李志軍
(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司)
2015年環(huán)保部等三部委發(fā)布《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》,進(jìn)一步明確要求:東、中、西部地區(qū)分別于2017年、2018年、2020年前實現(xiàn)超低排放,其中NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于50mg/m3?!熬G水青山就是金山銀山”,國家對環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理越來越重視。近年來,北京周邊及河北地區(qū)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)為不高于30mg/m3,江蘇省發(fā)布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》,在2023年7月1日起,單臺300MW及以上燃煤機(jī)組的顆粒物、SO2、NOx排放濃度限值調(diào)整為5mg/m3、25mg/m3、30mg/m3,未來燃煤電廠煙氣超低排放系統(tǒng)將面臨更加嚴(yán)格的超低排放標(biāo)準(zhǔn),這對脫硝系統(tǒng)提出了更高的要求。
SCR脫硝技術(shù)因技術(shù)成熟、效率高在燃煤電廠得到廣泛應(yīng)用,但由于NOx測量的時變性和滯后性,傳統(tǒng)PID控制依靠NOx目標(biāo)值和設(shè)定值偏差來調(diào)節(jié)噴氨量,特別是在負(fù)荷快速變化時,脫硝效率波動大,個別時段會超出排放極限標(biāo)準(zhǔn),為避免環(huán)??己?,運行人員只能通過加大噴氨來達(dá)到要求,但是脫硝效率的提升與氨逃逸的增加呈指數(shù)形式,勢必造成氨逃逸增多、噴氨的浪費以及空預(yù)器堵塞問題的突出,并威脅引風(fēng)機(jī)安全運行。
(1)噴氨主回路的常規(guī)控制無法消除出口NOx的劇烈波動
噴氨主回路一般采用PID控制器。脫硝系統(tǒng)入口和出口NOx測量滯后巨大,使得控制回路無法適應(yīng)脫硝過程非線性、大滯后和快時變的特點,出口NOx波動大。為了保證NOx不超限,出口NOx往往遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),浪費了大量的氨,并且使得氨逃逸大大提高,影響下游設(shè)備的安全運行。
(2)缺乏精細(xì)的分區(qū)調(diào)節(jié)手段,出口NOx分布不均勻
每個煙道只有一個自動氨量調(diào)節(jié)閥,在入口煙氣NOx濃度分布不均勻、以及催化劑性能偏差較大的時候,使得出口NOx分布偏差很大,進(jìn)一步浪費了大量的氨,并使得氨逃逸大大提高。
綜合而言,目前的脫硝系統(tǒng)控制手段無法消除出口NOx在時間上和空間上的不均勻性。
(3)SCR催化劑缺乏精細(xì)化的分區(qū)性能管控
目前只能根據(jù)脫硝的運行數(shù)據(jù),得到催化劑整體的平均性能,但事實上催化劑的性能分布是不均勻的。建立精細(xì)化的分區(qū)性能管控系統(tǒng),能夠更加及時準(zhǔn)確地掌握催化劑的性能分布場,有利于電廠的智能化管理。
以降低波動幅度和未來NOx排放濃度限值為25mg/m3技術(shù)準(zhǔn)備作為優(yōu)化提升目標(biāo),通過對爐膛燃燒變化進(jìn)行噴氨量預(yù)測的提前干預(yù),實現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨來解決SCR出口NOx波動幅度過大,需要從NOx測量滯后、煙氣流場的均勻性、設(shè)備可靠的自動調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行優(yōu)化提升,大致可分為四個部分:流場模擬及優(yōu)化、先進(jìn)測量系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)和噴氨管路改造。
從省煤器出口至空預(yù)器入口的煙道建立1:1的流場模型,如圖1所示,分析不同工況下的脫硝系統(tǒng)流場,確定最佳分區(qū)及測點位置;然后對原煙道進(jìn)行合理分區(qū),通過在合適位置布置分區(qū)導(dǎo)流板或混合器,首先提高噴氨格柵前流場均勻性,并結(jié)合脫硝NOx分區(qū)多點同步測量及主回路的前饋預(yù)測控制等技術(shù)手段對噴氨量進(jìn)行精準(zhǔn)控制,然后通過分區(qū)內(nèi)的進(jìn)一步混合,實現(xiàn)還原劑與氮氧化物的充分接觸,從而實現(xiàn)氮氧化物的高效脫除。
圖1 流場模型
稀釋取樣法具有高可靠性、低成本、準(zhǔn)確的濕法測量,并解決了煙氣含塵量高而引起的堵塞問題,化學(xué)發(fā)光法在測定低濃度時準(zhǔn)確性最好。利用各自優(yōu)點,兩者相結(jié)合的取樣測量系統(tǒng),具有不用除水、系統(tǒng)簡單的特點,大大降低了故障停運概率和維護(hù)成本,尤其適合超低排放后的NOx測量,其精度最高可達(dá)1.0mg/m3。
在各區(qū)安裝“稀釋法”取樣裝置,將煙氣同步抽取后通過樣氣管傳輸至共用的“化學(xué)發(fā)光法”煙氣分析儀。實現(xiàn)一臺分析儀可以分時測量同一時刻不同區(qū)域煙氣的濃度。通過氣路設(shè)計使得每一路樣氣同時取樣后到達(dá)分析儀的時間存在順序差。每一路樣氣進(jìn)入分析儀前設(shè)置有控制電磁閥,同一時刻只打開一路電磁閥。各區(qū)域樣氣按照順序到達(dá)分析儀后,順序打開對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行測量,每測試完最后一路樣氣為一輪,同時更新顯示一組濃度場的數(shù)據(jù),以此得到同一時刻、同一煙道界面濃度分布數(shù)據(jù)組。具體原理如圖2所示。
圖2 NOx分區(qū)同步測量技術(shù)方案
脫硝精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)主要分為噴氨總量先進(jìn)控制算法和智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法兩部分。
2.3.1 總量控制系統(tǒng)
噴氨總量預(yù)測控制算法是通過入口NOx軟測量技術(shù),預(yù)測入口NOx濃度變化情況,并作為噴氨前饋的重要參數(shù),參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中,解決了入口NOx測量滯后的問題,同時利用氨逃逸對主回路進(jìn)行校正控制。另一方面,通過試驗得到不同負(fù)荷下的SCR反應(yīng)器的傳遞函數(shù),進(jìn)而有針對性地實施控制算法模型。該算法能逐步累積測試得到的數(shù)據(jù),自動學(xué)習(xí),與燃燒器工況相組合在燃料變化時能夠快速判斷和調(diào)整。并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢及時發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞和磨損失效等問題,采取措施調(diào)整運行方式,最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)化控制??刂撇呗匀缦拢?/p>
1)目標(biāo)被控對象為環(huán)??己酥笜?biāo)NOx濃度;
2)調(diào)節(jié)手段為原噴氨總管上的氨流量調(diào)節(jié)閥,通過調(diào)節(jié)噴氨總流量的多少,來保證CEMS儀表測得的NOx濃度不超標(biāo);
3)在原有單PID控制回路的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測控制算法優(yōu)化改造,主要引入了鍋爐ULD指令、各臺磨的冷熱一次風(fēng)和煤量、省煤器出口O2、各大風(fēng)機(jī)指令以及SCR區(qū)域出入口NOx、O2、煙氣量等數(shù)據(jù),通過以上數(shù)據(jù)對鍋爐、SCR區(qū)域的總體工況進(jìn)行預(yù)測和反饋控制,盡可能降低出口NOx濃度波動性,保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運行。噴氨總量控制柜圖如圖3所示。
圖3 噴氨總量控制框圖
2.3.2 智能噴氨格柵均衡脫硝控制
采用均衡控制算法,優(yōu)化并在線控制各個分區(qū)的噴氨比例,從而實現(xiàn)出口NOx空間上的分布均勻,具體策略如下:
1)將原有噴氨格柵處的手動噴氨格柵進(jìn)行自動化改造,通過流場模擬技術(shù)對噴氨格柵進(jìn)行網(wǎng)格法劃分,每側(cè)煙道劃分成為8個網(wǎng)格,分別由新改造的8個自動調(diào)閥進(jìn)行控制,并與SCR出口新增的8個NOx分區(qū)測點對應(yīng);
2)分區(qū)閥門主要調(diào)節(jié)手段是對氨空混合器后的混合還原劑進(jìn)行分配調(diào)節(jié),使得進(jìn)入噴氨格柵各個區(qū)域的還原劑濃度相對關(guān)系發(fā)生變化,而不對總噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié),總噴氨量調(diào)節(jié)由噴氨總管上的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行;
3)分區(qū)調(diào)節(jié)的目標(biāo)是使得SCR出口各個NOx分區(qū)測點濃度趨于一致,即調(diào)平作用;
4)在調(diào)試階段,會通過試驗方式確定每個調(diào)節(jié)閥的閥位-流量-NOx濃度的對應(yīng)關(guān)系,用于閥門調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定參考;
5)分區(qū)調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)時,主要參考各個NOx分區(qū)濃度的歷史趨勢、其相對關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié),相對較高的分區(qū)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往高閥位動作,相對較低的分區(qū)對應(yīng)的調(diào)節(jié)閥則根據(jù)算法往低閥位動作;
6)分區(qū)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時,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)閥會保證一定開度,以防止SCR區(qū)域稀釋風(fēng)流量過低導(dǎo)致SCR退出事件發(fā)生。同時,會結(jié)合每個分區(qū)的氨氣流量值和對應(yīng)出口NOx測量值,對脫硝層的局部活性進(jìn)行診斷,并在局部催化劑失活狀態(tài)下,不出現(xiàn)分區(qū)噴氨急劇過量的情況。
分區(qū)噴氨均衡控制算法,原理如圖4所示,會充分考慮到各個噴氨分區(qū)和出口NOx測量分區(qū)事實上并不能達(dá)到100%完全對應(yīng),且調(diào)整單個噴氨閥門時也會對其他管路中的噴氨量產(chǎn)生影響等因素。
圖4 均衡噴氨控制算法原理
噴氨管路分區(qū)改造是指噴氨管路的分區(qū)改造與自動化控制,通過更改噴氨格柵前噴氨分支管道,在分支管道加裝氣動調(diào)節(jié)蝶閥,原來手動閥門保留移位,根據(jù)實際情況將單側(cè)煙道劃分為多個分區(qū),與脫硝出口NOx測點對應(yīng),實現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制,如圖5所示。
圖5 噴氨管路分區(qū)改造
通過建立鍋爐燃燒工況與入口NOx含量的模型預(yù)測控制,精確預(yù)測出NOx變化的趨勢和數(shù)值,在原有PID閉環(huán)反饋控制的基礎(chǔ)上,引入前饋信號,克服燃燒系統(tǒng)慣性,大幅度降低NOx波動,增強(qiáng)控制穩(wěn)定性,杜絕因波動引起的NOx超標(biāo),減少氨逃逸和噴氨量機(jī)組脫硝系統(tǒng)的噴氨量快速準(zhǔn)確地跟隨入口NOx波動,使出口NOx濃度穩(wěn)定在設(shè)定值附近,減少欠噴和過噴的問題。
實施噴氨總量先進(jìn)控制后,能夠更加及時的進(jìn)行噴氨,所以能夠在全負(fù)荷工況下有效降低出口NOx和總排口NOx的波動性,有利于運行采取壓線運行的方式操盤。尤其是針對目前火電機(jī)組低負(fù)荷運行、靈活性調(diào)峰的特點,本控制系統(tǒng)通過不同負(fù)荷下建立多模型,增強(qiáng)了對于低負(fù)荷運行情況下SCR出口NOx的控制適應(yīng)性,能夠有效保證低負(fù)荷下SCR自動的投入率。
某電廠應(yīng)用后,在總量控制和均衡控制調(diào)試完成正式投入使用后,A/B側(cè)出口NOx濃度25mg/Nm3±3mg/Nm3,長期處于穩(wěn)定水平,總排出口NOx保持25mg/Nm3以下不超標(biāo)。脫硝出口設(shè)定值調(diào)整為20mg/m3,持續(xù)運行24h,A/B側(cè)硝出口與總排出口實測值20mg/Nm3±3mg/Nm3,實施效果圖如圖6~圖9所示。
圖6 脫硝總量優(yōu)化穩(wěn)定負(fù)荷工況效果
圖7 脫硝總量優(yōu)化變負(fù)荷工況效果
圖8 調(diào)閥自動投運前測點曲線圖
圖9 調(diào)閥自動投運后測點曲線圖
通過精準(zhǔn)噴氨的SCR系統(tǒng),在噴氨總量的波動和SCR出口NOx不均勻性有了很大的改善,在設(shè)定總排出口設(shè)定在25 mg/m3的情況下,實測值在20~30 mg/m3附近,全工況下氨逃逸未出現(xiàn)超標(biāo)情況,符合環(huán)保要求;同時降低了操作人員的工作強(qiáng)度,為燃煤電廠污染物近零排放提供技術(shù)支持。