火电厂脱销控制技术

主讲人:韩希昌新技术讲座第一讲:火电厂脱硝控制技术问题原因分析及优化控制策略3优化控制实施及应用效果4SCR喷氨脱硝控制现状2概述1氮氧化物(NOX)种类很多，包括一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等多种化合物，但主要是NO和NO2，它们是常见的大气污染物。NOX的种类光化学烟雾的形成NOX对人类健康和环境的影响低空臭氧的产生各种潜在的致癌物质酸雨中国典型燃煤机组的NOx排放情况600MW及以上机组380－450mg/Nm3200MW及200MW650－1300mg/Nm3100MW及以下小型机组700－1800mg/Nm32000年358.02万吨2002年520.00万吨2010年594.74万吨中国电力氮氧化物排放状况国内氮氧化物排放现状改变燃烧条件最重要的装置就是燃烧器改变燃烧条件控制技术炉膛喷射脱硝实质为向炉膛喷射某种物质，可在一定温度条件下还原已生成的一氧化氮，以降低的排放量。包括喷水法、二次燃烧法、喷氨法各种低燃烧技术是降低燃煤锅炉排放值最主要亦较经济的技术。但一般只降低排放50%左右。据环保法对排放的要求，应低于40%方可，故应考虑燃烧后的烟气脱硝处理技术。炉膛喷射脱硝控制技术烟气脱销脱硝控制技术•烟气脱硝技术按照其作用原理不同，主要分为催化还原、吸收和吸附三类•按照工作介质不同可分为干法和湿法两类。•NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收，NO溶解度为4.7%（20℃），NO2微溶。干法催化还原脱硝技术一般采用含有氨基的还原剂，与NOx反应生成N2和H2O，脱硝副产品无害和便于处理。•湿法脱硝装置庞大，反应装置的防腐、副产品处理较难，技术尚未成熟应用。目前，大规模工业应用的脱硝技术为：选择性催化还原（SelectiveCatalyticReduction－SCR），选择性非催化还原（SelectiveNon-catalyticReduction－SNCR）。常用脱硝技术选择性催化还原法（SCR）选择性非催化还原法（SNCR）SCR与SNCR结合小型脱硝脱硫一体化设备利用还原剂在催化剂的作用下，有选择性的与烟气中的NOX反应，生成氮气和水，从而脱出烟气中的NOX。SCR系统特点：结构较复杂，运行方便；设备少，可靠性高；无副产品，消耗催化剂；脱硝效率高,80－90%；投资高还原剂主要有：液氨，尿素和氨水。选择性催化还原法（SCR）文字内容SCR系统的工作机理4NO+4NH3+O24N2+6H2O7N2+12H2O6NO2+8NH3选择性催化还原法（SCR）脱硝运行关系曲线选择性催化还原法（SCR）脱硝效率和氨的逃逸率之相关关系选择性催化还原法（SCR）触媒框架结构触媒层未来层整流器(缓冲层)烟气(垂直流型)脱硝反应器的总括图吹灰器NH3喷嘴(AIG)触媒荷载设备(临时的)导叶片选择性催化还原法（SCR）反应器/催化剂系统烟气/氨的混合系统氨的储备与供应系统烟道系统ＳＣＲ的控制系统SCR系统包括选择性催化还原法（SCR）SCR系统主要设备选择性催化还原法（SCR）SCR工艺系统－反应器布置方式：一般采用2＋1或3＋1布置；备用层：将新催化剂安装在预留催化剂位置，以减少催化剂更换量，并充分利用尚未完全失效的旧催化剂，从而减少催化剂更换费用，提高脱硝效率。选择性催化还原法（SCR）催化剂的主要成分是TiO2、V2O5、WO3、MoO3、等金属化合物，其中TiO2属于无毒物质，V2O5为微毒物质，属于吸入有害：MoO3、也为微毒物质，长期吸入或吞服有严重危害，对眼睛和呼吸系统有刺激。载体：TiO2、活性炭或沸石等多孔介质。SCR工艺系统－催化剂选择性催化还原法（SCR）催化剂的失活和中毒SCR催化剂的工作条件比较恶劣，存在着中毒失效问题，必须定期更换，更换时间据具体情况而定。催化剂性能下降的原因（1）微孔体积减少；（2）固体沉积物使微孔堵塞；（3）碱性化合物等（砷(As)，钾(K)、钠(Na)，其次钙(CaO)和镁(MgO)）引起中毒；（4）SO3中毒；（5）飞灰磨损和腐蚀。选择性催化还原法（SCR）催化剂表面的积灰SCR工艺系统－吹灰器选择性催化还原法（SCR）蒸汽吹灰器－耙式吹灰器声波吹灰器选择性催化还原法（SCR）稀释风从送风机出口选取降低造价现场布置简单SCR工艺系统－稀释风机选择性催化还原法（SCR）选择性催化还原法（SCR）保证氨和烟气的均匀混合NH3/NOx沿烟道截面均匀的分布NH3喷射格栅SCR的控制系统一.控制系统方案控制系统纳入机组ＤＣＳ独立的控制系统二.主要受控系统吹灰系统氨的卸载、储存和供应系统烟气挡板调节系统脱硝主体控制系统设备包括：DCS、PLC仪表、盘柜等选择性催化还原法（SCR）SCR系统工艺流程－液氨选择性催化还原法（SCR）SCR系统工艺流程－尿素选择性催化还原法（SCR）采用尿素为还原剂的制氨系统有水解和热解两种方式选择性催化还原法（SCR）SCR脱硝实例选择性催化还原法（SCR）选择性催化还原法（SCR）选择性催化还原法（SCR）常规布置方式(有水平和垂直气流两种布置方式)a)高含灰布置方案b)低含灰/尾部布置方案选择性催化还原法（SCR）锅炉SCR脱硝系统装置的基本流程图锅炉NH3喷注脱硝反应器空气预热器NH3混合器蒸发器NH3液化罐静电除尘器引风机烟囱换热器增压风机脱硫系统送风机SAH蓄压器选择性催化还原法（SCR）SCR喷氨脱硝控制现状目前喷氨控制系统基本只采用了简单的单回路控制策略，不少机组脱硝喷氨控制无法投入自动，有些能投入自动但NOx的波动大且振荡不容易稳定，特别是在变负荷及启停磨煤机时，Nox的动态偏差很大。为避免考核，只能降低NOx的设定值，造成氨气的消耗量明显增大，增加了运行成本。南京化工园300MW机组脱硝优化前曲线1、手动操作，无法投入自动；2、NOx最低为34.5mg/NM3，最高为94.4mg/NM3，且长时间不能恢复到设计值华润南热600MW机组脱硝优化前的曲线1、手动操作，无法投入自动；2、NOx最低为152mg/NM3，最高为259mg/NM3，且长时间不能恢复到设计值射阳港600MW机组（正常工况时）1、投入自动，但NOx反复波动不稳定；2、即使在稳定负荷下NOx动态偏差也达±30mg/NM3；3、设定值低，氨气耗量大。射阳港600MW机组（启停磨煤机时）当出现磨煤机启停的扰动时，SCR出口NOx出现大幅度波动，经常导致实际值与设定值偏差过大而跳出自动。脱硝过程的流程图原因分析1、控制策略不符实际情况基本设计为固定摩尔比控制方式（ConstantMoleRatioControl）。该控制方式下的设定值为氨氮摩尔比，控制系统根据当前的烟气流量、SCR入口NOx浓度和设定氨氮摩尔比计算出NH3流量需求，最终通过流量PID改变氨气阀开度来调节NH3实际流量，这种控制方式脱硝系统的NH3需求量仅根据静态物理特性计算得出，不符合现场实际情况；2、控制目标不与考核目标对应环保考核烟囱入口处的NOx浓度，而很多是控制SCR出口的NOx，SCR出口NOx浓度与烟囱入口NOx浓度静态和动态关系均存在着较大的差别。原因分析3、被控对象复杂，控制策略过于简单脱硝被控对象（NH3流量烟囱入口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；崔化剂消耗过程对被控对象特性影响大，是时变非线性被控对象，常规PID控制策略在处理这类对象时过于简单。4、控制系统的运行过分依赖于所有测点的完好NOx、O2测量仪表长期运行在灰尘较高的环境下，容易出现部分失真的情况，且仪表的定期吹扫、标定也会使测量值瞬间突变。目前国内应用的脱硝控制策略对上述问题均无对策，一旦某个测点失灵，整个控制系统即处于瘫痪。采用对策问题对策1、被控过程的大滞后特性采用基于大滞后控制理论，如：预测控制技术、相位补偿及状态变量控制技术取代传统的PID控制。2、被控过程的非线性及时变性采用神经网络技术处理被控过程的非线性及时变性。3、部份测量参数失真通过神经网络软测量技术，在线评估测量参数，并采用变结构控制技术，确保即使部份参数失真及在测点维护情况下，控制系统仍能正常投入。4、氨气消耗量大以控制参数和氨气消耗量为综合优化指标，通过优化，确保在NOx排放及脱硝效率都满足环保考核要求下氨气消耗量最小。基于先进技术的脱硝控制方案NOx浓度设定值spNOx氨气流量智能前馈控制器NOx浓度GPC控制器NOx浓度的预测模型氨气流量指令前馈3fNH总给煤量FuSCR入口浓度_NOxin++MWD负荷指令NOx浓度CEMS测量值cemsNOx改进的状态变量控制补偿器氨气流量指令3_NHdAir总风量SCR出口浓度_NOxout+相位补偿网络-MWD负荷指令总给煤量FuAir总风量SCR入口浓度_NOxinSCR出口浓度_NOxout基于在线自学习神经网络技术的脱硝系统模型建立及控制参数的调整总风量SCR入口浓度SCR出口浓度NOx浓度CEMS测量值SCR入口氧量SCR出口氧量氨气流量仪表故障、标定等状态信号基于智能预测的机组AGC运行模式下的特别节氨优化算法负荷指令总给煤量控制模型及参数识别、调整各测量信号的在线评估、智能选择模型输入参数的权重分配PID与GPC调节效果的对比分析PID在k时刻调门不会开大，有可能仍会关小！！！GPC在k时刻调门会开始明显开大，提前动作！012()(1)()(1)(2)ukukkekkekkek123()(1){(),(1),...,(2)}{(1),(2),...,()}{(1),....,()}ukukFekekekFekekeknFekekm～～～～～kk-1k-2e(k)e(k-1)e(k-2)k+1k+2k+3k+ne(k+2)e(k+3)e(k+n)以前时刻未来时刻NOx定值实测的NOx氨气调门开度～～～曲线1曲线2曲线3曲线4PID与GPC调节效果的对比分析kk-1k-2e(k)e(k-1)e(k-2)以前时刻未来时刻NOx定值实测的NOx氨气调门开度PIDkk-1k-2e(k)e(k-1)e(k-2)以前时刻未来时刻NOx定值实测的NOx氨气调门开度GPC相位补偿的控制策略调节器脱硝过程大滞后被控对象相位补偿网络惯性、滞后较小的等效动态对象在保证稳定性的前提下，可加快控制器的动作速度+-NOx排放量状态变量控制策略由SCR脱硝过程模型估计流程中各点NOx参与自动控制NOx1NOx2NOx3NOx4监测点NOxNOx1NOx2NOx3NOx4烟气流量SCR入口ＮＯx氨气调门建立SCR脱硝过程的RBF网络模型hh,cx22cx,......1x2xpx输入层隐层h个节点输出层Tp21,x,,xxx输入向量11,cx...∑xif1iwiw2hiwmi1机组负荷烟气流量脱硝前NOX氨气流量监测点NOXx=[x1，x2，…，xn]T∈Rn为输入向量；φ(·)为径向基函数RBF，一般取为高斯函数φ(x)=exp(－x2/σ2)，‖·‖为欧几里德（Euclidean）范数，cj=[c1j，c2j，…，cnj]T∈Rn为RBF数据中心，φ对中心点径向对称，σj为径向基函数的宽度，wji为第j个基函数输出与第i个输出节点的连接权值，h为隐层节点的数目，输出层有m个节点，i（x）为网络的第i个输出量。应用脱硝过程RBF网络模型SCR脱硝过程的网络模型基于网络模型的NOx数值预估应用１机组负荷烟气流量脱硝前NOx氨气流量选择NOx测量值测点维护判别NOx被控变量NOx预估值基于网络模型控制系统参数调整应用2控制系统的参数自适应调整参数的合理性评价智能前馈控制策略采用了以模糊控制理论为基础的智能前馈控制策略采用智能前馈可以实现：＊模糊控制是模仿人操作行为的一种有效方法。在实际运行过程中，运行人员往往可以根据NOx的偏差及其偏