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火電廠脫銷控制技術(shù)

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主講人: 韓希昌

新技術(shù)講座
第一講:火電廠脫硝控制技術(shù)

問(wèn)題原因分析及優(yōu)化控制策略

3
優(yōu)化控制實(shí)施及應(yīng)用效果

SCR噴氨脫硝控制現(xiàn)狀

概述

1
    NOX  的種類
光化學(xué)煙霧的形成
NOX 對(duì)人類健康和環(huán)境的影響 
低空臭氧的產(chǎn)生
各種潛在的致癌物質(zhì)
酸雨
中國(guó)典型燃煤機(jī)組的NOx排放情況
600MW及以上機(jī)組             380－450mg/Nm3
200MW及200MW                650－1300mg/Nm3
100MW及以下小型機(jī)組         700－1800mg/Nm3

2000年                  358.02萬(wàn)噸
2002年                  520.00萬(wàn)噸
2010年                  594.74萬(wàn)噸
中國(guó)電力氮氧化物排放狀況

國(guó)內(nèi)氮氧化物排放現(xiàn)狀
 
改變?nèi)紵龡l件最重要的裝置就是燃燒器
改變?nèi)紵龡l件控制技術(shù)
爐膛噴射脫硝
    實(shí)質(zhì)為向爐膛噴射某種物質(zhì)，可在一定溫度條件下還原已生成的一氧化氮，以降低的排放量。包括噴水法、二次燃燒法、噴氨法
各種低燃燒技術(shù)是降低燃煤鍋爐排放值最主要亦較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。但一般只降低排放50%左右。據(jù)環(huán)保法對(duì)排放的要求，應(yīng)低于40%方可，故應(yīng)考慮燃燒后的煙氣脫硝處理技術(shù)。
爐膛噴射脫硝控制技術(shù)
煙氣脫銷脫硝控制技術(shù)
煙氣脫硝技術(shù)按照其作用原理不同，主要分為催化還原、吸收和吸附三類
按照工作介質(zhì)不同可分為干法和濕法兩類。
NOx與SO2相比，缺乏化學(xué)活性，難以被水溶液吸收，NO溶解度為4.7%（20 ℃ ），NO2微溶。干法催化還原脫硝技術(shù)一般采用含有氨基的還原劑，與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，脫硝副產(chǎn)品無(wú)害和便于處理。
濕法脫硝裝置龐大，反應(yīng)裝置的防腐、副產(chǎn)品處理較難，技術(shù)尚未成熟應(yīng)用。目前，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的脫硝技術(shù)為：選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction－SCR），選擇性非催化還原（Selective Non-catalytic Reduction－SNCR）。 
 常用脫硝技術(shù)
選擇性催化
還原法
（SCR）
選擇性非
催化還
原法
（SNCR）
SCR與
SNCR結(jié)合
小型脫硝
脫硫一體
化設(shè)備
   利用還原劑在催化劑的作用下，有選擇性的與煙氣中的NOX反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，從而脫出煙氣中的NOX。
 SCR系統(tǒng)特點(diǎn)：
 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)行方便；
 設(shè)備少，可靠性高；
 無(wú)副產(chǎn)品，消耗催化劑；
 脫硝效率高,80－90%；
 投資高

還原劑主要有：液氨，尿素和氨水。
選擇性催化還原法（SCR）
文字內(nèi)容
SCR系統(tǒng)的工作機(jī)理
4 NO  + 4 NH3  +  O2
 4 N2  +  6 H2O
7 N2  +  12 H2O
6 NO2  + 8 NH3

選擇性催化還原法（SCR）
脫硝運(yùn)行關(guān)系曲線
選擇性催化還原法（SCR）
脫硝效率和氨的逃逸率之相關(guān)關(guān)系
選擇性催化還原法（SCR）
觸媒框架結(jié)構(gòu)
觸媒層
未來(lái)層
  整流器(緩沖層)
煙氣
(垂直流型)
脫硝反應(yīng)器的總括圖
吹灰器
NH3 噴嘴 (AIG)
觸媒荷載設(shè)備(臨時(shí)的)
導(dǎo)葉片

選擇性催化還原法（SCR）
SCR系統(tǒng)包括
選擇性催化還原法（SCR）
SCR系統(tǒng)主要設(shè)備
選擇性催化還原法（SCR）
SCR工藝系統(tǒng)－反應(yīng)器
布置方式：一般采用2＋1或3＋1布置；
備用層：將新催化劑安裝在預(yù)留催化劑位置，以減少催化劑更換量，并充分利用尚未完全失效的舊催化劑，從而減少催化劑更換費(fèi)用，提高脫硝效率。 
選擇性催化還原法（SCR）
催化劑的主要成分是TiO2、V2O5、WO3、MoO3、等金屬化合物，其中TiO2屬于無(wú)毒物質(zhì)， V2O5為微毒物質(zhì)，屬于吸入有害： MoO3、也為微毒物質(zhì)，長(zhǎng)期吸入或吞服有嚴(yán)重危害，對(duì)眼睛和呼吸系統(tǒng)有刺激。
載體：TiO2、活性炭或沸石等多孔介質(zhì)。
SCR工藝系統(tǒng)－催化劑
選擇性催化還原法（SCR）
催化劑的失活和中毒
SCR催化劑的工作條件比較惡劣，存在著中毒失效問(wèn)題，
   必須定期更換，更換時(shí)間據(jù)具體情況而定。
催化劑性能下降的原因
   （1）微孔體積減少；
   （2）固體沉積物使微孔堵塞；
   （3）堿性化合物等（砷(As)，鉀(K)、鈉(Na) ，
        其次鈣(CaO)和鎂(MgO)）引起中毒；
   （4）SO3中毒；
   （5）飛灰磨損和腐蝕。
選擇性催化還原法（SCR）
催化劑表面的積灰
SCR工藝系統(tǒng)－吹灰器
選擇性催化還原法（SCR）
蒸汽吹灰器－耙式吹灰器
聲波吹灰器
選擇性催化還原法（SCR）
稀釋風(fēng)從送風(fēng)機(jī)出口選取
 降低造價(jià)
 現(xiàn)場(chǎng)布置簡(jiǎn)單
SCR工藝系統(tǒng)－稀釋風(fēng)機(jī)
選擇性催化還原法（SCR）
選擇性催化還原法（SCR）
保證氨和煙氣的均勻混合
NH3/NOx沿?zé)煹澜孛婢鶆虻姆植?
NH3噴射格柵
SCR的控制系統(tǒng)
一. 控制系統(tǒng)方案
控制系統(tǒng)納入機(jī)組ＤＣＳ
獨(dú)立的控制系統(tǒng)
二. 主要受控系統(tǒng)
吹灰系統(tǒng)
氨的卸載、儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)
煙氣擋板調(diào)節(jié)系統(tǒng)
脫硝主體控制系統(tǒng)
設(shè)備包括：
 DCS、PLC
儀表、盤柜等

選擇性催化還原法（SCR）
 SCR系統(tǒng)工藝流程－液氨
選擇性催化還原法（SCR）
 SCR系統(tǒng)工藝流程－尿素
選擇性催化還原法（SCR）
采用尿素為還原劑的制氨系統(tǒng)有水解和熱解兩種方式
選擇性催化還原法（SCR）
SCR脫硝實(shí)例
選擇性催化還原法（SCR）
選擇性催化還原法（SCR）
選擇性催化還原法（SCR）常規(guī)布置方式(有水平和垂直氣流兩種布置方式)
a) 高含灰布置方案
b) 低含灰/尾部布置方案

選擇性催化還原法（SCR）
鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)裝置的基本流程圖

鍋爐
NH3 噴注
脫硝反應(yīng)器
空氣預(yù)熱器
NH3 混合器 
蒸發(fā)器
NH3 
液化罐
靜電除塵器
引風(fēng)機(jī)
煙囪
換熱器
增壓風(fēng)機(jī)
脫硫系統(tǒng)
送風(fēng)機(jī)

SAH
蓄壓器

選擇性催化還原法（SCR）
SCR噴氨脫硝控制現(xiàn)狀
   目前噴氨控制系統(tǒng)基本只采用了簡(jiǎn)單的單回路控制策略，不少機(jī)組脫硝噴氨控制無(wú)法投入自動(dòng)，有些能投入自動(dòng)但NOx的波動(dòng)大且振蕩不容易穩(wěn)定，特別是在變負(fù)荷及啟停磨煤機(jī)時(shí)，Nox的動(dòng)態(tài)偏差很大。為避免考核，只能降低NOx的設(shè)定值，造成氨氣的消耗量明顯增大，增加了運(yùn)行成本。

南京化工園300MW機(jī)組脫硝優(yōu)化前曲線
1、手動(dòng)操作，無(wú)法投入自動(dòng)；2、NOx最低為34.5mg/NM3，最高為94.4mg/NM3，且長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)到設(shè)計(jì)值 
華潤(rùn)南熱600MW機(jī)組脫硝優(yōu)化前的曲線
1、手動(dòng)操作，無(wú)法投入自動(dòng)；2、NOx最低為152mg/NM3，最高為259mg/NM3，且長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)到設(shè)計(jì)值 
射陽(yáng)港600MW機(jī)組（正常工況時(shí)）
1、投入自動(dòng)，但NOx反復(fù)波動(dòng)不穩(wěn)定；2、即使在穩(wěn)定負(fù)荷下NOx動(dòng)態(tài)偏差也達(dá)
±30mg/NM3；3、設(shè)定值低，氨氣耗量大。
射陽(yáng)港600MW機(jī)組（啟停磨煤機(jī)時(shí)）
當(dāng)出現(xiàn)磨煤機(jī)啟停的擾動(dòng)時(shí)，SCR出口NOx出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，經(jīng)常導(dǎo)致實(shí)際值與設(shè)定值偏差過(guò)大而跳出自動(dòng)。
脫硝過(guò)程的流程圖
原因分析
        
1、控制策略不符實(shí)際情況
    基本設(shè)計(jì)為固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）。該控制方式下的設(shè)定值為氨氮摩爾比，控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的煙氣流量、SCR入口NOx濃度和設(shè)定氨氮摩爾比計(jì)算出NH3流量需求，最終通過(guò)流量PID改變氨氣閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)NH3實(shí)際流量，這種控制方式脫硝系統(tǒng)的NH3需求量?jī)H根據(jù)靜態(tài)物理特性計(jì)算得出，不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況；

2、控制目標(biāo)不與考核目標(biāo)對(duì)應(yīng)
    環(huán)?？己藷焽枞肟谔幍腘Ox濃度，而很多是控制SCR出口的NOx， SCR出口NOx濃度與煙囪入口NOx濃度靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)系均存在著較大的差別。

原因分析
        
3、被控對(duì)象復(fù)雜，控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單
    脫硝被控對(duì)象（NH3流量?煙囪入口NOx濃度）的響應(yīng)純延遲時(shí)間接近3分鐘，整個(gè)響應(yīng)過(guò)程達(dá)十幾分鐘，是典型的大滯后被控對(duì)象；崔化劑消耗過(guò)程對(duì)被控對(duì)象特性影響大，是時(shí)變非線性被控對(duì)象，常規(guī)PID控制策略在處理這類對(duì)象時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)單。

4、控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)分依賴于所有測(cè)點(diǎn)的完好
    NOx、O2測(cè)量?jī)x表長(zhǎng)期運(yùn)行在灰塵較高的環(huán)境下，容易出現(xiàn)部分失真的情況，且儀表的定期吹掃、標(biāo)定也會(huì)使測(cè)量值瞬間突變。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的脫硝控制策略對(duì)上述問(wèn)題均無(wú)對(duì)策，一旦某個(gè)測(cè)點(diǎn)失靈，整個(gè)控制系統(tǒng)即處于癱瘓。

采用對(duì)策
        
             問(wèn)  題                                                                 對(duì)   策

1、被控過(guò)程的大滯后特性                      采用基于大滯后控制理論，如：預(yù)測(cè)控制         
                                                                技術(shù)、相位補(bǔ)償及狀態(tài)變量控制技術(shù)取代傳
                                                                統(tǒng)的PID控制。

2、被控過(guò)程的非線性及時(shí)變性               采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理被控過(guò)程的非線性及 
                                                                時(shí)變性。

3、部份測(cè)量參數(shù)失真                             通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟測(cè)量技術(shù)，在線評(píng)估測(cè)量參
                                                               數(shù)，并采用變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，確保即使部份 
                                                               參數(shù)失真及在測(cè)點(diǎn)維護(hù)情況下，控制系統(tǒng)仍
                                                               能正常投入。

4、氨氣消耗量大                                    以控制參數(shù)和氨氣消耗量為綜合優(yōu)化指標(biāo)， 
                                                               通過(guò)優(yōu)化，確保在NOx 排放及脫硝效率都滿
                                                               足環(huán)?？己艘笙掳睔庀牧孔钚?。
基于先進(jìn)技術(shù)的脫硝控制方案
PID與GPC調(diào)節(jié)效果的對(duì)比分析
PID

在k時(shí)刻 調(diào)門不會(huì)開(kāi)大，有可能仍會(huì)關(guān)?。。?！

GPC

在k時(shí)刻 調(diào)門會(huì)開(kāi)始明顯開(kāi)大，提前動(dòng)作！

PID與GPC調(diào)節(jié)效果的對(duì)比分析
相位補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?
調(diào)節(jié)器
脫硝過(guò)程
大滯后
被控對(duì)象
相位補(bǔ)償
網(wǎng)絡(luò)
慣性、滯后
較小的等效
動(dòng)態(tài)對(duì)象
在保證穩(wěn)定性的前提下，可加快控制器的動(dòng)作速度
+
-
NOx排放量
狀態(tài)變量控制策略
由SCR脫硝過(guò)程模型
估計(jì)流程中各點(diǎn)NOx
參與自動(dòng)控制
NOx1
NOx2
NOx3
NOx4
監(jiān)測(cè)點(diǎn)NOx
NOx1 NOx2 NOx3 NOx4
煙氣流量
SCR入口ＮＯx
氨氣調(diào)門
建立SCR脫硝過(guò)程的RBF網(wǎng)絡(luò)模型
 x= [x1 ， x2 ，…，xn ]T∈Rn 為輸入向量；φ(·)為徑向基函數(shù)RBF，一般取為高斯函數(shù)φ(x)=exp(－x2/σ2)，‖·‖為歐幾里德（Euclidean）范數(shù)， cj=[c1j，c2j，…，cnj]T∈Rn 為RBF數(shù)據(jù)中心，φ對(duì)中心點(diǎn)徑向?qū)ΨQ，σj為徑向基函數(shù)的寬度，wji為第j個(gè)基函數(shù)輸出與第i個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值，h為隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，輸出層有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，i（x）為網(wǎng)絡(luò)的第i個(gè)輸出量。 
應(yīng)用脫硝過(guò)程RBF網(wǎng)絡(luò)模型
SCR脫硝過(guò)程
的網(wǎng)絡(luò)模型
基于網(wǎng)絡(luò)模型
的NOx數(shù)值
預(yù)估
應(yīng)用１
機(jī)組負(fù)荷
煙氣流量　
脫硝前NOx
氨氣流量
選擇
NOx測(cè)量值
測(cè)點(diǎn)維護(hù)判別
NOx被控變量
NOx預(yù)估值
基于網(wǎng)絡(luò)模型
控制系統(tǒng)參數(shù)
調(diào)整
應(yīng)用2
控制系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)
調(diào)整參數(shù)的
合理性評(píng)價(jià)
智能前饋控制策略
采用了以模糊控制理論為基礎(chǔ)的智能前饋控制策略
  采用智能前饋可以實(shí)現(xiàn)：
     ＊模糊控制是模仿人操作行為的一種有效方法。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員往往可以根據(jù)NOx的偏差及其偏差的變化率來(lái)快速調(diào)氨氣調(diào)門的開(kāi)度，而這種快速操作的思想完全可以也只能通過(guò)以模糊控制理論為基礎(chǔ)的智能前饋控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)；
    ＊傳統(tǒng)的前饋一旦整定好是固定不變的，智能前饋是根據(jù)SCR的實(shí)際工況及當(dāng)時(shí)NOx的變化情況來(lái)決定加多少前饋量；
    ＊智能前饋實(shí)現(xiàn)了在機(jī)組升、降負(fù)荷過(guò)程中，快速調(diào)整氨氣調(diào)門開(kāi)度的控制策略。
為節(jié)省氨氣用量，改變控制目標(biāo)
傳統(tǒng)控制
本例控制
控制裝置與特點(diǎn)
“INFIT”與脫硝DCS的連接關(guān)系
脫硝系統(tǒng)的DCS
控制指令
               INFIT
      新型脫硝控制策略
通過(guò)Modibus通信，
傳送所需測(cè)點(diǎn)信號(hào)
通過(guò)Modibus通信，
傳送控制指令
南京化工園300MW機(jī)組脫硝優(yōu)化后曲線
      SCR入口濃度由134.5mg/NM3快速變化至246.6mg/NM3時(shí)，最終煙囪入口的NOx濃度僅由65.3mg/NM3變化至78.6mg/NM3，控制性能非常優(yōu)秀
華潤(rùn)南熱600MW機(jī)組脫硝優(yōu)化后的曲線
NOx濃度始終被控制在設(shè)計(jì)值±10mg/NM3（穩(wěn)態(tài)）和±20mg/NM3（大幅變負(fù)荷）范圍內(nèi)；在吹掃或標(biāo)定時(shí)，控制系統(tǒng)保持投入。
射陽(yáng)港600MW機(jī)組脫硝優(yōu)化后
不論是在正常工況下還是啟停磨煤機(jī)的工況下，煙囪入口NOx濃度控制均非常穩(wěn)定，最大正向偏差為：+16.0mg/Nm3；最大負(fù)向偏差為：-9.2mg/Nm3

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03-15