1、检测技术与仪表,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,4,SCR喷氨脱硝控制现状,2,概述,1,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,双击添加标题文字,双击添加标题文,中国典型燃煤机组的NOx排放情况,600MW及以上机组 380450mg/Nm3 200MW及200MW 6501300mg/Nm3 100MW及以下小型机组 7001800mg/Nm3,2000年 358.02万吨 2002年 520.00万吨 2010年 594.74万吨,中国电力
2、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
3、.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（Selective Catalytic ReductionSCR），选择性非催化还原（Selective Non-catalytic ReductionSNCR）。,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,常用的烟气脱硝技术,利用还原剂在催化剂的作用下
4、，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,8090%；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,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）,选择性催化还原法（SCR）,SCR系统包括,选择性催化还原法（SCR）,SCR系统主要设备,反应器/催化剂系统主要设备：反应器催化剂吹灰器,选择性催化还原法（SCR）,SCR工艺系统反应器
5、,布置方式：一般采用21或31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
6、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,烟气/氨的混合系统主要设备：稀释风机静态混合器氨喷格栅（AIG）空气/氨混合器,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
7、匀混合 NH3/NOx沿烟道截面均匀的分布,SCR的控制系统,一. 控制系统方案 控制系统纳入机组 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),
8、选择性催化还原法（SCR）,锅炉SCR脱硝系统装置的基本流程图,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
9、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（Constant Mole Ratio Control）。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、SC
10、R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
11、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
12、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,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！,PID与GPC调节效果的对比分析,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N
13、Ox,参与自动控制,NOx1,NOx2,NOx3,NOx4,监测点NOx,NOx1 NOx2 NOx3 NOx4,烟气流量,SCR入口x,氨气调门,建立SCR脱硝过程的RBF网络模型,x= x1 ， x2 ，xn TRn 为输入向量；()为径向基函数RBF，一般取为高斯函数(x)=exp(x2/2)，为欧几里德（Euclidean）范数， cj=c1j，c2j，cnjTRn 为RBF数据中心，对中心点径向对称，j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
14、 的网络模型,基于网络模型 的NOx数值 预估,应用,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的偏差及其偏差的变化率来快速调氨气调门的开度，而这种快速操作的思想完全可以也只能通过以模糊控制理论为基础的智能前馈控制器来实现；传统的前馈一旦整定好是固定不变的，智能前馈是根据SC
15、R的实际工况及当时NOx的变化情况来决定加多少前馈量；智能前馈实现了在机组升、降负荷过程中，快速调整氨气调门开度的控制策略。,为节省氨气用量，改变控制目标,传统控制,本例控制,控制装置与特点,“INFIT”与脱硝DCS的连接关系,脱硝系统的DCS,控制指令,INFIT新型脱硝控制策略,通过Modibus通信， 传送所需测点信号,通过Modibus通信， 传送控制指令,南京化工园300MW机组脱硝优化后曲线,SCR入口浓度由134.5mg/NM3快速变化至246.6mg/NM3时，最终烟囱入口的NOx浓度仅由65.3mg/NM3变化至78.6mg/NM3，控制性能非常优秀,华润南热600MW机组脱硝优化后的曲线,NOx浓度始终被控制在设计值10mg/NM3（稳态）和20mg/NM3（大幅变负荷）范围内；在吹扫或标定时，控制系统保持投入。,射阳港600MW机组脱硝优化后,不论是在正常工况下还是启停磨煤机的工况下，烟囱入口NOx浓度控制均非常稳定，最大正向偏差为：+16.0mg/Nm3；最大负向偏差为：-9.2mg/Nm3,
