伴隨著我國(guó)各個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加，但是能源布局的不合理以及火力發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題成為了社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。隨著嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，相較之前污染物排放指標(biāo)提出了更高要求。以往的脫硝控制技術(shù)已不能滿足環(huán)保排放的要求，燃煤機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)控制模式亟待優(yōu)化提高。
為了滿足燃煤電廠生產(chǎn)發(fā)展的需要，滿足國(guó)家環(huán)保排放的要求，在原有脫硝控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上新增加噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模糊控制算法，在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，改善脫硝催化劑出口NOx質(zhì)量濃度和NH 3 的質(zhì)量濃度分布，提高脫硝效率的同時(shí)，降低氨逃逸，降低空預(yù)器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)運(yùn)行前后數(shù)據(jù)指標(biāo)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，為脫硝控制技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。
02
SCR系統(tǒng)概況
火力發(fā)電企業(yè)為了達(dá)到環(huán)保排放的目的，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了環(huán)保升級(jí)改造。多數(shù)的火力發(fā)電企業(yè)都選用選擇性催化還原工藝（Selective Catalytic Reduction,SCR）技術(shù)作為去除煙氣中NOx的生產(chǎn)工藝。利用還原劑氨氣，與來(lái)自稀釋風(fēng)機(jī)的稀釋風(fēng)在噴氨母管上的混合器中混合后，通過(guò)噴氨格柵支路管道噴入煙道中，在煙道內(nèi)的催化劑的作用下混合氣體中的氨氣與煙氣中NOx發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為對(duì)大氣無(wú)污染的氮?dú)夂退瑥亩_(dá)到去除煙氣中NOx的目的，其工藝流程如圖1所示。
圖1 SCR系統(tǒng)工作原理
某電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用的是出口NOx質(zhì)量濃度調(diào)控模式。根據(jù)環(huán)保排放要求設(shè)定出口NOx質(zhì)量濃度值，實(shí)際出口NOx質(zhì)量濃度值隨機(jī)組負(fù)荷變化波動(dòng)，出口NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值與設(shè)定值之間產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏差，為消除偏差確保達(dá)標(biāo)排放，在控制系統(tǒng)中通過(guò)比例積分微分（Proportion Integration Differentaiation,PID）計(jì)算后得到噴氨調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度指令，調(diào)節(jié)氨氣流量。煙氣脫硝SCR裝置在設(shè)計(jì)階段通常會(huì)進(jìn)行煙氣流體力學(xué)流場(chǎng)模擬試驗(yàn)和爐膛內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)煙道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以保證SCR催化劑的入口截面的煙氣流速和NOx分布較為均勻，由于實(shí)際的燃燒情況和煙道內(nèi)風(fēng)速不穩(wěn)定性等因素影響，進(jìn)入SCR催化劑煙氣流速場(chǎng)是不均勻的，混合氣體是通過(guò)36根噴氨格柵支管路均勻噴射到煙道中的，無(wú)法根據(jù)煙道內(nèi)的NOx分布情況調(diào)節(jié)不同區(qū)域噴入煙道內(nèi)的氨、空氣混合氣體質(zhì)量濃度，導(dǎo)致在催化劑入口處橫截面上的NOx和NH 3 的質(zhì)量濃度場(chǎng)不均勻，由于部分區(qū)域的氨逃逸較高，過(guò)高的氨逃逸會(huì)與煙氣中的SO 3 反應(yīng)生成NH 4 HSO 4 ,NH 4 HSO 4 附著在空氣預(yù)熱器表面導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的壓損增大。
依據(jù)煙道內(nèi)總體出口的NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行前期的噴氨量預(yù)估，而不能自動(dòng)對(duì)煙道各個(gè)格柵內(nèi)的脫硝情況、逃逸氨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在催化劑出口處的氨逃逸量與脫硝效率不一致。因此，研制SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠改善催化劑出口NOx和NH 3 的質(zhì)量濃度分布，消除“倒掛”現(xiàn)象和區(qū)域性效率低問(wèn)題，在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上減少噴氨量，降低鍋爐后續(xù)系統(tǒng)堵塞的概率。
03
SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
3.1 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理
SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容是監(jiān)測(cè)各個(gè)噴氨格柵進(jìn)出口的NOx質(zhì)量濃度及出口的逃逸氨量，根據(jù)預(yù)定的脫硝效率以及氨逃逸目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)噴氨支管上電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)控制的噴氨量，實(shí)現(xiàn)煙道內(nèi)的NOx脫硝質(zhì)量濃度均勻分布，在滿足脫硝效率的前提下，實(shí)現(xiàn)最小的逃逸氨量，降低空預(yù)器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)鍋爐設(shè)備的安全可靠運(yùn)行時(shí)間，減少檢修工作量，提高經(jīng)濟(jì)效益。
傳統(tǒng)的噴氨量控制是根據(jù)出口NOx的含量，控制母管噴氨總閥的噴氨量大小。這種調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)，時(shí)效性差，易出現(xiàn)分區(qū)NOx超標(biāo)的情況。在生產(chǎn)過(guò)程中催化劑入口處的NOx和NH 3的質(zhì)量濃度場(chǎng)分布是不均勻的，導(dǎo)致不同的分區(qū)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后出口處的NOx質(zhì)量濃度不一致。同時(shí)在設(shè)計(jì)格柵分區(qū)時(shí)，需要考慮整體系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的必要性，結(jié)合以上需求，在項(xiàng)目開(kāi)始之初通過(guò)便攜式測(cè)量表對(duì)SCR出口處進(jìn)行NOx測(cè)試，既在SCR催化劑的出口處等間距的安裝8個(gè)NOx探測(cè)儀，并對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
圖2 優(yōu)化前B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分區(qū)數(shù)據(jù)
統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)煙道兩側(cè)NOx質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)，在保證質(zhì)量濃度場(chǎng)的均勻性下，選取在煙道兩側(cè)測(cè)孔B1,B2,B7,B8對(duì)應(yīng)位置設(shè)置4個(gè)分區(qū)安裝調(diào)節(jié)門(mén)，根據(jù)分區(qū)出口NOx的質(zhì)量濃度，控制調(diào)節(jié)門(mén)的開(kāi)度。
3.2 控制算法
該系統(tǒng)需要檢測(cè)供氨母管氨氣質(zhì)量濃度和稀釋風(fēng)量，計(jì)算供氨總量；通過(guò)檢測(cè)入口各分區(qū)NOx質(zhì)量濃度和入口各分區(qū)煙氣流量，計(jì)算各分區(qū)NOx總量；根據(jù)各分區(qū)NOx質(zhì)量濃度和出口氮氧化物平均質(zhì)量濃度計(jì)算各分區(qū)脫硝效率，再根據(jù)入口煙氣流量，即可得出各分區(qū)氨氣需求量，并結(jié)合供氨母管中氨氣質(zhì)量濃度，即可得到所需的空氣氨氣混合氣體量，然后調(diào)節(jié)供氨支管調(diào)節(jié)閥門(mén)，使各個(gè)供氨支管測(cè)得的流量和計(jì)算所得的所需氨、空氣混合氣體的質(zhì)量濃度。系統(tǒng)流程如圖3所示。
圖3 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程
根據(jù)系統(tǒng)理論公式推導(dǎo)出的氨、空氣混合氣體的理論需求量，采用帶前置反饋的模糊區(qū)間控制算法，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)模糊區(qū)間參數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)的開(kāi)度是由初始開(kāi)度和修訂補(bǔ)償開(kāi)度確定。電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)初始開(kāi)度設(shè)定根據(jù)入口NOx質(zhì)量濃度ρ（NOx）設(shè)定4個(gè)模糊區(qū)間：區(qū)間1（ρ（NOx）≤200mg/m 3 ）設(shè)定閥門(mén)初始開(kāi)度為50%；區(qū)間2(200mg/m 3 <ρ（NOx）≤300mg/m 3 ）設(shè)定閥門(mén)初始開(kāi)度為60%；區(qū)間3(300mg/m 3 <ρ（NOx)<400mg/m 3 ）設(shè)定閥門(mén)初始開(kāi)度為85%；區(qū)間4（ρ（NOx）≥400mg/m 3 ）。電動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)補(bǔ)償修訂開(kāi)度由出口NOx質(zhì)量濃度及逃逸氨質(zhì)量濃度確定的，其計(jì)算公式為：
式中：Δρ（NOx）為出口NOx質(zhì)量濃度與出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值之差；Δρ（NH 3 ）為逃逸氨與逃逸氨設(shè)定值之差ρ PV1 為實(shí)際測(cè)量出口NOx質(zhì)量濃度數(shù)值；ρ PV2 為實(shí)際測(cè)量氨逃逸值；ρ SP1 為設(shè)定目標(biāo)出口NOx質(zhì)量濃度數(shù)值；ρ SP2 為設(shè)定目標(biāo)氨逃逸數(shù)值；ΔP為電動(dòng)調(diào)節(jié)門(mén)補(bǔ)償修訂開(kāi)度。
根據(jù)邏輯組態(tài)控制模式，在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)組態(tài)的編程，控制邏輯流程如圖4所示。
圖4 電動(dòng)調(diào)門(mén)控制邏輯流程
3.3 SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化控制效果
SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)施后保證NOx排放達(dá)標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)降低氨逃逸量的預(yù)期目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)格柵噴氨量降低NOx質(zhì)量濃度，保證逃逸氨不超標(biāo)，為后級(jí)空預(yù)器的可靠運(yùn)行提供保障。采用噴氨格柵支路優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，鍋爐B側(cè)的氨逃逸量比沒(méi)有使用該系統(tǒng)的鍋爐A側(cè)明顯降低，控制氨逃逸均值為2.45μL/L（煙道內(nèi)氣體溫度375℃，壓力-1.38kPa，測(cè)量均值折算后為0.77mg/m 3 ），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于HJ 2301—2017《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》對(duì)氨逃逸均值不超過(guò)2.5mg/m 3 的要求。氨逃逸量曲線效果參照?qǐng)D5。
圖5 調(diào)節(jié)前后出口逃逸氨分布情況
噴氨優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)施前，出口NOx分布不均勻，不均勻度達(dá)到61.17%。經(jīng)過(guò)噴氨優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)施后，出口NOx在保證滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下分布均勻，不均勻度降至15%。如圖6所示。
圖6 3B側(cè)噴氨格柵優(yōu)化后NOx分區(qū)數(shù)據(jù)值
通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行，在減少噴氨支管閥門(mén)開(kāi)度的前提下，系統(tǒng)B側(cè)氨氮摩爾比降低，提高脫硝效，降低了氨消耗，節(jié)約運(yùn)行成本。表1是系統(tǒng)投運(yùn)前后相同煙氣量下的氨氮摩爾比，通過(guò)表1可以看出，系統(tǒng)投運(yùn)后氨氮摩爾比下降0.14，在保證脫硝效率的情況下，節(jié)約了噴氨量。
表1 系統(tǒng)投運(yùn)前后脫硝參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比
04
結(jié)語(yǔ)
SCR脫硝噴氨格柵優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)各個(gè)噴氨格柵進(jìn)出口的NOx質(zhì)量濃度及出口的逃逸氨量，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)噴氨支管上的調(diào)節(jié)門(mén)的開(kāi)度大小控制進(jìn)入到煙道中的噴氨量，滿足脫硝效率的前提下，控制最小的逃逸氨量，減少空預(yù)器堵塞，減少鍋爐檢修工作頻率，延長(zhǎng)SCR催化劑的使用時(shí)間，整體提高經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)電廠減少氮氧化物排放、提高經(jīng)濟(jì)效益具有積極意義。
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