引言

當(dāng)前,氮氧化物是燃煤發(fā)電機(jī)組污染排放物治理的重點(diǎn)。國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014一2020年)》(發(fā)改能源(2014)20-3號(hào))中明確要求:基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)6.0%條件下氮氧化物的排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為50mg/wm3,對(duì)于新建燃煤發(fā)電機(jī)組,東部地區(qū)應(yīng)基本達(dá)到,中部地區(qū)原則上接近或達(dá)到,鼓勵(lì)西部地區(qū)接近或達(dá)到。

按照國(guó)家環(huán)保管控力度不斷加強(qiáng)的趨勢(shì),可以預(yù)見(jiàn),在不遠(yuǎn)的將來(lái),對(duì)氮氧化物的控制將實(shí)現(xiàn)近零排放,即小于10mg/wm3。

某火電廠1000MM機(jī)組利用機(jī)組調(diào)停時(shí)機(jī),在原脫硝系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)了精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng),以應(yīng)對(duì)脫硝出口氨逃逸率偏高的情況。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),不同負(fù)荷工況下,精準(zhǔn)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(mén)已經(jīng)開(kāi)足,對(duì)應(yīng)分區(qū)NOX濃度依舊偏高:某些噴氨支管調(diào)門(mén)已經(jīng)關(guān)至下限,對(duì)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(dòng)控制設(shè)定值不變的情況下,整體噴氨量增大。噴氨量過(guò)大最終會(huì)造成出口殘氨量升高,局部氨濃度過(guò)量,造成過(guò)高的氨逃逸,增加預(yù)熱器堵塞的風(fēng)險(xiǎn),不利于機(jī)組的長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

通過(guò)調(diào)取相關(guān)自動(dòng)控制邏輯發(fā)現(xiàn),單個(gè)分支噴氨調(diào)門(mén)只對(duì)該對(duì)應(yīng)分區(qū)的出口濃度進(jìn)行調(diào)整,沒(méi)有考慮到氨氣在進(jìn)行脫硝反應(yīng)時(shí)具有一定的擴(kuò)散效果。本文針對(duì)某火電廠1000MM機(jī)組脫硝精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)存在的問(wèn)題,通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,并進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jì)參數(shù)如下:鍋爐采用超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐,型號(hào)為sG-3040/2A.46-M538,單爐膛塔式布置,四角切向燃燒,擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫,平衡通風(fēng),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(jì)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(biāo)態(tài)、6%氧),脫硝層數(shù)按2＋1設(shè)置。通過(guò)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(zhǔn)噴氨系統(tǒng)主要原理如下:測(cè)量脫硝出口不同區(qū)域NOX濃度的分布情況,通過(guò)不同區(qū)域的噴氨支管電動(dòng)調(diào)整門(mén),自動(dòng)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(chǎng)分布更加均勻。

精準(zhǔn)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(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及其分支流量測(cè)點(diǎn),將每側(cè)反應(yīng)器入口設(shè)置成10個(gè)可自動(dòng)調(diào)整噴氨量的分區(qū)。分支電動(dòng)調(diào)節(jié)閥通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)整各分支的噴氨量,分支流量測(cè)點(diǎn)可準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量各個(gè)分支上氨氣與稀釋風(fēng)的混合流量。通過(guò)遠(yuǎn)程控制各分區(qū)噴氨單元,實(shí)現(xiàn)前后左右不同脫硝進(jìn)口煙氣流場(chǎng)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(gè)脫硝出口的煙道標(biāo)高約37m位置,兩側(cè)原5個(gè)手動(dòng)測(cè)量取樣孔附近,各增開(kāi)5個(gè)在線測(cè)量孔,布置位置和分區(qū)與噴氨支管一一對(duì)應(yīng),劃分相應(yīng)的10個(gè)分區(qū),具體編號(hào)與噴氨分區(qū)一一對(duì)應(yīng)。為了使煙氣樣本更準(zhǔn)確、更具有代表性,在每個(gè)分區(qū)在線測(cè)量孔中設(shè)置了3個(gè)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(guò)過(guò)濾后在探頭內(nèi)部進(jìn)行高溫混合,然后送入測(cè)量裝置中。

該測(cè)量系統(tǒng)具有均勻混合與分區(qū)巡測(cè)取樣的功能。通過(guò)該測(cè)量裝置,可以將10個(gè)取樣口抽取的煙氣均勻混合,測(cè)量出脫硝出口煙道全截面的N0C濃度數(shù)值:也可以單獨(dú)分別巡回測(cè)量不同分區(qū)的N0C濃度,每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為90s,10個(gè)測(cè)點(diǎn)巡回測(cè)量時(shí)間為20min。同時(shí)設(shè)置了自動(dòng)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(yàn)及該系統(tǒng)本身調(diào)整特性,編制噴氨支管實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整策略,設(shè)置自動(dòng)算法工控機(jī)一臺(tái),雙網(wǎng)卡串口服務(wù)器的通信配置,實(shí)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(yàn)

選取600Mw負(fù)荷的穩(wěn)定工況進(jìn)行分支噴氨調(diào)整試驗(yàn),具體流程如下:各分支噴氨調(diào)門(mén)在全開(kāi)時(shí),通過(guò)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(yàn)

(1)將01分支噴氨調(diào)門(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)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(guò)該調(diào)整試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn),當(dāng)單一支管?chē)姲绷繙p小時(shí),該對(duì)應(yīng)脫硝出口分區(qū)NoX濃度也會(huì)隨之上升,上升幅度約在15mg/Nm3,且發(fā)散性向周?chē)謪^(qū)擴(kuò)散:距離越遠(yuǎn),影響幅度越小。

2.2多支噴氨量變化組合調(diào)整試驗(yàn)

(1)將01、02、03分支噴氨調(diào)門(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)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(guò)該調(diào)整試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn),當(dāng)多個(gè)支管?chē)姲绷髁客瑫r(shí)減小時(shí),這些對(duì)應(yīng)脫硝出口分區(qū)NoX濃度會(huì)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?chē)謪^(qū)擴(kuò)散:距離越遠(yuǎn),影響幅度越小。

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制算法

通過(guò)上述試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn),調(diào)整分支噴氨量,對(duì)應(yīng)脫硝出口分區(qū)No王濃度變化最大,且呈發(fā)散性對(duì)附近的分區(qū)產(chǎn)生影響。因此引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制算法,對(duì)各噴氨支管調(diào)門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,如圖7所示。

具體控制算法如下:各噴氨支管調(diào)門(mén)開(kāi)度通過(guò)主調(diào)節(jié)器與多項(xiàng)副調(diào)節(jié)器共同控制,通過(guò)摸底試驗(yàn)決定主、副調(diào)節(jié)器內(nèi)部的各項(xiàng)整定參數(shù)。

下面通過(guò)05噴氨支管調(diào)門(mén)自動(dòng)控制算法舉例說(shuō)明。

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

主調(diào)節(jié)器控制算法:編號(hào)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(mén)的變化值。

該比例系數(shù)通過(guò)摸底試驗(yàn)決定,一般整定為0.8:同時(shí)為了更好地響應(yīng)鍋爐工況變化,該比例系數(shù)須經(jīng)過(guò)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(cè)點(diǎn)波動(dòng)較大、測(cè)量精度較低,故選取鍋爐負(fù)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(fù)荷)

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

舉例說(shuō)明:如果脫硝出口設(shè)定濃度為40mg/Nm3,當(dāng)負(fù)荷為800Mw時(shí),K5分區(qū)的No王濃度為50mg/Nm3(20min巡回檢測(cè)一次),其對(duì)應(yīng)05調(diào)門(mén)開(kāi)度則立即在原基礎(chǔ)上開(kāi)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(mén)還同時(shí)受多項(xiàng)副調(diào)節(jié)器控制

副調(diào)節(jié)器控制算法:編號(hào)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(mén)的變化值。

該比例系數(shù)相對(duì)主調(diào)節(jié)器較小,通過(guò)摸底試驗(yàn)決定,一般整定為0.3左右較合適,同時(shí)接受鍋爐負(fù)荷系數(shù)f(負(fù)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(fù)荷)。

舉例說(shuō)明:如果脫硝出口設(shè)定濃度為40mg/Nm3,當(dāng)負(fù)荷800Mw時(shí),K3分區(qū)No王濃度為50mg/Nm3,其對(duì)應(yīng)05調(diào)門(mén)開(kāi)度則立即在原基礎(chǔ)上開(kāi)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(mén)調(diào)節(jié)時(shí)保證一定的開(kāi)度

主要保護(hù)參數(shù)為SCR區(qū)稀釋風(fēng)流量,總體所有分區(qū)調(diào)節(jié)閥會(huì)保證一定開(kāi)度,以防止SCR區(qū)域稀釋風(fēng)流量過(guò)低導(dǎo)致SCR退出事件發(fā)生。通過(guò)摸底試驗(yàn),各分支噴氨調(diào)門(mén)在60%~100%開(kāi)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(shí)為了防止自動(dòng)控制單元過(guò)調(diào),將分支噴氨調(diào)門(mén)自動(dòng)控制下限設(shè)置為60%。

4結(jié)語(yǔ)

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(shí)均值波動(dòng)下降。同時(shí),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(chǎng)液氨價(jià)格3000元/t計(jì)算,月節(jié)省發(fā)電成本約3萬(wàn)元。自動(dòng)投用率基本達(dá)到100%,極大地減少了運(yùn)行人員的干預(yù)和維護(hù)。

為了檢驗(yàn)精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的改造效果,進(jìn)行了針對(duì)性深度降氮試驗(yàn),通過(guò)改造后的深度降氮試驗(yàn)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(diǎn)已經(jīng)消除,說(shuō)明優(yōu)化后的脫硝精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)能夠在各工況下長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)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(zhǔn)噴氨系統(tǒng)將完全可以滿足該要求。