火電廠脫硝精準噴氨系統(tǒng)的運行分析及優(yōu)化

引言

當前,氮氧化物是燃煤發(fā)電機組污染排放物治理的重點。國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014一2020年)》(發(fā)改能源(2014)20-3號)中明確要求:基準氧體積分數(shù)6.0%條件下氮氧化物的排放質(zhì)量濃度標準為50mg/wm3,對于新建燃煤發(fā)電機組,東部地區(qū)應(yīng)基本達到,中部地區(qū)原則上接近或達到,鼓勵西部地區(qū)接近或達到。

按照國家環(huán)保管控力度不斷加強的趨勢,可以預(yù)見,在不遠的將來,對氮氧化物的控制將實現(xiàn)近零排放,即小于10mg/wm3。

某火電廠1000MM機組利用機組調(diào)停時機,在原脫硝系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)了精準噴氨系統(tǒng),以應(yīng)對脫硝出口氨逃逸率偏高的情況。在運行中發(fā)現(xiàn),不同負荷工況下,精準噴氨系統(tǒng)各分區(qū)出口NOX值不均勻,某些噴氨支管調(diào)門已經(jīng)開足,對應(yīng)分區(qū)NOX濃度依舊偏高:某些噴氨支管調(diào)門已經(jīng)關(guān)至下限,對應(yīng)分區(qū)NOX濃度依舊偏低。這種不均勻性導(dǎo)致了出口NOX濃度整體偏高,在脫硝自動控制設(shè)定值不變的情況下,整體噴氨量增大。噴氨量過大最終會造成出口殘氨量升高,局部氨濃度過量,造成過高的氨逃逸,增加預(yù)熱器堵塞的風險,不利于機組的長周期安全、穩(wěn)定、高效運行。

通過調(diào)取相關(guān)自動控制邏輯發(fā)現(xiàn),單個分支噴氨調(diào)門只對該對應(yīng)分區(qū)的出口濃度進行調(diào)整,沒有考慮到氨氣在進行脫硝反應(yīng)時具有一定的擴散效果。本文針對某火電廠1000MM機組脫硝精準噴氨系統(tǒng)存在的問題,通過實驗進行驗證,并進行分析和優(yōu)化。

1精準噴氨系統(tǒng)簡介

某火電廠是華東電網(wǎng)的主力電廠之一,其1000MM鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)如下:鍋爐采用超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐,型號為sG-3040/2A.46-M538,單爐膛塔式布置,四角切向燃燒,擺動噴嘴調(diào)溫,平衡通風,全鋼架懸吊結(jié)構(gòu),露天布置,干式排渣。該鍋爐脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR),采用熱段/高含塵布置方式,脫硝還原劑采用液氨。在燃用設(shè)計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量、脫硝系統(tǒng)入口NOX濃度為300mg/wm3條件下,脫硝效率不小于80%,脫硝系統(tǒng)出口NOX濃度不大于50mg/wm3(干基、標態(tài)、6%氧),脫硝層數(shù)按2＋1設(shè)置。通過該鍋爐燃燒調(diào)整,燃燒生成的NOX一般能夠控制在200~300mg/wm3。

精準噴氨系統(tǒng)主要原理如下:測量脫硝出口不同區(qū)域NOX濃度的分布情況,通過不同區(qū)域的噴氨支管電動調(diào)整門,自動調(diào)整相應(yīng)區(qū)域的噴氨量,使得不同區(qū)域煙氣與噴氨量等比例混合,從而使得脫硝出口NOX流場分布更加均勻。

精準噴氨系統(tǒng)主要包含脫硝入口分區(qū)噴氨控制單元、脫硝出口矩陣式取樣單元、人工智能算法控制單元三大模塊,如圖1所示。

1.1分區(qū)噴氨控制單元

每根噴氨支管增設(shè)一個電動調(diào)節(jié)閥及其分支流量測點,將每側(cè)反應(yīng)器入口設(shè)置成10個可自動調(diào)整噴氨量的分區(qū)。分支電動調(diào)節(jié)閥通過遠程調(diào)整各分支的噴氨量,分支流量測點可準確實時測量各個分支上氨氣與稀釋風的混合流量。通過遠程控制各分區(qū)噴氨單元,實現(xiàn)前后左右不同脫硝進口煙氣流場分區(qū)的噴氨量調(diào)節(jié),保證各分區(qū)中的氮氧化物與氨氣的濃度相互匹配,從而使脫硝出口N0C濃度分布更加均勻,降低氨逃逸率。

1.2脫硝出口矩陣式取樣單元

在單個脫硝出口的煙道標高約37m位置,兩側(cè)原5個手動測量取樣孔附近,各增開5個在線測量孔,布置位置和分區(qū)與噴氨支管一一對應(yīng),劃分相應(yīng)的10個分區(qū),具體編號與噴氨分區(qū)一一對應(yīng)。為了使煙氣樣本更準確、更具有代表性,在每個分區(qū)在線測量孔中設(shè)置了3個煙氣取樣探頭,探槍取樣口分別位于煙道深度:1m、1.8m、2.6m,如圖2所示。三根探槍收集到的煙氣經(jīng)過過濾后在探頭內(nèi)部進行高溫混合,然后送入測量裝置中。

該測量系統(tǒng)具有均勻混合與分區(qū)巡測取樣的功能。通過該測量裝置,可以將10個取樣口抽取的煙氣均勻混合,測量出脫硝出口煙道全截面的N0C濃度數(shù)值:也可以單獨分別巡回測量不同分區(qū)的N0C濃度,每個測點測量時間為90s,10個測點巡回測量時間為20min。同時設(shè)置了自動反吹功能,防止管道堵塞。

1.3人工智能算法控制單元

根據(jù)調(diào)試人員在脫硝噴氨均勻性調(diào)整上的調(diào)整經(jīng)驗及該系統(tǒng)本身調(diào)整特性,編制噴氨支管實時自動調(diào)整策略,設(shè)置自動算法工控機一臺,雙網(wǎng)卡串口服務(wù)器的通信配置,實現(xiàn)與脫硝DCs系統(tǒng)數(shù)據(jù)、指令通信傳輸。

2分支噴氨調(diào)整試驗

選取600Mw負荷的穩(wěn)定工況進行分支噴氨調(diào)整試驗,具體流程如下:各分支噴氨調(diào)門在全開時,通過調(diào)節(jié)脫硝系統(tǒng)左側(cè)的不同分支噴氨量,記錄脫硝出口左側(cè)各分區(qū)N0C濃度的變化情況。

2.1單一分支噴氨量變化調(diào)整試驗

(1)將01分支噴氨調(diào)門開度由100%關(guān)小至60%,記錄調(diào)整前后脫硝出口各分區(qū)N0C濃度數(shù)據(jù),如圖3所示。

(2)將06分支噴氨調(diào)門開度由100%關(guān)小至60%,記錄調(diào)整前后脫硝出口各分區(qū)NoX濃度數(shù)據(jù),如圖4所示。

通過該調(diào)整試驗可發(fā)現(xiàn),當單一支管噴氨量減小時,該對應(yīng)脫硝出口分區(qū)NoX濃度也會隨之上升,上升幅度約在15mg/Nm3,且發(fā)散性向周圍分區(qū)擴散:距離越遠,影響幅度越小。

2.2多支噴氨量變化組合調(diào)整試驗

(1)將01、02、03分支噴氨調(diào)門開度由100%關(guān)小至60%,記錄調(diào)整前后脫硝出口各分區(qū)NoX濃度數(shù)據(jù),如圖5所示。

(2)將07、08、09分支噴氨調(diào)門開度由100%關(guān)小至60%,記錄調(diào)整前后脫硝出口各分區(qū)NoX濃度數(shù)據(jù),如圖6所示。

通過該調(diào)整試驗可發(fā)現(xiàn),當多個支管噴氨流量同時減小時,這些對應(yīng)脫硝出口分區(qū)NoX濃度會隨之上升,上升幅度明顯比單支噴氨流量變化影響大,約在

22mg/Nm3,且發(fā)散性向周圍分區(qū)擴散:距離越遠,影響幅度越小。

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動控制算法

通過上述試驗可發(fā)現(xiàn),調(diào)整分支噴氨量,對應(yīng)脫硝出口分區(qū)No王濃度變化最大,且呈發(fā)散性對附近的分區(qū)產(chǎn)生影響。因此引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動控制算法,對各噴氨支管調(diào)門進行實時調(diào)整,如圖7所示。

具體控制算法如下:各噴氨支管調(diào)門開度通過主調(diào)節(jié)器與多項副調(diào)節(jié)器共同控制,通過摸底試驗決定主、副調(diào)節(jié)器內(nèi)部的各項整定參數(shù)。

下面通過05噴氨支管調(diào)門自動控制算法舉例說明。

3.1Q5噴氨支管調(diào)門主要由Q5主調(diào)節(jié)器控制

主調(diào)節(jié)器控制算法:編號K5分區(qū)的No王濃度與設(shè)定濃度的偏差乘以一定的比例系數(shù),即為05噴氨支管調(diào)門的變化值。

該比例系數(shù)通過摸底試驗決定,一般整定為0.8:同時為了更好地響應(yīng)鍋爐工況變化,該比例系數(shù)須經(jīng)過系數(shù)f修正,f選取單側(cè)脫硝入口煙氣量為優(yōu),但考慮到該測點波動較大、測量精度較低,故選取鍋爐負荷作為

參考,如圖8所示。

圖8 主調(diào)比例參數(shù)修正系數(shù)一f(負荷)

最終05的變化值為:(K5分區(qū)濃度-設(shè)定濃度)×0.8×f(負荷)。

舉例說明:如果脫硝出口設(shè)定濃度為40mg/Nm3,當負荷為800Mw時,K5分區(qū)的No王濃度為50mg/Nm3(20min巡回檢測一次),其對應(yīng)05調(diào)門開度則立即在原基礎(chǔ)上開啟6.7%,然后再次等待接收下一次指令。

3.2Q5噴氨支管調(diào)門還同時受多項副調(diào)節(jié)器控制

副調(diào)節(jié)器控制算法:編號K3、K4、K6、K7、K8分區(qū)的No王濃度與設(shè)定濃度的偏差乘以一定的比例系數(shù),即為05噴氨支管調(diào)門的變化值。

該比例系數(shù)相對主調(diào)節(jié)器較小,通過摸底試驗決定,一般整定為0.3左右較合適,同時接受鍋爐負荷系數(shù)f(負荷)的修正。

最終05的變化值為:(K5分區(qū)濃度-設(shè)定濃度)×0.3×f(負荷)。

舉例說明:如果脫硝出口設(shè)定濃度為40mg/Nm3,當負荷800Mw時,K3分區(qū)No王濃度為50mg/Nm3,其對應(yīng)05調(diào)門開度則立即在原基礎(chǔ)上開啟2.5%,然后再次等待接收下一次指令。

K4、K6、K7、K8同理。

3.3支管調(diào)門調(diào)節(jié)時保證一定的開度

主要保護參數(shù)為SCR區(qū)稀釋風流量,總體所有分區(qū)調(diào)節(jié)閥會保證一定開度,以防止SCR區(qū)域稀釋風流量過低導(dǎo)致SCR退出事件發(fā)生。通過摸底試驗,各分支噴氨調(diào)門在60%~100%開度范圍內(nèi)變化,能滿足該脫硝系統(tǒng)惡劣工況下的調(diào)節(jié)需求:同時為了防止自動控制單元過調(diào),將分支噴氨調(diào)門自動控制下限設(shè)置為60%。

4結(jié)語

優(yōu)化后發(fā)現(xiàn),脫硝出口分區(qū)NoX濃度分布比改造前大有好轉(zhuǎn),氨逃逸率總體下降明顯,小時均值波動下降。同時,總體噴氨量也有明顯下降,月耗氨量從88t左右下降到77t左右,按照市場液氨價格3000元/t計算,月節(jié)省發(fā)電成本約3萬元。自動投用率基本達到100%,極大地減少了運行人員的干預(yù)和維護。

為了檢驗精準噴氨系統(tǒng)的改造效果,進行了針對性深度降氮試驗,通過改造后的深度降氮試驗可發(fā)現(xiàn),脫硝出口分區(qū)NoX濃度分布比改造前大有好轉(zhuǎn),氨逃逸率總體下降明顯,在0.76mg/m3(1ppm)左右。最重要的是,原氨逃逸率較高點已經(jīng)消除,說明優(yōu)化后的脫硝精準噴氨系統(tǒng)能夠在各工況下長期安全穩(wěn)定運行。如果日后環(huán)保管控要求煙囪出口NoX濃度小于30mg/Nm3,優(yōu)化后的脫硝精準噴氨系統(tǒng)將完全可以滿足該要求。