基于脫硝系統精細化控制總體思路，本文提出了利用溫度場測量裝置構建二維溫度場，在此基礎上優化PID控制策略，利用溫度場與NOx生成量的耦合關系，使脫硝控制系統能夠適應鍋爐大負荷波動帶來的影響。


1引言

“十二五”期間，根據產業規劃，我國采用的技術路線是:大力普及低NOx燃燒器技術，積極開發和示范空氣分段供給燃燒及時和超細煤粉再燃技術，推進各種煙氣脫硝技術(SCR,SNCR,SNCR/SCR)國產化。預計到2020年，中國將安裝SCR脫硝裝置約有1.5億kW，因此，消化、吸收、研究并創新SCR脫硝技術，在我國有重要的現實意義。

隨著我國環境保護法律、法規和標準的日趨嚴格及執法力度的加大，對采用SCR法脫硝的火力發電廠在確保煙氣排放達標的同時還要增強脫硝系統運行的可靠性、連續性和經濟性，在保證脫硝效率的同時，如何應對機組大負荷波動，如何優化SCR脫硝系統性能，精確而經濟地控制噴氨量、降低氨逃逸是脫硝系統運行面臨的一個難點。

2影響SCR脫硝效率的因素

2.1微觀因素

在既定反應條件下，脫硝反應速率與催化劑微孔的面積和煙氣中反應物濃度成正比，與表面化學反應阻力、外傳質阻力和內傳質阻力成反比。因此增加微孔橫截面積和反應物濃度，減少反應中各類阻力有助于脫硝反應的進行，提高脫硝效率。

可以通過提高氨氣濃度和增加催化劑微孔內表面積的方法減少化學反應阻力;通過改變煙氣流動狀態和提高煙氣溫度，減少層流膜的厚度，有利于減少外傳阻力;通過減少催化劑外表面與微孔內表面積之間的平均距離，增大催化劑微孔內表面積和微孔平均截面積，能夠減少內傳阻力，有效提高脫硝反應速率。

2.2宏觀因素

2.2.1煙氣溫度的影響

當催化劑在煙氣溫度280℃-400℃之間時，煙氣溫度越高，脫硝效率越大，但超過400℃后，脫硝效率隨著溫度升高開始下降。因此為了降低煙溫對脫硝效率的影響，應盡量保持鍋爐工況穩定或采取帶旁路的省煤器來調整脫硝入口煙溫。

2.2.2氨氮比的影響

氨氮比=1.0時能達到95%以上的NO脫除率，并能使NH3的逃逸濃度維持在5×10-6或更小。實際生產中通常是多于理論量的氨被噴射進入系統，造成反應器后煙氣下游氨逃逸超標，氨逃逸是影響SCR系統安全穩定運行的另一個重要參數，燃煤機組一般將NH3的排放控制在2×10-6以下，以減少對后續裝置的堵塞。

2.2.3合理控制噴氨量

噴氨量與煙氣中的NOx含量相對應后，才能保證NOx反應過程中脫硝效率、氨氣逃逸率和催化劑壽命。在鍋爐負荷變化過程中，若氨氣流量與NOx濃度對應，可以有效地避免由于過度噴氨造成的不良后果。

綜上，對SCR系統的優化可以著重從兩方面入手，一是為還原反應創造最佳的條件，通過改善設備結構和提供適宜的溫度場、反應時間;另一方面是在滿足脫硝出口合格的前提下，優化脫硝控制，充分發揮溫度場與NOx生成物的耦合關系，盡可能的減少噴氨量，降低氨逃逸，通過更精準的控制手段來控制噴氨量。

3脫硝系統運行現狀分析

總結國內脫硝控制系統運行情況，對氨氣流量的控制一般采用固定摩爾比控制方式和固定出口NOx濃度控制方式，這兩種控制方式各有自己的控制優勢，但由于負荷的波動、設備運行工況的因素的變化，造成各噴氨點后的氨氣濃度與煙氣濃度并不匹配，從而出現噴氨量增加，局部氨逃逸過大，威脅到煙氣下游設備的安全運行，有研究測試表明，NH3逃逸率達到2ppm，空預器運行半年后其阻力增加30%，NH3逃逸率達到3ppm，空預器運行半年后其阻力增加約50%。一般的SCR自動控制中，以SCR出、入口NOx濃度作為煙氣自動調節的參考參數，但CEMS數據采集具有一定的誤差和滯后性，并且由于SCR反應器內煙氣流速不均，CEMS采樣未必具備代表性，以上因素均會對SCR單閉環自動調節產生反映慢、調節失穩失準等影響。

4基于溫度場的脫硝控制優化思路

4.1溫度場的建立

AGAM型聲波法爐膛溫度場測量系統是一類先進的工業在線二維溫度場全工況實時監測設備，此設備是德國Bonnenberg+Drescher公司多年的科技研究成果，可實現在各種工況下對鍋爐、焚燒爐和各種加熱爐內高溫燃燒氣體溫度的實時連續的全自動測量。

聲波法氣體溫度測量技術通過測量鍋爐內距離已知的一對聲波收發裝置之間一個聲波脈沖的飛行時間，來計算該通道氣體平均溫度。聲學測溫系統可以使用一定數量的收發器形成一個測量網格，從而測量爐內一個水平面的溫度分布情況。

從通道網格測量數據可以計算得到平面二維溫度分布，并使用層析成像算法得到等溫圖。通道溫度、自定義區域溫度值(網格子分區的平均值)、轉換數值(最低、最高溫度，標準偏差，各區間的平均溫度差異)可以顯示在外部控制設備上，用于鍋爐診斷和操作優化。


聲學測量技術是唯一不受輻射影響，也無漂移的高溫爐膛內溫度測量技術。在燃燒性能的控制方面首次的應用是1993年在慕尼黑。在燃煤鍋爐中，AGAM系統用來調整爐內溫度場平衡。采用此溫度場測量和平衡調整的主要好處在于可以提高鍋爐的可用性(減少結渣和腐蝕)，并獲得更高的生產效率。

聲學系統的主要優點是聲學溫度信號的反應速度非?？臁Ｔ?秒內就可以刷新一次二維溫度場分析測量的結果，溫度測量的反應時間比其它傳統的控制信號，例如蒸汽量或O2濃度等，快從半分鐘至幾分鐘。因此，根據不同的鍋爐類型，相對于蒸汽量和O2濃度，使用聲學方法測量爐內溫度時，溫度信號可以更快的傳送至DCS，從而進行基于聲波測溫技術原理的各類燃燒過程優化控制。

4.2控制策略

4.2.1帶有前饋回路的分區串級控制系統

以煙囪入口處的NOx濃度測量值作為調節目標，根據現場試驗結果，脫硝被控對象(NH3流量?煙囪入口處NOx濃度)的響應純延遲時間接近3分鐘，整個響應過程達十幾分鐘，是典型的大滯后被控對象，在此種方式下的控制難度將明顯增加。

為進一步實現噴氨量最優控制，優化控制可以與溫度場測量技術相結合，基于大滯后被控對象的設計思路進行優化，從而有效提前調節過程，獲得更好的控制品質。帶有前饋回路的串級控制系統已可達到一般的控制出口合格的控制目標，但為實現噴氨量更優控制、使得控制目標與環保考核目標相一致，基于溫度場的數據，通過過程數據與NOx生成量的耦合關系，建立起動態模型，以適應控制過程中存在的大滯后延遲問題。

根據溫度場模型預測未來NOx的生成量，并根據實測NOx數據，不斷修正并在當前時刻給出最優的控制量。同時根據鍋爐負荷情況、給煤量、煙氣流量作為溫度場校核因素，提高控制響應時間。

5經濟性分析

采用基于溫度場的脫硝控制技術，可以大幅度提高氨氣的利用率，降低氨氣耗量，以330MW機組例，節省耗氨量10%，年節約液氨費用約為25萬元。SCR自動控制采用優化控制策略情況下，可以提高SCR的最大脫硝效率，預計提高催化劑使用壽命7%;同時由于還原劑的利用率提高，在最優的控制狀態下，可以降低氨逃逸40%，大大減少了對尾部煙道內設備的威脅，降低了因空預器、電除塵腐蝕堵塞造成的維護運營成本。

6展望

節能減排已經成為中國經濟和政治的一項中心任務，針對火電機組節能減排的現實需求，以及鍋爐大負荷變化情況下，爐膛溫度、煙氣量變化對脫硝控制的影響。脫硝的控制技術有望與溫度場測量實現進一步完美結合，以克服以往脫硝控制中受監測手段、負荷變化、數據滯后不良因素的影響，實現噴氨量最優控制，減少SCR出口NOx排放量和氨逃逸量，為火電廠SCR脫硝控制系統邁上一個新的高度。