火力電站脫硝氨氣氣動調(diào)節(jié)閥選型 上海申弘閥門有限公司 之前介紹化工截止閥在三門峽化工機械應(yīng)用，現(xiàn)在介紹火力電站脫硝氨氣氣動調(diào)節(jié)閥選型中國是一個以煤炭為主要能源的國家，煤燃燒所釋放出廢氣中的氮氧化物(NOx)，是造成大氣污染的主要污染源之一。氮氧化物(NOx)引起的環(huán)境問題和人體健康的危害主要有以下幾方面：
(1)NOx對人體的致毒作用，主要影響呼吸系統(tǒng)，可引起支氣管炎和肺氣腫等疾病；
(2)NOx對植物的損害；
(3)NOx是形成酸雨、酸霧的主要污染物；
(4)NOx與碳氫化合物可形成光化學煙霧；
(5)NOx參與臭氧層的破壞。
目前，解決環(huán)境保護面臨的巨大壓力已是刻不容緩。
本文針對目前火力發(fā)電廠zui為普遍使用的SCR（選擇性催化還原法）脫硝技術(shù)的的自動化控制領(lǐng)域進行了論述和分析，同時參考國外脫硝方日本三菱、丹麥TOPSOE等技術(shù)資料，結(jié)合山西陽城電廠、山東黃島電廠、大唐長春第三熱電廠等脫硝項目的設(shè)計、施工、調(diào)試以及試運的經(jīng)驗從工程應(yīng)用角度對脫硝控制系統(tǒng)配置方案、調(diào)節(jié)原理等進行了探討。
序號 | 商品名稱 | 規(guī)格 | 材質(zhì)（參數(shù)） | 1 | 脫硝SCR噴氨調(diào)節(jié)閥 | ZAJDHTP DN25 150磅 | 1Cr18Ni9Ti | 2 | 脫硝氨區(qū)儲罐出口調(diào)節(jié)閥 | AHDLTS DN25 300磅 | 1Cr18Ni9Ti |
二、火力電站脫硝氨氣氣動調(diào)節(jié)閥選型脫硝技術(shù)介紹
NOx生產(chǎn)機理
●熱力型。空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成，在溫度低于13000C時，幾乎不產(chǎn)生熱力型NOx；
●燃料型。燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成；
●快速型。燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團反應(yīng)生成。在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5%：
降低NOx排放主要有兩種措施。一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術(shù)；二是對生成的NOx進行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。
在眾多的煙氣脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率zui高，其NOx的脫除率可達到80—90%，已成為目前國內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。
1、SCR脫硝技術(shù)原理及流程
SCR技術(shù)是還原劑（NH3.尿素）在催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H20，而不是被02所氧化，故稱為“選擇性"。主要反應(yīng)如下：
4NH3+4NO+ 02—} 4N2+6H20
4NH3+2N02+02—} 6N2+6H20
SCR系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)室、氨儲運系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)及相關(guān)的測試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是脫硝反應(yīng)器，有水平和垂直氣流兩種布置方式。在燃煤鍋爐中，煙氣中的含塵量很高，一般采用垂直氣流方式，如圖1所示。
| | 客戶名稱 Customer | 大唐呼圖壁熱電廠 | 項目名稱 PROJECT |
| | 脫硝氨氣氣動調(diào)節(jié)閥選型表 | 計劃號 |
| 交 貨 期 Delivery |
| | 合同號 CONT.NO |
| | 表式號 | MXS 02 | 調(diào)節(jié)閥技術(shù)規(guī)格書 SPECIFICATION FOR CONTROL VALVE | 位 號 Tag No. |
| | 型 號 Model No. | ZAJDHTP | | 頁碼 PAGE |
| 數(shù) 量 Quantity | 1 | | 管道規(guī)格 Piping Size | 57*3 | 材 質(zhì) Material | 閥 體 Body | CF8 | | 管道材質(zhì) Piping Material | 1Cr18Ni9Ti | 閥 芯 Plug | 304 | | 工 藝 條 件 Service Condition | 閥 座 Seat | 304 | | 流體名稱 Fluid Name |
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| 氨氣 | 套 筒 Cage |
| | 流體狀態(tài) Fluid State |
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| 氣體 | 閥 桿 Stem | 2CR13 | | 標準密度 STd. Density (Kg/Nm3) |
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| 執(zhí) 行 機 構(gòu) ACTUATOR | | 氣體摩爾分子量 M.W |
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| 型 式 Type | 氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu) | | 絕熱指數(shù) CP/Cv |
| 型 號 Model. | ADZHB-22 | | 壓縮系數(shù) Comp.Factor |
| 氣源Air Supply (Kgf/cm2)/電源 Elec.supply | 280KPA | | 飽和蒸汽壓 Vapor Press |
| 彈簧范圍 Spring Range(Kgf/cm2) | 0.8-2.4 | | 臨界壓力 Critical Press |
| 行 程 Travel(mm) | 16 | | 運動粘度 Kin Visc |
| 作用型式 Action |
| | 流量單位 Flow Rate Unit | Nm3/h | 定 位 器 POSITIONER |
| | 壓力單位 Pressure Unit | Mpa(G) | 型 號 Model. | 6DRA5010-0DNG0-0AA0 | | 操作工況 OPERATION | zui大 MAX | 正常 NOR | zui小 MIN | 供氣壓力 Air Supply (Kgf/cm2) | 2.8 | | 流 量 Flow Rate | 150 | 93 | 0 | 輸入信號 Input Signal | 4-20mA.DC | | 閥前壓力 Input Pressure | 0.17 | 0.17 |
| 輸出信號 Output Signal | 4-20mA.DC | | 閥后壓力 Outlet Pressure | 0.12 | 0.12 |
| 防爆等級 EXP.Proof | EXiaIICT4 | | 壓 差 Different Pressure | 0.05 | 0.05 |
| 氣源接口 Air Input Connect | NPT1/4" | | 溫 度 Temp. ℃ |
| 常溫 |
| 電氣接口 Electric.Connect | NPT1/2" | | 操作密度 Opera Density (Kg/m3) | 0.76 | 附 件 ACCESSORY |
| | 計算Cv值 Calculate Cv | 3.16 | 2.45 |
| 減壓器 Filter | QFH-261 | | 開 度 Travel (%) | 79.7 | 72.2 |
| 手輪機構(gòu) Hand Wheel | 帶（頂裝） | | 噪 音 Noise Level(dB) | ≤85 |
| ≤85 | 電 磁 閥 Solenoid | 型 號 Model No. | EF8320G174 | | 關(guān)閉壓力 Shut off Pressure |
| 電 壓 Voltage | 24V.DC | | 氣源或電源故障時閥位 Air or power Fail | 失氣關(guān)FC | 防爆等級 EXP.Proof | EXdIIBT4 | | 閥 體 組 件 Valve | 氣源接口 Air Input Connect | NPT1/4" | | 閥體類型 Body Type | 單座閥 | 電氣接口 Electric.Connect | NPT1/2" | | 公稱通徑 Body Size | DN25 | 接線盒 JUNCTION BOX |
| | 公稱壓力 Rating | 150# | 行程開關(guān)Limit Switch | 型 號 Model No. |
| | 閥座直徑 Ports Size | dg25 | 防爆等級 EXP.Class |
| | 額定Cv值 Rated Cv | 10 | 安裝位置 Assembly |
| | 流量特性 Characteristic | 等百分比 | 數(shù) 量 Quantity |
| | 連接形式 Connect Type | 法蘭式 | 空氣配管 Air Piping(Tube) | Φ6 | | 法蘭密封面形式 Flange Type | FM | 空氣配管材質(zhì) Air Piping Mate. | 不銹鋼管 | | 泄漏等級 Leakage Class | V級 | 其它附件 Other ACCESSORY | 保位閥 Pneu. Retaining |
| | 上蓋型式 Bonnet Type | 標準型 | 繼動器 Booster |
| | 填 料 Packing | 柔性石墨 |
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| | 流 向 Flow To Open/Close | 流開 |
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| | 備注：zui小流量應(yīng)控制在10Nm3/h以下 | 編 制 PREP. |
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| | 校 對 CHK. |
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| | 顧客確認 REV. |
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| | 日 期 Date. |
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2、SCR運行中的主要主要影響因素
在SCR系統(tǒng)設(shè)計中，zui重要的運行參數(shù)是煙氣溫度、煙氣流速、氧氣濃度、S03濃度、水蒸汽濃度、鈍化影響和氨逃逸等。煙氣溫度是選擇催化劑的重要運行參數(shù)，催化反應(yīng)只能
三、脫硝控制系統(tǒng)的設(shè)置方案
1．脫硝系統(tǒng)控制范圍及自動化水平
熱工自動化范圍包括鍋爐側(cè)SCR反應(yīng)器區(qū)域的煙氣脫硝裝置及脫硝公用系統(tǒng)（常見的液氨系統(tǒng)包括液氨儲罐、蒸發(fā)槽、緩沖罐等）的儀表及控制系統(tǒng)。對于脫硝控制系統(tǒng)，其主要的組成部分有：
●脫硝分散控制系統(tǒng)DCS/或可編程邏輯控制器PLC控制系統(tǒng)
●脫硝檢測儀表及執(zhí)行機構(gòu)
●脫硝煙氣成分在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)
脫硝控制系統(tǒng)自動化水平應(yīng)與整個電廠控制系統(tǒng)設(shè)計相協(xié)調(diào)，滿足安全、可靠和“無人值守、定其目巡檢"的能力，脫硝系統(tǒng)的控制通常情況下在單元控制室內(nèi)完成，通過機組DCS操作員站完成對脫硝裝置的啟／停控制、正常運行的監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理和故障診斷。
脫硝工藝系統(tǒng)根據(jù)其特點，一般采用與單元機組DCS硬件一體化的控制設(shè)備。
2．控制系統(tǒng)簡介
隨著電子信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)無論從硬件體系、軟件體系還是控制策略都發(fā)生了質(zhì)的變化。目前電廠主機組控制系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)DCS，輔機控制主要采用可編程控制器PLC。脫硝系統(tǒng)作為電廠一個子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)應(yīng)采用同全廠控制系統(tǒng)水平一致的硬件和軟件。
3．脫硝控制系統(tǒng)配置方案分析
(1) SCR脫硝裝置的布置特點及控制系統(tǒng)配置方式的選擇
通常脫硝系統(tǒng)的由兩部分組成：SCR脫硝反應(yīng)器部分以及脫硝系統(tǒng)吸收劑的制備系統(tǒng)。SCR脫硝反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間；脫硝系統(tǒng)吸收劑的制備系統(tǒng)布置在鍋爐及汽機房以外的廠區(qū)場地內(nèi)，距離單元機組電子設(shè)備間較遠。
根據(jù)SCR系統(tǒng)的布置及工藝特點，脫硝裝置的控制通常采用同單元機組DCS相同的硬件，并采用遠程站或遠程I/O的方式直接接入單元機組DCS。
(2)脫硝控制系統(tǒng)配置方案分析
脫硝系統(tǒng)放置于鍋爐的尾部煙道上，位于省煤器后，空預(yù)器前，與其他常規(guī)鍋爐設(shè)備構(gòu)成了鍋爐系統(tǒng)，是鍋爐運行重要的組成部分。脫硝系統(tǒng)的控制邏輯與鍋爐設(shè)備一同考慮，便于鍋爐控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。
由于控制方案選取中存在的復(fù)雜性，在方案的選取過程中必須兼顧工藝系統(tǒng)特點、設(shè)備布置特點及DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點來綜合考慮。
根據(jù)電廠運行特點及脫硝系統(tǒng)同鍋爐的關(guān)系，對于兩臺爐的脫硝系統(tǒng)，首先應(yīng)從相對每個鍋爐的獨立性，氨制備系統(tǒng)的公用性的處理方法等幾個方面來考慮控制方式，通常脫硝系統(tǒng)的控制可以考慮以下
三種方式：
① 控制方式一
脫硝SCR區(qū)控制設(shè)直接采用DCS控制站，控制站布置在單元機組電子設(shè)備間內(nèi)，直接連接入主機組DCS。
氨區(qū)控制設(shè)備采用DCS遠程站或遠程I/O，布置在氨區(qū)控制間內(nèi)，通過光纖連入兩臺機組DCS的公用DCS網(wǎng)上。這也是目前各火力發(fā)電廠zui為普遍使用的方式。
通過上述控制方式實現(xiàn)了整個脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制直接在單元機組DCS操作員站上完成。特點是：
a．通過上述控制方式實現(xiàn)了整個脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制直接在單元機組DCS操作員站上完成。
b．脫硝系統(tǒng)對應(yīng)性強，機組單元性好。
c．氨制備系統(tǒng)作為兩爐公用系統(tǒng)連接到主機組DCS公用DCS網(wǎng)上。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰、電纜量節(jié)省顯著。
d．適應(yīng)目前國家對環(huán)保重要程度的要求，脫硝運行同鍋爐關(guān)系更緊密。
e機組運行人員需要對脫硝工藝尤其氨區(qū)特殊性進行掌握。
f．當為脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)和氨區(qū)均采用獨立控制器時，可減少脫硝系統(tǒng)調(diào)整中對主機組運行或調(diào)試的影響。
②控制方式二
脫硝SCR反應(yīng)器部分的控制方式同方式一，對氨區(qū)的控制方式進行變化，考慮到氨介質(zhì)的特殊性，將脫硝氨區(qū)看做電廠輔助車間，對氨區(qū)采用PLC設(shè)備，設(shè)就地簡易控制室，重要信號通過硬接線連入單元機組DCS，氨區(qū)控制納入全廠輔控網(wǎng)，從而減少對機組運行人員的干擾。
在單元機組操作員站上完成脫硝SCR區(qū)域的監(jiān)控，在輔控網(wǎng)上實現(xiàn)脫硝氨區(qū)的監(jiān)控。
② 制方式三
全廠脫硝系統(tǒng)全部按輔助系統(tǒng)考慮，設(shè)立獨立的設(shè)備間及控制室，完成獨立控制，同時為了適應(yīng)電廠自動化水平的要求，脫硝系統(tǒng)納入全廠輔控網(wǎng)，完成全廠輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控。
考慮到同全廠輔控網(wǎng)的連接，通常情況下脫硝控制系統(tǒng)的硬件采用PLC。
方案特點：脫硝系統(tǒng)在運行、維護及檢修上相對獨立，同主機關(guān)聯(lián)性小，便于實施。但鍋爐平臺設(shè)備脫離了主機組控制，系統(tǒng)劃分不夠清晰。 氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)部分 規(guī)格 型號 | 氣動薄膜式 | 氣動活塞式 | 全電子式 | 電動式 | 用 途 | 調(diào)節(jié)、開關(guān) | 調(diào)節(jié)、開關(guān) | 調(diào)節(jié) | 開關(guān) | 彈簧范圍 | 20-100KPa;40-200KPa;80-240KPa | － | － | 氣源/電源 | 0.14,0.25,0.4MPa | 0.4～0.6MPa | 220V.AC 50Hz 380V.AC 50Hz | 220V.AC 50Hz 380V.AC 50Hz | 接 口 | Rc1/4",Rc3/8" | Rc1/4", Rc1/2",Rc3/8" | 配線:2-G1/2 | 配線:2-G1/2 | 作用方式 | 氣開、氣關(guān) | 氣開、氣關(guān)、雙作用 | 電開、電關(guān) | 電開、電關(guān) | 回 差 | ≤1.5% FS | ≤0.8% FS | | 線 性 | ≤2% FS | ≤1% FS | | 允許環(huán)境溫度 | -10～+70℃ | -10～+60℃ | 可選閥門附件 | 電氣閥門轉(zhuǎn)換器,過濾減壓器,電磁閥, 限位開關(guān),保位閥,手動裝置 | 過載單元 | 檢測開度微動開關(guān),電位器 |
主要技術(shù)參數(shù) 公稱通徑 | 1/4" 1/2" 1"或DN8～DN25 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 12 | 15 | 20 | 25 | 額定Kv | 線性 | 0.02 | 0.08 | 0.12 | 0.20 | 0.32 | 0.5 | 0.8 | 1.2 | 1.8 | 2.8 | 4.4 | 6.9 | 11 | 等百分比 | - | - | - | - | - | - | - | - | 1.6 | 2.5 | 4 | 6.3 | 10 | 額定行程L(mm) | 16 | 膜片有效面積(氣動閥) Ae() | 280 | 固有流量特性 | 線性、修正線性、等百分比 | 固有可調(diào)比 | 50:1 | 允許泄漏量 | 硬密封:Ⅳ級(×Kv);軟密封:Ⅵ級(參見GB/T4213-2008) |
四、SCR脫硝裝置模擬量調(diào)節(jié)原理
根據(jù)脫硝系統(tǒng)工藝流程及特點，主要模擬量調(diào)節(jié)包括：SCR反應(yīng)器氨氣流量控制、液氨蒸發(fā)槽溫度控制、氨氣緩沖槽壓力控制等，其中脫硝模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中zui為重要和核心的控制為SCR反應(yīng)器氨氣流量控制。
SCR反應(yīng)器氨氣流量控制的工藝系統(tǒng)流程如下圖所示：
脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制策略在實施過程中需要對如下幾個問題進行特殊考慮：
a．NOX測量信號存在較長時間的滯后問題
b．NOX在催化劑作用下的時間復(fù)雜性
c．氨氣逃逸率的控制問題
SCR反應(yīng)器氨氣流量控制方式通常有兩種：固定摩爾比控制方式（標準控制方式）、出口NOx定值控制方式。
1、固定摩爾比控制
(1)控制過程
氨氣流量：反應(yīng)器入口煙氣流量×入口氮氧化物濃度×摩爾比
SCR煙氣脫硝系統(tǒng)利用固定的NH3/NOx摩爾比來控制所需要噴入的氨氣量。SCR反應(yīng)器進口的NOx濃度乘以煙氣流量得到NOx信號，該信號乘以所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號，此信號作為給定值送入PID控制器與實測的氨氣的流量信號比較，由PID控制器經(jīng)運算后發(fā)出調(diào)節(jié)信號控制SCR入口氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開度以調(diào)節(jié)氨氣流量。
(2)控制原理
a由于煙氣流量不易于直接準確測量，因此煙氣流量通常是通過鍋爐空氣流量和鍋爐燃燒等數(shù)據(jù)計算得到的（數(shù)據(jù)由機組DCS提供）。由于測量信號存在的滯后性問題，鍋爐空氣流量被用來快速檢測負荷變化。
b．計算出的NOx流量乘以摩爾比是所需的氨氣流量。
摩爾比是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的脫硝效率計算得出的，在固定摩爾比控制方法中為預(yù)設(shè)常數(shù)。
c．凈氨氣的質(zhì)量流量由在氨氣噴射母管測得的體積流量通過溫度和壓力修正后取得。
d．大負荷變化預(yù)噴氨控制
由于脫硝系統(tǒng)存在明顯的NOx反應(yīng)器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后的問題，控制回路中加入大負荷變化預(yù)噴氨氣措施，原理是將煙氣流量信號被用作預(yù)示負荷變化的超前信號（對于負荷變化信號有必要采用一個盡可能迅速的預(yù)測NOx變化的信號。在某些情況下，發(fā)電量需求信號、主蒸汽流量信號等能比煙氣流量信號更迅速的預(yù)測NOx變化）
如果脫硝催化劑反應(yīng)緩慢等原因?qū)е驴刂菩Ч荒芎芎脻M足調(diào)節(jié)要求時，除根據(jù)系統(tǒng)特點調(diào)整調(diào)節(jié)系統(tǒng)從而改變調(diào)節(jié)品質(zhì)外，還應(yīng)從以下幾個方面進行處理：
a．縮短NOx分析儀采樣管以保證即時的檢測響應(yīng)
b．采用能夠靈敏地預(yù)測NOx變化的信號
c．催化劑在NOx變化之前提前吸收足量的氨氣來彌補反應(yīng)滯后
(3)出口NOx定值控制
這種控制方法是保持出口NOx恒定。根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標準，控制反應(yīng)器NOx為定值比控制固定的脫氮效率更容易監(jiān)視，同時氨氣消耗量更少。
出口NOx定值控制方式與固定摩爾比的控制方式在主控制回路上基本相同，與固定摩爾比控制主要的不同之處在于摩爾比是個變值，摩爾比與反應(yīng)器SCR出口NOX值以及鍋爐負荷相相應(yīng)。
控制原理：
主控制回路同固定摩爾比控制方法，僅是將摩爾比作為變量。變化摩爾比輸出控制器原理圖如下：
a．根據(jù)入口NO×實際測量值以及出口NOX設(shè)定值計算出預(yù)脫硝效率和預(yù)置摩爾比。
b．預(yù)置摩爾比作為摩爾比控制器的基準來輸出，出口NOX實際測量值同出口NOX設(shè)定值進行比較通過PID調(diào)節(jié)器的輸出作為修正，zui終確定控制系統(tǒng)當前需要的摩爾比值。
c．摩爾比控制器輸出的摩爾比信號作為固定摩爾比控制回路（見固定摩爾比控制方式的說明）中摩爾比設(shè)定值，控制氨的噴射，從而有效的控制脫硝系統(tǒng)，保證出口NOX穩(wěn)定在設(shè)定值上。
另外，由于受脫硝反應(yīng)器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負荷已確定的條件下，出口NOx濃度也將會波動較長時間，因此當采用固定脫硝裝置出口NOXzui為控制方式時，應(yīng)該考慮對這種波動現(xiàn)象進行補償。
簡而言之，應(yīng)該調(diào)整控制策略和控制參數(shù)確保出口NOx變化可以在一個很短的時間內(nèi)被抑制。
五、結(jié)論
以上對脫硝控制系統(tǒng)在整個火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)中的所處位置的結(jié)構(gòu)特點進行分析的同時也對脫硝氨氣流量控制系統(tǒng)進行了重點闡述。筆者認為脫硝系統(tǒng)作為新近在國內(nèi)大量采用的一項新技術(shù)，在實踐運行中還需要更多的經(jīng)驗積累。本文是筆者根據(jù)親身參與的幾個工程的經(jīng)驗并且結(jié)合國外方的技術(shù)資料做的介紹和分析，還存在一定的理論及經(jīng)驗不足的地方，具體的工程應(yīng)該根據(jù)自身特點進行優(yōu)化，以提高脫硝系統(tǒng)的控制水平，實現(xiàn)更為適合各自電廠的運行管理模式和達到更為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)品質(zhì)。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,
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