2*8气动调节阀进行喷氨调整。投运效果如下：
（1）烟道截面网格测量数据准确，可以准确反映A、B侧催化剂出口NOX分布情况和不同工况的变化情况。
（2）优化系统投入后SCR出口NOX分布偏差能够有效收敛，分布标准偏差由13左右收敛到6--10；下表下表为2017年4--6月脱硝出口网格测量系统分布数据统计，可以看出投入后分布偏差平均值有10左右降低到6左右。
分布偏差对比表
（3）网格喷氨自动投入前SCR出口各区域NOx值15---90mg/NM3,非常不均匀；投入网格喷氨自动后，达到25---42mg/NM3，基本趋于设定值35mg/NM3。
（4）原来的氮氧化物出口值与网格喷氨后的平均值，可以作为运行调整的参考。
（5）网格喷氨优化系统是对SCR系统的区域分布的控制，通过按需喷氨减低了喷氨总量提高了氨的利用率，SCR整体脱硝效率得到改善，降低了氨逃逸率。
（6）系统设定自动调整每15分钟进行1次循环。
（7）下表为2017年4~6月脱硝尿素消耗数据对比，闭环系统投入前后2个月存在负荷率偏差，该报表进行了折算，从2个月的对比数据中也能够看出喷氨量的变化大约在3%。
投入网格喷氨自动前后，尿素量降低3%左右（喷枪总量瞬时值由264升/小时下降到256升/小时）。
尿素消耗量对比表
四、小结
本论文主要通过对SCR脱硝系统存在着一系列不可避免的问题，如控制策略问题、测量回路问题以及对锅炉的影响问题进行分析，提出解决措施，旨在引起各位专家学者以及社会相关人士的重视，为火电机组脱硝系统的最佳实践模式研究提出自己的建议。望可最大程度发挥本论文的理论与现实意义，为我国的火电机组脱硝系统搭建良好的发展平台，以促进火电行业的进一步壮大。
参考文献
[1]刘韬.火电机组脱硝系统测量与控制策略问题分析及优化[J].浙江电力,2016,35(06):42-44.
[2]刘鑫. 火电行业烟气脱硝系统建设与稳定运行研究[D].西北大学,2015.
[3]李太兴.火电机组脱硝系统对空气预热器影响及对策[J].山东电力技术,2015,42(03):75-77.
[4]曹宏芳. 火电机组SCR脱硝系统性能监测与优化方法的研究[D].华北电力大学,2015.
[5]李德波,徐齐胜,邓剑华,许凯.大型火电机组SCR脱硝系统现场调试若干关键问题研究及应用[J].广东电力,2014,27(11):21-26.
论文作者:王玉平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：系统论文; 烟气论文; 测量论文; 机组论文; 氧化物论文; 火电论文; 回路论文; 《电力设备》2018年第27期论文;