一种烟气SNCR脱硝过程中还原剂流量的控制方法技术领域
本发明涉及一种脱硝还原剂的计算方法和控制技术，特别是应用于水泥熟料生产线、热电锅炉、燃煤锅炉的选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)烟气脱硝的还原剂的计量方法，属于环境保护和化学工程自动化控制领域。
背景技术
SNCR烟气脱硝技术是指在无催化剂的作用下，在合适的温度窗口内喷入还原剂，将烟气中的氮氧化物还原为没有危害的水和氮气，是国内外水泥炉窑、热电锅炉、燃煤电厂烟气脱硝工程中的运用最为广泛的技术。
专利ZL2014 2 0199444.8中提供了一种水泥熟料生产线SNCR烟气脱硝的还原剂计量与控制技术，该技术的计算基础是利用水泥熟料线窑尾C1级预热器出口第一CEMS、第一氨表和窑尾烟囱第二CEMS、第二氨表的主要参数作为输入量，计量氨水流量。相较于常规的仅在窑尾烟囱配置第二CEMS和第二氨表的数据，计量的及时性和精巧性都得到了大幅提升。
但是，目前的现实情况存在三个问题：第一，由于C1级预热器出口适宜监测点位工况恶劣：烟气温度高达320-350℃，负压可达-6kPa，粉尘高达100g/m3以上(燃煤电厂30g/m3即为高尘)，第一CEMS和第一氨表选型难、造价高，并非所有的熟料线脱硝工程都有配置；第二，即便配置了第一CEMS和第一氨表，由于安装点位恶劣工况，设备故障率高，表计维护工作量大，稍有不善，数据可利用价值不大；第三，实际配置SNCR脱硝系统的企业，无论是水泥熟料生产企业、热电锅炉、燃煤电厂，常规情况都仅仅在窑尾烟囱配置了CEMS和氨表。
总之，SNCR烟气脱硝系统不同于SCR烟气脱硝系统，由于在脱硝系统前没有初始NOx浓度，只能根据窑尾烟囱的烟气参数作为计量依据，而且专利ZL2014 2 0199444.8中为计算氨水流量采用了假定的初始浓度， 一经设定，不再变更，实际运行中，由于工况的变动和运行时间的持续性，工况和燃原料的变化导致初始NOx浓度其实是在不断变化，虽然专利ZL2014 2 0199444.8通过K1温度修正参数、K2氨逃逸修正参数、K3由理论脱硝率和实际脱硝率的比值系统自动生成(E/F)来进行调整，这些微调参数面对大幅度波动时存在调整不及时的问题。
此外，对于个别初始NOx浓度远远超出设计范围(高于1000mg/m3或低于300mg/m3)时，由于调节阀不在最佳开度范围内运作，导致历史曲线出现异常：比如：脱硝后NOx排放浓度已经低于设定目标值，计算的氨水流量仍然高于实际氨水流量，说明原有的修正参数不满足极端工况条件。
有必要寻找新的计算方法，以保证脱硝系统可以全范围覆盖各种可能出现的工况。
发明内容
本发明提供一种烟气SNCR脱硝过程中还原剂流量的控制方法，控制脱硝后实测NOx浓度无限向目标NOx值趋近的同时，实际氨水流通量无限向理论计算值趋近。
一种烟气SNCR脱硝过程中还原剂流量的控制方法，向烟气中喷入氨基还原剂，对烟气进行SNCR脱硝，还原烟气中的氮氧化物，脱硝控制系统中还原剂流量的控制方法包括：
以还原剂为氨水为例，采集烟囱内烟气流量Q和烟囱内氮氧化物浓度(脱硝前为[NOx]1，喷氨后为[NOx]2)，利用公式(1)计算得到还原剂流量计算值SV：
其中：
SV：氨水流量计算值(单位kg/h)；
PV：氨水流量实测值(单位kg/h)，可以通过脱硝控制柜内部的氨水流量计读出，配合流量调节阀，控制实际氨水流通量无限向计算值趋近；
Q：窑尾烟囱烟气流量(单位Nm3/h)；
[NOx]1：初始NOx浓度(单位mg/Nm3)，手动输入,系统默认为 800mg/m3，也可根据实际生产情况在400-1200mg/m3范围内任意赋值。
[NOx]2：实测NOx浓度(单位mg/Nm3)，信号取自窑尾烟囱CEMS，脱硝系统投运后的取值，实测为NO，实测NOx浓度[NOx]2为标干状态下实测NO折算为NO2在10％O2含量下数据。
[NOx]3：目标NOx控制浓度(单位mg/Nm3)，人为输入；根据《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)：若环保监管要求控制NOx排放浓度320mg/Nm3以下，根据调试情况通常设置为220～300mg/Nm3，若环保监管要求控制NOx排放浓度400mg/Nm3以下，根据调试情况通常设置为300～380mg/Nm3；根据《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2013)，设定值比标准排放限值小20-100mg/m3即可，适用于水泥熟料线脱硝工程和燃煤锅炉脱硝工程。
C：氨水质量浓度(wt％)，根据进厂氨水浓度手动输入，浓度15-25wt％；
NSR：氨氮摩尔比；根据目标脱硝率η目标系统自动生成：
将还原剂流量计算值SV代入如下判定公式：
其中，PV：氨水流量实测值，单位kg/h；
通过判定条件，脱硝控制系统自动调整初始NOx浓度[NOx]1，对还原剂流量计算值SV进行调整，让实测NOx浓度[NOx]2不断趋近目标NOx浓度[NOx]3，还原剂实测流量不断趋近于计算流量。
需要人为设定的参数有：初始NOx浓度[NOx]1,[NOx]1的调整增量Δ，目标NOx设定值[NOx]3，均放置在人机互换操作界面上。
本发明通过实测NOx浓度和目标NOx浓度的对比和计算氨水需求量和实测氨水使用量的对比，共同设置了四种工况，正常工况条件下，根据计算公式氨水量自动调整；当运行工况大幅波动或是超出设计范畴时(主要表征为烟气量和NOx浓度)，则会出现判定为异常，系统根据赋予的初始NOx浓度增量，调整初始NOx浓度，并能不停迭代，直至判定工况为正常，实测NOx浓度随目标NOx浓度波动，氨水实际用量与计算用量持续趋近，至动态平衡。
对各假定工况说明如下：
工况一：实测NOx浓度<目标NOx浓度时，系统处于达标运行状态，氨水需求量(计算值)减少，系统通过公式(1)得到的计算流量应该小于实测流量，当实测流量向计算流量靠拢时，实际运行中减少还原剂的用量，节省运行费用。若出现计算值反而大于实测值，说明系统原来设定的初始NOx浓度偏大，因此，系统自动调整初始NOx浓度降低，使还原剂计算流量下降。此判定和计算会不停的迭代，直至判定为正常工况，初始NOx则保持动态稳定，系统调整还原剂的实测流量和计算流量无限趋近，整个系统保持动态稳定。
工况二：实测NOx浓度＜目标NOx浓度时，系统处于达标运行状态，系统通过公式(1)得到的计算流量SV应该小于实测流量PV，所以工况二为正常工况。当实测流量向计算流量靠拢时，实际运行中减少还原剂的用量，节省运行费用。
工况三：实测NOx浓度＞目标NOx浓度时，系统可能会出现超标，此时，理论上氨水需求量(计算值)增加，系统通过公式(1)得到的计算流量SV应该大于实测流量PV，当实测流量向计算流量靠拢时，增加还原剂的用量，保证达标运行。实际运行中若出现计算值SV反而＜实测值PV，说明系统原来设定的初始NOx浓度偏小，此时，通过上述判定条件，系统自动调整初始NOx浓度升高，使还原剂计算流量升高。判定过程和初始NOx浓度赋值过程会不停的迭代，直至判定为正常工况，初始NOx则保持动态稳定，系统调整还原剂的实测流量和计算流量无限趋近，整个系统保持动态稳定。
工况四：实测NOx浓度＞目标NOx浓度时，系统可能会出现超标，此时，理论上氨水需求量(计算值)增加，系统通过公式(1)得到的计 算流量SV应该＞实测流量PV，当实测流量向计算流量靠拢时，增加还原剂的用量，保证达标运行。实际运行若是吻合，初始NOx浓度保持原值，不做变更，系统保持动态平衡。
本发明的方法应用过程中需要手动输入的参数有：NOx初始浓度、NOx目标排放浓度和NOx初始浓度变化增量，输入权限在主操作界面上开放给用户，系统根据设计参数调试情况赋予初始值，用户可以根据实际运行情况在控制面板上人为调整。
初始NOx浓度自动调整增量默认为20mg/m3，在10-50mg/m3范围内可调，权限开放给用户，设置值较大时，调整幅度大，响应快，但是可能会导致频繁调整，系统稳定性不佳，设置值较小时，初始NOx浓度自动调整幅度小，响应慢，系统灵敏性欠佳，水泥企业或是电站锅炉企业可以根据自己的生产工况负荷波动情况进行调整，建议设定值为10mg/m3、20mg/m3、30mg/m3、40mg/m3、50mg/m3，不建议设定过大，否则系统稳定不佳。作为优选，建议增量设置为20-30mg/m3。
初始NOx在脱硝系统退出运行的时候可以获取，脱硝系统投运后则无法获取，可以通过默认为设计值或是调试期间平均值，设定后一般不再调整，通过系统工况判断后自动调整。
目标NOx浓度由于系统负荷的波动，实测NOx浓度应该围绕目标NOx浓度波动运行，为保证脱硝系统稳定可靠达标运行，实测NOx浓度的最大值必须小于标准限值排放标准，因此，一般建议设置目标NOx浓度比标准NOx排放浓度限值小，默认设定值比标准值小30mg/m3，一般在比标准值小20-100mg/m3范围内可调。
所述还原剂为氨水或尿素，本发明中以氨水为例进行说明。
SNCR烟气脱硝技术不同于SCR脱硝，其初始NOx排放浓度在脱硝系统投运后则无法表征，将初始NOx浓度与分解炉/炉膛出口温度、熟料产量等指标关联，通过修正参数进行预判调整，在负荷稳定时运行较为稳定，但是当负荷波动较大或是超出设计范围时，由于对初始NOx浓度的修正幅度偏小，常常会出现控制失灵。
本发明提供的SNCR烟气脱硝还原剂用量的计算方法与控制技术，通过本发明所列计算公式求得氨水理论需求量SV，与脱硝控制系统实测氨水流量PV进行比对，联合目标NOx浓度和实测NOx浓度的比对，对工 况进行判定、调整还原剂流量，并能适应工况严重偏离设计值时实现对初始NOx浓度不断进行修正。
本发明中所有烟气参数都送至脱硝控制系统，为实现自动控制，将本发明的还原剂流量计算值SV的计算公式和判定公式编入原有脱硝控制系统，根据计算公式(1)和判定公式，由脱硝控制系统调节还原剂流量阀的开度，以调整还原剂的实测流量无限趋近计算值。
本发明计算与修正方法主要应用于水泥熟料线脱硝工程和燃煤锅炉脱硝工程中。
应用于水泥熟料线脱硝工程时，可以解决技术背景中描述的C1级出口未设置CEMS、修正系数对于初始NOx排放浓度的修正幅度不能满足过低或是过高初始NOx浓度，通过设置判定条件，让初始NOx排放浓度根据工况不断调整，生成新的初始NOx排放浓度并作为输入参数，为保证脱硝系统的稳定性，调整的幅度和频次也是关键，是一种全新的计算方法。应用于燃煤锅炉脱硝工程时，也无需过多的温度参数，只需要基本的烟囱CEMS数据，和脱硝系统还原分配子系统配置的流量计、调节阀，通过PID计算和数据比对实现还原剂的计量与调整。
本发明解决了SNCR脱硝控制系统初始NOx浓度不能实时取值，负荷波动大或超设计范围异常工况调节失灵的技术空白。与现有装置相比，本发明具有的有益效果是：
(1)判定公式中的异常情况说明脱硝系统的主要运行参数已经远远超出设计范畴(初始NOx浓度过大或是过小)，导致系统调控失灵，通过判定和调整，使脱硝控制系统在超出设计范畴后仍能有效调控还原剂用量；
(2)常规计算公式将温度、CO、熟料产量(或是锅炉负荷)等纳入计算公式，作为辅控参数，但是在部分水泥厂或是电厂，这些辅控参数与初始NOx浓度的相关性不明显，特别是交互作用时，主导调控参数不易于辨别，本发明不再将上述参数纳入作为计算公式的修正系数，而是直接通过真实可测的NOx实际排放浓度和NOx目标设定浓度、还原剂计算流量和还原剂实际流量进行比对，若发现控制失灵后，调整初始NOx浓度，判定和调整的过程不断迭代，直到调控处于动态平衡，减少了不确定因素；
(3)关于初始NOx浓度的设定和追踪一直是SNCR烟气脱硝的难点， 本发明通过判定条件的设置，解决了不可测的初始NOx浓度的给定值固定的弊端，让系统始终处于动态平衡。
(4)计算公式不再纳入温度、CO、熟料产量(或是锅炉负荷)等参数，仪表配置可以简化、硬件故障率可以降低，控制失灵的情况也得到了有效解决。
附图说明
图1为水泥熟料生产线SNCR脱硝还原剂控制系统核心硬件设施分布图。
图2为燃煤锅炉SNCR脱硝还原剂控制系统核心硬件设施分布图。
图3为图1和图2中SNCR脱硝还原剂控制系统组成示意图。
图4为实施例1中根据原有的计算公式出现的异常情况图。
图中所示附图标记为：
1-还原剂计量及控制系统 2-还原剂分配柜 3-Pt100温度探头
4-分解炉 5-CO分析仪 6-增湿塔
7-余热锅炉 8-电除尘器 9-生料磨
10-烟囱氨逃逸分析仪 11-烟囱CEMS分析仪 12-烟囱氨逃逸探头
13-烟囱CEMS探头 14-窑尾烟囱 15-锅炉
16-省煤器 17-SCR反应器 18-空预器
19-除尘器 20-脱硫塔
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
【实施例一】
如附图1所示，规格为日产5000t熟料生产线分解炉的SNCR脱硝还原剂计量系统，采用氨水作为还原剂。分解炉设置有Pt100温度探头、C1级预热器出口设置有CO分析仪，信号送至脱硝系统，其脱硝控制系统组成图如图3所示。
脱硝装置建设前，出于环保监管要求，设置有烟囱CEMS，烟气指标有：烟气流量、NOx、SO2、粉尘、温度、湿度、O2。进行SNCR烟气脱硝改造时，烟囱CEMS采样探头的同层平台增设烟囱氨逃逸检测仪，所有 烟气参数都送至脱硝控制系统。
氨水用量计算输入参数有：烟囱CEMS的烟气流量(425681Nm3/h)、NOx初始浓度业主根据设计参数和调试情况手动输入(系统给定默认值为550mg/Nm3)；手动输入脱硝后目标NOx控制浓度(实施地执行《水泥工业大气污染排放新标准(GB4915-2013)》排放限值标准，NOx排放浓度限值400mg/m3，手动设置目标NOx排放浓度为370mg/Nm3。
根据原有的计算公式，可能出现图4所示的异常情况，目标NOx浓度设定为370mg/m3，实测NOx为257.4370mg/m3，实测氨水量SV为197.4370L/h，氨水计算量为216.8L/h，根据逻辑，实测NOx浓度＜目标NOx浓度，氨水的计算量SV应该小于实测值PV，与工况一的异常状况吻合。其原因主要在于：初始NOx浓度一经输入不再变更，停脱硝系统后，发现初始NOx浓度在360-580mg/m3，远远小于设计初始NOx浓度800mg/m3和初始设定的NOx浓度650mg/m3，以至于实测NOx浓度已经小于目标NOx浓度后，系统计算出的氨水理论需求量SV反而大于实测流量，以至于系统失灵。
采用本发明的计算方法后，人为输入初始NOx浓度增量为25mg/m3，通过计算方法附属的判定条件，初始NOx浓度不断调整，直至降低到480mg/m3时，计算值SV＜实测值PV，阀门开度减小，调控恢复正常，避免了氨水的无效投加。
正常工况相对较多，则不予图示。
【实施例二】
如附图2所示，规格为130吨/小时的循环流化床锅炉(CFB)的SNCR脱硝还原剂计量系统，采用氨水作为还原剂。炉膛省煤器处设置有Pt100温度探头和CO分析仪，信号送至脱硝系统，其脱硝控制系统组成图如图3所示。
脱硝装置建设前，出于环保监管要求，设置有烟囱CEMS，烟气指标有：烟气流量、NOx、SO2、粉尘、温度、湿度、O2。进行SNCR烟气脱硝改造后，烟囱CEMS采样探头的同层平台增设烟囱氨逃逸检测仪，所有烟气参数都送至脱硝控制系统。
氨水用量计算输入参数有：烟囱CEMS的烟气流量(165681Nm3/h)、 NOx初始浓度业主根据经验手动输入(默认为250mg/Nm3)；手动输入脱硝后目标NOx控制浓度(实施地执行《火电厂大气污染排放新标准(GB13223-2011)》特别排放限值标准，NOx排放浓度限值100mg/m3，手动设置目标NOx排放浓度为80mg/Nm3，由此可以计算出理论脱硝率为68％，控制系统将自动生成对应的NSR＝1.8，系统能有效实现氨水流量调节和初始NOx浓度变化。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。