CN105597538B - 一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法及其控制装置，它通过设置原位实时测点测定相应参量，依托脱硝装置催化还原反应的实际特性，主要计算烟气量及污染物浓度变化时流至氨喷入区域时差、氨/空气喷入格栅时差无时差的同步混合，同时以前置的氮氧化物及烟气流速为前馈参量，喷入混和后的氮氧化物及氨浓度为反馈量，合理设定并调节前馈及反馈所点权重，实现烟气中混和后的还原剂与氮氧化物在进入脱硝装置前按设定效率反应，实现各种变化工况幅度及剧烈程度下的快速、及时及氨/氮等当量调节匹配、灵活调控，解决对脱硝装置及机组等带来的不利影响问题，对促进污染减排具有重要作用。

Description

一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法及其控制装置
技术领域
本发明涉及火电机组或锅炉烟气中选择性催化还原脱硝技术领域的还原剂加入控制技术领域，具体涉及一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法及其控制装置。
背景技术
火电机组及水泥钢铁行业中选择性催化还原法烟气脱硝是应用最为广泛的脱硝技术，具有脱硝效率高、二次污染小等系列优点，从而目前国内外普便采用。但是，随着环保标准要求的越来越高，以及公众对环境要求越加严格，对原有烟气脱硝系统提出了更高要求。
烟气脱硝系统中的高温烟气受燃料特性、燃煤方式等的影响较大，导致脱硝装置入口处烟气波动剧烈且波动幅度较大，尤其是火电机组快速升降负荷、磨机切换等运行工况变化，以及不同批次煤质不同而在燃烧时配风、燃煤器摆角等来不及调整时，热力型及燃料型甚至快速型三种不同方式产生的氮氧化物变化极大，常规的还原剂加入方法因具有浓度变化不可预测性、反应延迟滞后以及采样测试时差导致喷氨不匹配等问题，导致氮氧化物控制极不稳定，或排放不满足环保要求，或采取过量喷氨时对脱硝催化剂、空预器等安全性、经济性及环保方面带来严重不利影响。
发明内容
为解决污染物浓度或烟气量大幅度及剧烈波动等变化及常规升降负荷等变化时，还原剂加入与其变化不能及时匹配控制的问题，同时实现还原剂氨气与氮氧化物按摩尔量比值控制，减少常规控制方法中的大延迟和粗线条控制，本发明提供一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法及其控制装置。
本发明采用如下技术方案：
一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，包括如下步骤：
步骤一：锅炉来烟气经省煤器换热装置降温至脱硝反应活化温度后，其分别流经原位式在线烟气分析测点A、烟气流速流量测试点，与来自脱硝还原剂的氨气/空气混合气，经氨还原剂调节阀调节加入量后喷入单组喷氨格栅，经与烟气混合后流经下游原位式在线烟气分析测试点B，进入典型布置的三层催化剂层脱硝主装置，发生催化还原反应的处理后净化烟气，经过在线烟气分析测试点D，烟气流出并进入下游方向；
步骤二：计算锅炉烟气流经原位式在线烟气分析测点A断面至喷氨格栅断面沿烟气流方向距离之间形成的时间差T1，计算氨气/空气混合气从调节阀到喷氨格栅分支管距离之间形成的时间差T2，T1不小于T2；
步骤三：原位式在线烟气分析测点A和烟气流速流量测试点二者在线实时同步测量，其中原位式在线烟气分析测点A同时进行氮氧化物浓度和氧量摩尔浓度测试，并根据测得的氮氧化物及氧量摩尔浓度值，折算至与原位式在线烟气分析测试点B、在线烟气分析测试点D同一个设定氧量基准水平下的氮氧化物摩尔浓度，同时在烟气流速流量测试点位置测试烟气流速并依据脱硝烟气管道截面积计算烟气流量，将折算后烟气中氮氧化物浓度与烟气流量相乘后的积即为脱硝反应前的锅炉烟气中氮氧化物污染物总量，依据脱硝入口总污染物量的实时变化，烟气中的污染物流至单组喷氨格栅时与氨气经调节阀调节后喷入烟道断面上二者无时差相遇后进行混和控制；
步骤四：原位式在线烟气分析测试点B测试过程不经烟气抽取，经原位测量同时测定烟气混合后的氮氧化物浓度和还原剂氨气浓度，可得到氨气和氮氧化物二者摩尔浓度比值，二者摩尔浓度比值为脱硝效率值；
步骤五：在线烟气分析测试点D为原位式在线测量，同时监测氮氧化物、氧量摩尔浓度以及氨气逃逸浓度，并作为与原位式在线烟气分析测试点B相计算的效率计算显示，不再依据二者进行效率计算后的控制，同时将在线烟气分析测试点D纳入浓度控制反馈，作为以原位式在线烟气分析测试点B中氨气浓度与氮氧化物浓度进行比值控制的补充。
进一步地，为使T1大于T2，，将原位式在线烟气分析测点A和烟气流速流量测试点移至省煤器换热装置上游，对原位式在线烟气分析测点A和烟气流速流量测试点测试出的浓度值及烟气量进行计算、比较处理，同时根据理想气体状态方程进行T1的换算。
进一步地，在线烟气分析测试点D原位式在线测量方式采用常规抽取法测试方式代替。
进一步地，原位式在线烟气分析测点A和烟气流速流量测试点、原位式在线烟气分析测试点B和在线烟气分析测试点D采取多点位原位实时在线测量。
进一步地，原位式在线烟气分析测试点B采用激光法原位测量。
进一步地，原位式在线烟气分析测点A和烟气流速流量测试点、原位式在线烟气分析测试点B和在线烟气分析测试点D测试点数据接入发电机组已有的分散控制系统DCS或PLC控制系统进行数据计算并进行调节控制。
进一步地，一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法的控制装置，包括烟气管道、省煤器换热装置和催化剂层，所述省煤器换热装置和催化剂层将烟气管道依次分为进气烟气管道、脱硝烟气管道和出气烟气管道，所述脱硝烟气管道内依次设置有原位式在线烟气分析测试点A、烟气流速流量测试点、喷氨格栅和原位式在线烟气分析测试点B，所述喷氨格栅与控制加入氨气量的调节阀相连接，所述出气烟气管道上设置有在线烟气分析测试点D。
本发明有益效果：
本发明增加少量测点借用原有控制系统，而通过改变控制方法实现污染物物质的量与还原剂喷入量的无时差匹配，同时依据测点同步测量脱硝反应前的氮氧化物与氨浓度，实现二者按一定摩尔量的设定氨/氮比控制。无时差匹配的前馈控制方法，大大消除了负荷变化、风量变化、浓度变化等各种可控可测或不可控因素带来的烟气量及烟气浓度带来的波动，使前馈信号更靠前，更能实时、真实地反映污染物物质的量的各种变化。氨、氮比控制中，消除了催化剂反应大延迟反应导致的还原剂氨的过喷或欠氨问题，以及测试滞后带来的匹配性低的问题。同时，因尽量采用原位测量，减少了采样带来的控制偏差，优选的多点对穿式激光测试方法可测试对穿区域内的平均值，更具有控制的代表性。本方法操作简单、易于实现，投资较低，控制灵活，可大大降低氨过喷对空气预热器及下游设备带来的不利影响，提高系统的安全性、可靠性及经济性，促进污染减排，具有较大的环保效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例原位式在线烟气分析测试点的断面示意图。
图3为本发明实施例原位式在线烟气分析测点、烟气流速流量测试点测得的数据分析图。
图4为本发明实施例物质量综合值图。
附图中，1-烟气管道、1-1-进气烟气管道、1-2-脱硝烟气管道、1-3-出气烟气管道、2-省煤器换热装置、3-原位式在线烟气分析测点A、4-烟气流速流量测试点、5-喷氨格栅、6-调节阀、7-原位式在线烟气分析测试点B、8-催化剂层、9-在线烟气分析测试点D、10-原位氮氧化物及氨同步测试仪、11-分组喷氨格栅还原剂加入方向。
具体实施方式
如图1所示，一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法的控制装置，包括烟气管道1、省煤器换热装置2和催化剂层8，所述省煤器换热装置2和催化剂层8将烟气管道1依次分为进气烟气管道1-1、脱硝烟气管道1-2和出气烟气管道1-3，所述脱硝烟气管道1-2内依次设置有原位式在线烟气分析测试点A3、烟气流速流量测试点4、喷氨格栅5和原位式在线烟气分析测试点B7，所述喷氨格栅5与控制加入氨气量的调节阀6相连接，所述出气烟气管道1-3上设置有在线烟气分析测试点D9。
(一)从锅炉炉膛内或其中热烟气中排出的热烟气，经省煤器换热装置2降温，于其出口处设置用于测试烟气污染物浓度的原位式在线烟气分析测点A3、氧量测试点，和烟气流速流量测试点4。设置位置需经过计算，使烟气从烟气流速流量测试点4流至单组喷氨格栅5位置时的时差T1在最大负荷工况时不小于从调节阀6至喷氨格栅5分支管之间形成的时间差T2。
T1计算公式如公式(1)所示：
T1＝L1/υ1 (1)
L1---烟气原位式在线烟气分析测点A3断面至喷氨格栅断面沿烟气流方向距离，单位，m(以烟道无变径，忽略烟气温度降及压力降条件时情况)；
υ1---烟气流速流量测点4所测实际烟气流速，单位，m/s。
(二)若原位式在线烟气分析测点A3设置于省煤器换热装置2出口以前，则需根据理想气体状态方程(PV＝nRT)进行换算，具有等径变截面、温度降、压力降不可忽略情况时，烟气从烟气流速流量测试点4流至单组喷氨格栅5位置时的时差T11计算方式如公式(2)所示：
T11＝L1/ν均 (2)
根据理想气体状态方程得出流速计算公式(3)：
υ＝n·R·T/P·S (3)
入、出口流速计算如公式(4)、(5)所示(也可只测其中之一处流速，另一断面经状态方程计算)：
具有温降、压力降、不变或等径变断面面积情况时，平均流速简化计算如公式(6)所示：
ν入、ν出分别为入、出口流速；ν均为平均流速；n、R为常数；T入、T出分别为入、出口温度；P入、P出分别为入、出口压力；S入、S出分别为入、出口断面面积。
(三)氨和空气混合气喷入脱硝系统时差计算如公式(7)所示：
Q---稀释风总风量，m3/h；
S---截面面积，m2(当为变径或具有分支管时分别分段计算)；
L2---从调节阀至喷氨格栅分支管距离，m(分支管内流速可按各分支流量平衡时进行平均流速计算)
注：以上计算中，因气氨与稀释空气量占比较小，忽略加入气氨时的气体体积。
(四)氨/氮比控制测试及计算
为及时快速反映由喷氨位置加入的氨气与烟气中氮氧化物的实时混和状况，原位式在线烟气分析测试点7位置一般采用原位测量方式及装置，其断面示意图如图2所示。
图2中，1为典型的近、中、远端对穿式测试方式，分别对应近、中、远端的喷氨调节各组单元，一般采用激光对穿式，则可以利用尽量少的测试装置实现此段区域的各污染物及还原剂的平均值，以节省投资。此外，上述各测点仪表同时进行氮氧化物及氨浓度的测试，一般采用原位式激光调制方式，根据氮氧化物及氨的特征光谱进行数据表征。若采用典型原有的抽取式烟气在线监测装置，则需在烟气测试仪表端加装氨浓度测试模块或单元，同时加大烟气抽取量以缩减测量时间。
上述喷氨后，在其烟气流向的下游尽量短的且可以混合均匀的位置，布置相应的测点后，测得的氮氧化物和氮浓度同时采集，可以同时采集氧含量进行折算，也可不需采集氧气含量(因为是同时测试的同等氧浓度，可直接进行二者污染物浓度的比值计算)，对混和后的氮氧化物和氨气浓度(单位一般为ppm)进行数据计算，按效率或出口浓度进行控制。
按脱硝效率进行控制时，脱硝效率计算公式如(8)所示：
CNH3/Cnox≈η (8)
其中CNH3、Cnox分别为氨气及氮氧化物浓度，一般为ppm，η为脱硝效率。因为一般出口氨逃逸浓度较小，且受测试准确度影响，可忽略氨逃逸浓度影响，对于氨逃逸浓度测试较准确时的计算，需将氨逃逸浓度纳入效率控制计算，即在CNH3基础上喷入浓度需加上氨逃逸值，以保证参加反应的氨还原剂的充足，对于其他尿素制氨系统同样适用。
按出口浓度进行控制时(在设计处理能力范围内时)，出口浓度计算公式如(9)所示：
C出＝(1-η设计)·C入 (9)
同时监测CNH3·slip(氨逃逸浓度)不得超过设计值，一般为不超过3ppm。
或是直接按浓度比值进行比例调节控制，当氨逃逸浓度超过一定值时，即超过设计处理能力或催化剂活性寿命下降时，需进行催化剂维护或进行加入量的管理。
尤其以上按氨与氮氧化物比值控制时，即按效率进行控制时不满足排放标准情况下，多喷入氨量后测试出的浓度控制应为：
C排放标准-C入·η设定≥0同时CNH3/CNOX混≤1
(五)脱硝装置效率计算公式如(10)所示：
η实际测试＝1-C出实测/C入实测 (10)
公式(10)为实际测试的脱硝效率计算，其以在线分析烟气测点9出口和原位式在线分析烟气测点7入口的实测为准，但由于氮氧化物及氨在脱硝催化剂中的吸附等滞后效应，所测得的C出实测一般要较入口实时在线测出的值晚较多，故一般不以其进行控制，仅以其显示或辅助控制的补充。
一般进行原位式在线分析烟气测点7同时测定的氮氧化物与氨浓度计算的氨/氮摩尔比计为设定脱硝效率，实际测试值作为比较和补充。
(六)还原剂加入控制方法及实现
1)以上述步骤(三)为基础首先计算出时差T2，当T2较大时可适当将氨气调节阀6移至靠近氨/空气混和器，以尽量缩短时差T2时间，一般情况下T2不大于10秒。
2)以上述步骤计(一)或(二)计算的时差T1，设置原位式在线分析烟气测点3、烟气流速流量测试点4安装位置，至少使T1≥T2，且尽量使原位式在线分析烟气测点3、烟气流速流量测试点4位置尽量靠前，以为判断及分析原位式在线分析烟气测点3、烟气流速流量测试点4的浓度或烟气量变化趋势进行分析，为加氨调节提供尽可能长的前馈时间。
3)对原位式在线分析烟气测点3、烟气流速流量测试点4进行数据分析，对其数据增减幅度及速率进行判断，典型趋势图如图3所示。
图3中，表征5秒前、4秒前、3秒前、2秒前及1秒前，各时间内烟气浓度及烟气流速(乘以面积为流量)时的二者情况，以秒计时，可实时反映烟气污染物浓度及烟气量的变化情况。对于其变化情况，可按绝对值也可按斜率进行不同秒数前的分析，典型方法为5秒内的移动平均值判断当前点与5秒前平均值是增加还是减少，当其量超过设定值时，则反馈以前馈信号参与喷氨量的前馈控制。上述两个参量可分别进行反馈，也可综合反馈。
4)以综合信号进行前馈控制实现(此方法为主)如图4所示
实际控制时以本步骤为主，即以浓度值×烟气量的乘积(烟气污染物与烟气量相乘的物质的量简化值，如上述步骤3中的数据)为主要控制方式，可大大消除由于单个因素变化而另一个因素不变甚至减少时的控制上的反方向调节问题。如：机组进行升负荷前，先增加风量，后增加煤粉量，此时由于风量增加时短时间内烟气中氮氧化物浓度不变或变大，单独控制浓度时，其增量不变或远小于实际增量；或由于增加粉量后，氧量相对较低还原性气氛较重，氮氧化物浓度短时下降，按原典型调节方法，可能会因前馈方向错误，减少还原剂的加入量，而此种方法，由于已经增加了风量，即使氮氧化物浓度下降而风量增加可能总物质的量增加，需要真实增加氨还原剂加入量。
5)根据计算的T1与T2差，按等时间无时差喷入还原剂氨，即在阀门调节时间的T2中加入T1-T2时差，高负荷烟气量时T2加入时差较小，低负荷烟气量低时加入时差较大，T1-(T2+ΔT)≈0。使高浓度的烟气中氮氧化物(烟气量也相同)喷入较多量的等比值的还原剂氨，或低浓度的烟气中氮氧化物(烟气量也相同)喷入较少量的等比值的还原剂氨。使其按污染物浓度及烟气量无时差点的同步喷入并混和并进入脱硝装置内，同步发生催化还原反应，使二者完美匹配，以消除原有控制方法中二者总存在较大时差导致过喷或喷入较少问题。
6)以原位式在线分析烟气测点7测试的氨及氮氧化物浓度比值为反馈，进行阀门开度调整，使原位式在线分析烟气测点7测得的二者比值接近于设计的脱硝效率。
7)设定前馈及反馈所点的权重比
根据阀门特性、机组污染物及烟气量变化等特性，合理设计前馈及反馈所占权重比，可以一定比值范围内调整，一般前馈与反馈两部分权重的较优值为3：7---4：6。
8)以在线分析烟气测点9测定的浓度进行浓度或效率微调
在上述前馈及反馈控制的喷氨调节中，以在线分析烟气测点9的折算后浓度为参考进行微调，当实际折算后浓度低于其一定值时，不进行调整，当远低于其值时，适当减少喷氨阀门开度，当高于其值时，适当增加喷氨阀门开度，因测点在线分析烟气测点9所测值与入口相比时差较大，故仅做微调整。当其与上述1)到7)步骤调节比较偏差较大时，需要检查测点、催化剂活性等因素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：锅炉来烟气经省煤器换热装置（2）降温至脱硝反应活化温度后，其分别流经原位式在线烟气分析测点A（3）、烟气流速流量测试点（4）；来自脱硝还原剂的氨气/空气混合气，经氨还原剂调节阀（6）调节加入量后喷入单组喷氨格栅（5）；烟气混合后流经下游原位式在线烟气分析测试点B（7），进入典型布置的三层催化剂层（8）脱硝主装置，发生催化还原反应的处理后净化烟气，经过在线烟气分析测试点D（9），烟气流出并进入下游方向；
步骤二：计算锅炉烟气流经原位式在线烟气分析测点A（3）断面至喷氨格栅（5）断面沿烟气流方向距离之间形成的时间差T1，计算氨气/空气混合气从调节阀（6）到喷氨格栅（5）分支管距离之间形成的时间差T2，T1不小于T2；
步骤三：原位式在线烟气分析测点A（3）和烟气流速流量测试点（4）二者在线实时同步测量，其中原位式在线烟气分析测点A（3）同时进行氮氧化物浓度和氧量摩尔浓度测试，并根据测得的氮氧化物及氧量摩尔浓度值，折算至与原位式在线烟气分析测试点B（7）、在线烟气分析测试点D（9）同一个设定氧量基准水平下的氮氧化物摩尔浓度，同时在烟气流速流量测试点（4）位置测试烟气流速并依据脱硝烟气管道（1-2）截面积计算烟气流量，将折算后烟气中氮氧化物浓度与烟气流量相乘后的积即为脱硝反应前的锅炉烟气中氮氧化物污染物总量，依据脱硝入口总污染物量的实时变化，烟气中的污染物流至单组喷氨格栅（5）时与氨气/空气混合气经调节阀（6）调节后喷入烟道断面上二者无时差相遇后进行混和控制；
步骤四：原位式在线烟气分析测试点B（7）测试过程不经烟气抽取，经原位测量同时测定烟气混合后的氮氧化物浓度和还原剂氨气浓度，可得到氨气和氮氧化物二者摩尔浓度比值，二者摩尔浓度比值为脱硝效率值；
步骤五：在线烟气分析测试点D（9）为原位式在线测量，同时监测氮氧化物、氧量摩尔浓度以及氨气逃逸浓度，并作为与原位式在线烟气分析测试点B（7）相计算的效率计算显示，不再依据二者进行效率计算后的控制，同时将在线烟气分析测试点D（9）纳入浓度控制反馈，作为以原位式在线烟气分析测试点B（7）中氨气浓度与氮氧化物浓度进行比值控制的补充。
2.根据权利要求1所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于：为使T1大于T2，将原位式在线烟气分析测点A（3）和烟气流速流量测试点（4）移至省煤器换热装置（2）上游，对原位式在线烟气分析测点A（3）和烟气流速流量测试点（4）测试出的浓度值及烟气量进行计算、比较处理，同时根据理想气体状态方程进行T1的换算。
3.根据权利要求1所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于：在线烟气分析测试点D（9）原位式在线测量方式采用常规抽取法测试方式代替。
4.根据权利要求1所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于：原位式在线烟气分析测点A（3）和烟气流速流量测试点（4）、原位式在线烟气分析测试点B（7）和在线烟气分析测试点D（9）采取多点位原位实时在线测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于：原位式在线烟气分析测试点B（7）采用激光法原位测量。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法，其特征在于：原位式在线烟气分析测点A（3）和烟气流速流量测试点（4）、原位式在线烟气分析测试点B（7）和在线烟气分析测试点D（9）测试点数据接入发电机组已有的分散控制系统DCS或PLC控制系统进行数据计算并进行调节控制。
7.权利要求1所述的一种基于时差匹配的脱硝还原剂加入控制方法的控制装置，其特征在于，包括烟气管道（1）、省煤器换热装置（2）和催化剂层（8），所述省煤器换热装置（2）和催化剂层（8）将烟气管道（1）依次分为进气烟气管道（1-1）、脱硝烟气管道（1-2）和出气烟气管道（1-3），所述脱硝烟气管道（1-2）内依次设置有原位式在线烟气分析测试点A（3）、烟气流速流量测试点（4）、喷氨格栅（5）和原位式在线烟气分析测试点B（7），所述喷氨格栅（5）与控制加入氨气量的调节阀（6）相连接，所述出气烟气管道（1-3）上设置有在线烟气分析测试点D（9）。
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