燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)近零排放下熱工控制研究與工程實(shí)踐

李德波， 曾庭華， 廖永進(jìn)， 馮永新， 毛奕升， 謝 斌， 張桂平

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510080；2. 廣東珠海金灣發(fā)電有限公司， 廣東珠海 519000)

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燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)近零排放下熱工控制研究與工程實(shí)踐

李德波1， 曾庭華1， 廖永進(jìn)1， 馮永新1， 毛奕升2， 謝 斌2， 張桂平2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510080；2. 廣東珠海金灣發(fā)電有限公司， 廣東珠海 519000)

針對(duì)某燃煤電廠進(jìn)行“近零排放”改造后，SCR脫硝系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的NOx排放的現(xiàn)狀，從熱工控制邏輯著手進(jìn)行研究，并進(jìn)行工程應(yīng)用，提出了適合“近零排放”改造后SCR脫硝系統(tǒng)熱工控制的關(guān)鍵技術(shù).結(jié)果表明：通過NOx生成端優(yōu)化，機(jī)組NOx平均質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低，基本控制在200 mg/m3；在原有的前饋-反饋串級(jí)控制基礎(chǔ)上引入智能預(yù)測(cè)前饋控制，有效地進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)；煙囪出口NOx質(zhì)量濃度超過50 mg/m3的時(shí)間進(jìn)一步減至0.

SCR脫硝系統(tǒng)； 近零排放； 熱工控制

當(dāng)前大氣環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，經(jīng)常發(fā)生空氣重污染現(xiàn)象，霧霾天逐年增多，已威脅到人們的身體健康.各級(jí)政府陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策措施，大力治理大氣污染，改善空氣質(zhì)量.2014年我國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì)與環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，要求2020年前，中東部現(xiàn)役燃煤機(jī)組基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放限值.“近零排放”目前已成為燃煤機(jī)組新一輪環(huán)保改造的熱點(diǎn)，學(xué)術(shù)界和工程界針對(duì)“近零排放”開展了一些前期的基礎(chǔ)研究和工程改造，進(jìn)行了一批“近零排放”改造的示范工程，如嘉興發(fā)電有限責(zé)任公司、廣州華潤(rùn)熱電有限公司和廣東珠海金灣發(fā)電有限公司等.

王臨清等[1]對(duì)超低排放的減排潛力及其在PM2.5環(huán)境效益等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，長(zhǎng)三角、京津冀的燃煤機(jī)組實(shí)施超低排放改造后，與現(xiàn)有燃煤電廠排放的污染物相比，SO2、NOx、煙塵以及煙塵中一次PM2.5減排比例均在90%以上，SO3減排幅度達(dá)到70%左右.梁志宏[2]針對(duì)低氮燃燒(LNB)與選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)的耦合優(yōu)化問題進(jìn)行了研究，開發(fā)了燃煤鍋爐高效低NOx協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng).李德波等[3-7]采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)燃煤機(jī)組低氮改造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，計(jì)算得到不同配風(fēng)方式下爐膛出口NOx濃度變化規(guī)律.但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況表明，當(dāng)燃煤機(jī)組進(jìn)行“近零排放”改造后，煙囪出口處NOx濃度很難長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持在“近零排放”環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以下，導(dǎo)致經(jīng)過“近零排放”改造的燃煤機(jī)組無法實(shí)現(xiàn)真正意義上長(zhǎng)期穩(wěn)定的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因是受到燃煤種類、鍋爐燃燒控制和脫硝系統(tǒng)熱工控制等復(fù)雜耦合因素的影響.李德波等[8-9]在SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板優(yōu)化、SCR催化劑更換數(shù)學(xué)模型等方面進(jìn)行了研究.楊青山等[10]為提高脫硝反應(yīng)器入口煙氣溫度提出了具體的技術(shù)方案.但在提高脫硝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，保證反應(yīng)器出口NOx濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定等方面的研究目前還鮮見報(bào)道.

某電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組原有煙氣處理系統(tǒng)對(duì)污染物的處理無法滿足最新的“近零排放”要求，因此必須對(duì)環(huán)保系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造.該電廠開展了機(jī)組污染物“超凈排放”現(xiàn)場(chǎng)改造.但是改造后，SCR脫硝系統(tǒng)熱工控制存在技術(shù)問題，導(dǎo)致煙囪出口NOx質(zhì)量濃度短時(shí)間超過50 mg/m3，無法滿足煙囪出口NOx質(zhì)量濃度在50 mg/m3以下的要求.筆者針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問題，從控制邏輯著手對(duì)脫硝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“近零排放”存在的問題進(jìn)行研究分析，進(jìn)行了一系列優(yōu)化技術(shù)研究，取得了良好的工程應(yīng)用效果，為我國(guó)其他燃煤機(jī)組開展“近零排放”后實(shí)現(xiàn)NOx穩(wěn)定環(huán)保排放提供了較好的借鑒價(jià)值.

1 鍋爐及脫硝系統(tǒng)設(shè)備情況

某電廠3號(hào)、4號(hào)鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型、露天布置燃煤鍋爐.燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器.在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)噴嘴和5層分離燃盡風(fēng)(SOFA) 燃燒器. 表1和表2為鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和煤質(zhì)參數(shù).

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of the boiler

表2 運(yùn)行煤質(zhì)Tab.2 Coal quality analysis

脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原法，脫硝裝置采用高塵型工藝，設(shè)置2臺(tái)SCR反應(yīng)器，布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間.為了達(dá)到SCR脫硝裝置最低連續(xù)噴氨溫度的要求，對(duì)省煤器進(jìn)行了分級(jí)改造.

2 脫硝系統(tǒng)“近零排放”的技術(shù)難點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)“近零排放”要求，該電廠進(jìn)行了省煤器分級(jí)改造、脫硝系統(tǒng)增加一層催化劑、脫硫塔增容改造和增加濕式電除塵器等措施，于2014年底完成“近零排放”改造. 改造完成后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能考核試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：SO2質(zhì)量濃度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在10～30 mg/m3, 粉塵質(zhì)量濃度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在5 mg/m3以下，受煤質(zhì)、燃燒運(yùn)行方式、脫硝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量以及熱工控制等綜合原因，NOx質(zhì)量濃度無法真正長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在50 mg/m3以下，因此無法真正實(shí)現(xiàn)“近零排放”的環(huán)保要求.要實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定達(dá)到“近零排放”要求，還需解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：

(1) 由于脫硝催化劑設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為314～400 ℃，在省煤器分級(jí)改造完成后，SCR入口煙氣溫度有了明顯的提升，改造前后溫度對(duì)比見表3. 但在250 MW以下時(shí)由于煤種的偏差會(huì)存在溫度低于314 ℃的情況，不能完全實(shí)現(xiàn)全工況脫硝.

(2) 脫硝系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)時(shí)國(guó)家對(duì)NOx排放的要求相對(duì)寬松，原有控制策略偏保守，留有較大的安全裕量，已不適合目前日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求.

(3) 該電廠燃燒器采用LNCFS，屬于第二代低NOx燃燒技術(shù)，設(shè)計(jì)上具備較強(qiáng)的燃燒空氣分級(jí)能力，理論上可以將NOx質(zhì)量濃度控制在200 mg/m3(6%φ(O2)). 目前該電廠鍋爐側(cè)NOx質(zhì)量濃度偏高，平均值在280 mg/m3(6%φ(O2)).

(4) 從噴氨到發(fā)生還原反應(yīng)再到測(cè)量端顯示有2 min的延時(shí)，從SCR出口NOx到煙囪排放NOx有1 min的延時(shí). 雖然控制回路采用前饋-反饋控制，但由于從測(cè)量到反應(yīng)至少有2 min的延時(shí)，使得該前饋?zhàn)霾坏筋A(yù)判，不能有效應(yīng)對(duì)入口NOx的大幅變化.即當(dāng)入口NOx質(zhì)量濃度大幅變化時(shí)，無法保證SCR控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)器出口和煙囪出口NOx質(zhì)量濃度短時(shí)間超標(biāo).根據(jù)目前“近零排放”要求，煙囪出口NOx質(zhì)量濃度要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持在50 mg/m3以下，熱工控制方面面臨較大的技術(shù)困難. 在機(jī)組較大幅度(100 MW)增減負(fù)荷的過程中，由于燃燒工況的變化，會(huì)增加NOx的生成，入口NOx質(zhì)量濃度會(huì)有極大的升高，通常為穩(wěn)定工況的2～3倍.在這一過程中，原有的控制回路不能提前預(yù)判NOx的變化，導(dǎo)致噴氨滯后，使得煙囪出口NOx質(zhì)量濃度飆升至50 mg/m3甚至100 mg/m3以上.

(5) 采用煙氣在線監(jiān)測(cè)分析儀(CEMS)每隔4 h進(jìn)行一次10 min的吹掃校準(zhǔn)，在10 min內(nèi)，CEMS表端進(jìn)行保持處理，在這10 min內(nèi)如果發(fā)生較大的NOx變化，則會(huì)導(dǎo)致煙囪出口NOx質(zhì)量濃度超標(biāo)，在CEMS測(cè)量恢復(fù)后，會(huì)引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)的超調(diào).

表3 脫硝系統(tǒng)改造前后SCR入口煙氣溫度對(duì)比Tab.3 Comparison of inlet flue gas temperature before and after retrofit of the SCR system

3 脫硝系統(tǒng)熱工控制優(yōu)化改進(jìn)策略

為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)燃負(fù)荷以上全工況脫硝并滿足“近零排放”的要求，主要從3方面對(duì)機(jī)組進(jìn)行深度優(yōu)化：對(duì)脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，提高脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率；對(duì)NOx生成端進(jìn)行優(yōu)化，減少鍋爐側(cè)NOx生成量； 對(duì)NOx脫除端進(jìn)行優(yōu)化，提高脫硝側(cè)NOx控制水平.

3.1 脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯優(yōu)化

為保證脫硝系統(tǒng)熱控設(shè)備和系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，可靠的設(shè)備與控制邏輯是先決條件. 由于脫硝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試時(shí)將注意力都放在了如何滿足工藝系統(tǒng)的要求上，而對(duì)提高脫硝系統(tǒng)的可靠性考慮較少. 根據(jù)被控設(shè)備的工藝要求設(shè)計(jì)邏輯只是滿足控制的最基本要求，如果不考慮被控設(shè)備和控制設(shè)備的特點(diǎn)，構(gòu)成的控制系統(tǒng)可靠性有所欠缺. 對(duì)涉及脫硝噴氨的保護(hù)邏輯進(jìn)行全面梳理，并進(jìn)行優(yōu)化，提高脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率. 主要進(jìn)行了如下控制優(yōu)化：

(1) 根據(jù)廠家的催化劑特性資料，該催化劑理論應(yīng)用范圍為280～400 ℃，當(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，催化劑的活性降低，NOx的脫除效率隨之降低，此時(shí)NH3的逃逸率增大. 隨著煙氣溫度的升高，SO2很容易被催化氧化成SO3，SO3與NH3反應(yīng)生成的硫酸氫銨容易在鍋爐空氣預(yù)熱器冷端局部換熱面形成硫酸氫銨黏性物質(zhì)，堵塞空氣預(yù)熱器換熱元件，造成空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)和空氣側(cè)進(jìn)出口壓差變大且伴隨波動(dòng)，影響鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行安全. 為滿足合同設(shè)計(jì)要求投運(yùn)期間脫硝效率大于85%，氨逃逸小于3 μL/L等硬性指標(biāo)，廠家將SCR入口煙氣溫度最低保護(hù)值定在了314 ℃. 在確保催化劑活性和控制硫酸氫銨生成的前提下，筆者提出通過SO2質(zhì)量濃度及入口NOx質(zhì)量濃度來確定SCR最低運(yùn)行溫度(見表4). 在最優(yōu)情況下SCR最低運(yùn)行溫度可降至293 ℃. 通過表4的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，修改脫硝系統(tǒng)最低投運(yùn)溫度保護(hù)值，使其與SO2質(zhì)量濃度和入口NOx質(zhì)量濃度成對(duì)應(yīng)關(guān)系. 結(jié)合煤種摻燒和運(yùn)行的合理操作確保了鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷(220 MW)以上全工況脫硝的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明可以做到180 MW脫硝系統(tǒng)投運(yùn).

(2) 將容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)思想引入脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯.

表4 催化劑最低運(yùn)行溫度及工況對(duì)照Tab.4 Minimum running temperature of catalyst and other working conditions

當(dāng)脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)可容忍的小故障時(shí)，保護(hù)邏輯應(yīng)考慮容錯(cuò)，保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行. 取消了原有的“一側(cè)SCR入口煙氣NOx出現(xiàn)測(cè)量壞值，延時(shí)10 s保護(hù)關(guān)閉對(duì)應(yīng)側(cè)噴氨關(guān)斷閥”保護(hù)條件. 當(dāng)有測(cè)量壞值時(shí)噴氨控制切換到手動(dòng)控制，由運(yùn)行操作人員根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行暫時(shí)的手動(dòng)干預(yù).

盡量避免采用單點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，改單點(diǎn)觸發(fā)為多條件觸發(fā). 對(duì)原有“氨區(qū)至脫硝SCR供氨母管壓力低于0.1 MPa，延時(shí)2 s保護(hù)關(guān)閉兩側(cè)噴氨關(guān)斷閥”保護(hù)條件增加輔助確認(rèn)條件. 由于其壓力低的源頭實(shí)際為氨區(qū)氨氣緩沖出口母管壓力低，將該保護(hù)條件修改為“氨區(qū)至脫硝SCR供氨母管壓力低于0.1 MPa，且氨氣緩沖槽罐壓力低于0.1 MPa，延時(shí)2 s”，這樣避免了僅僅由于氨區(qū)至脫硝SCR供氨母管壓力低于0.1 MPa導(dǎo)致的噴氨關(guān)斷閥關(guān)閉情況的發(fā)生.

當(dāng)不得不采用單點(diǎn)信號(hào)作保護(hù)時(shí)，需引入故障鑒別信號(hào). 對(duì)原有的“一側(cè)SCR稀釋風(fēng)體積流量低于1 950 m3/h，延時(shí)5 s保護(hù)關(guān)閉對(duì)應(yīng)側(cè)噴氨關(guān)斷閥”保護(hù)條件增加壞值剔除功能，避免變送器故障引起保護(hù)誤動(dòng).

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究表明，完成省煤器分級(jí)改造及脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯優(yōu)化后，脫硝系統(tǒng)平均投運(yùn)率由48.1%提升至99.7% 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)燃負(fù)荷(220 MW)下全工況脫硝運(yùn)行.

3.2 NOx生成端優(yōu)化

影響燃煤機(jī)組NOx生成的因素比較復(fù)雜，筆者大體歸結(jié)為3個(gè)方面：(1) 燃煤種類，煤種揮發(fā)分、含氮量、含碳量和發(fā)熱值等綜合因素的差異，導(dǎo)致在相同工況下，所生成的NOx將會(huì)有較大差別；(2) 爐膛燃燒結(jié)構(gòu)，包括爐型和燃燒器機(jī)構(gòu)和燃燒容量等主要設(shè)計(jì)參數(shù)；(3) 運(yùn)行工況的差異，包括一次風(fēng)速、煤粉濃度、煤粉系統(tǒng)、過量空氣系數(shù)、燃燒配風(fēng)方式和機(jī)組負(fù)荷等參數(shù).

該電廠燃燒器采用的低NOx燃燒器，在設(shè)計(jì)煤種下理論上可以將NOx質(zhì)量濃度控制在200 mg/m3. 但目前鍋爐側(cè)NOx質(zhì)量濃度偏高，平均值為280 mg/m3. 因此結(jié)合該電廠燃煤常用煤種和爐膛燃燒結(jié)構(gòu)，從過量空氣系數(shù)、燃燒配風(fēng)、機(jī)組負(fù)荷等主要可控手段出發(fā)，對(duì)燃燒自動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化.

3.2.1 靜態(tài)燃燒控制優(yōu)化

對(duì)SOFA風(fēng)量、一次風(fēng)風(fēng)量、二次風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)風(fēng)量計(jì)算進(jìn)行參數(shù)修正，確保測(cè)量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性.

在300～600 MW負(fù)荷段進(jìn)行降低NOx排放試驗(yàn)，試驗(yàn)不同負(fù)荷段不同氧體積分?jǐn)?shù)下的運(yùn)行情況，以確定鍋爐最佳運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù). 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改負(fù)荷對(duì)應(yīng)的氧體積分?jǐn)?shù)設(shè)定函數(shù)，結(jié)果見表5. 從表5可以看出，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后不同負(fù)荷下的氧體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值有所減小.

表5 優(yōu)化前后的負(fù)荷-氧體積分?jǐn)?shù)設(shè)定函數(shù)Tab.5 Load vs. oxygen concentration before and after retrofit

通過燃燒調(diào)整試驗(yàn)，確定在氧體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，改變鍋爐SOFA風(fēng)門開度以改變主燃燒器區(qū)域與SOFA區(qū)域的風(fēng)量分配比例. 對(duì)CCOFA、燃燒系統(tǒng)、燃料風(fēng)及周界風(fēng)進(jìn)行調(diào)整，各負(fù)荷工況下，二次風(fēng)與爐膛壓差和風(fēng)量有關(guān)，按目前的設(shè)定函數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié). 通過對(duì)不同SOFA風(fēng)門開度進(jìn)行試驗(yàn)，分析鍋爐受熱面溫度偏差、再熱器汽溫及NOx排放指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)，給出鍋爐在該負(fù)荷下最佳的氧體積分?jǐn)?shù)和SOFA風(fēng)門開度組合. 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將CCOFA和SOFA風(fēng)門控制優(yōu)化為負(fù)荷開環(huán)控制，增加各負(fù)荷-小風(fēng)門閥門開度配比函數(shù)(見表6).

表6 負(fù)荷-小風(fēng)門開度配比函數(shù)Tab.6 Load vs. opening of air doors

爐膛與大風(fēng)箱壓差的變化引起NOx排放的變化幅度在5%以內(nèi)，對(duì)NOx排放的影響較小. 在SOFA/CCOFA及周界風(fēng)風(fēng)門開度不變的情況下，爐膛與大風(fēng)箱壓差變化，主要改變了輔助風(fēng)風(fēng)門開度，影響了主燃燒區(qū)域二次風(fēng)風(fēng)量分配和上部燃盡風(fēng)區(qū)域風(fēng)量分配. 壓差增大，上部燃盡風(fēng)風(fēng)量增大，NOx排放會(huì)降低，但效果有限. 調(diào)節(jié)該壓差主要從穩(wěn)燃的角度考慮而非降低NOx排放. 因此在確保爐膛燃燒穩(wěn)定的前提條件下，盡可能降低爐膛與二次風(fēng)箱的壓差，降低煙囪出口NOx質(zhì)量濃度，優(yōu)化前后二次風(fēng)箱壓差隨風(fēng)量的變化見表7.

表7 優(yōu)化前后爐膛與二次風(fēng)箱壓差控制函數(shù)Tab.7 Pressure difference between furnace and secondary air box before and after retrofit

3.2.2 動(dòng)態(tài)控制策略優(yōu)化

動(dòng)態(tài)控制策略的優(yōu)化主要是解決燃燒動(dòng)態(tài)過程中風(fēng)煤比變化過大，形成過氧燃燒從而導(dǎo)致NOx在動(dòng)態(tài)變化過程中波動(dòng)過大，尤其是在機(jī)組減負(fù)荷過程入口NOx質(zhì)量濃度會(huì)有極大幅度的升高(通常為穩(wěn)定工況的2～3倍). 從協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成上述現(xiàn)象的根本原因有：

(1) 變負(fù)荷過程中燃料目標(biāo)跟蹤鍋爐指令，為平衡鍋爐大慣性的特點(diǎn)，鍋爐主控指令設(shè)置有超前動(dòng)態(tài)前饋環(huán)節(jié)，即加負(fù)荷過程中預(yù)加燃料，減負(fù)荷過程中預(yù)減燃料. 而送風(fēng)目標(biāo)跟蹤機(jī)組指令，無超前動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié). 所以減負(fù)荷過程中風(fēng)煤比會(huì)增加，形成過氧燃燒，導(dǎo)致NOx生成量增加.

(2) 在動(dòng)態(tài)加負(fù)荷過程中，爐膛出口煙溫升高，導(dǎo)致輻射換熱的工質(zhì)吸熱份額減少，對(duì)流換熱的工質(zhì)吸熱份額增加，而在減負(fù)荷過程中，由于鍋爐輻射換熱比重增加，對(duì)流換熱比重減少，中間點(diǎn)溫度(分隔屏過熱器入口汽溫)和懸吊管部分壁溫會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，故在燃料目標(biāo)回路中增加動(dòng)態(tài)超前環(huán)節(jié)，加(減)負(fù)荷過程中動(dòng)態(tài)超前預(yù)加(減)燃料，并且負(fù)荷越低動(dòng)態(tài)前饋量比重越大. 此動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)進(jìn)一步加大了風(fēng)煤動(dòng)態(tài)比例.

針對(duì)該問題采取相應(yīng)的控制理念優(yōu)化措施：

(1) 氧體積分?jǐn)?shù)控制策略優(yōu)化. 原機(jī)組變負(fù)荷工況下保持氧體積分?jǐn)?shù)修正控制器輸出，不參與送風(fēng)修正調(diào)節(jié)，變負(fù)荷結(jié)束后80 s氧體積分?jǐn)?shù)控制器重新參與調(diào)節(jié). 在變負(fù)荷過程中，SCR入口煙氣含氧體積分?jǐn)?shù)波形與NOx波形基本一致，氧體積分?jǐn)?shù)波形提前于NOx波形2.5 min.故增加氧體積分?jǐn)?shù)控制變工況動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)，并適當(dāng)增強(qiáng)氧體積分?jǐn)?shù)控制修正作用.

(2) 在確保機(jī)組燃燒穩(wěn)定，安全運(yùn)行的前提下，風(fēng)量控制回路中增加一動(dòng)態(tài)超前環(huán)節(jié)(預(yù)設(shè)增益為1.7、時(shí)間為3.5 min)，削弱動(dòng)態(tài)過程中因煤量超前而引起的鍋爐過氧燃燒強(qiáng)度，減少燃料型NOx生成量.

通過燃燒調(diào)整以及變負(fù)荷過程中風(fēng)煤比的有效調(diào)整，機(jī)組NOx質(zhì)量濃度平均值進(jìn)一步降低，基本控制在200 mg/m3，同時(shí)大幅減少了入口NOx質(zhì)量濃度超過250 mg/m3的時(shí)間，極大緩解了NOx脫除端的控制壓力.

3.3 NOx脫除端優(yōu)化

由于具有較高的脫硝效率，采用SCR方式的脫硝系統(tǒng)是大型火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)改造的首選類型，而長(zhǎng)期以來對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的研究主要針對(duì)其物理原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式方面，卻忽略了對(duì)脫硝自動(dòng)控制策略的研究.

事實(shí)上在執(zhí)行“近零排放”時(shí)，脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)控制品質(zhì)至關(guān)重要. 目前脫硝噴氨控制普遍采用前饋-反饋串級(jí)控制，由于測(cè)量及反應(yīng)的滯后，該控制策略不能有效地應(yīng)對(duì)因燃燒工況的變化而引起的入口NOx質(zhì)量濃度急劇變化的工況，存在較大的滯后和超調(diào).

針對(duì)SCR脫硝噴氨控制系統(tǒng)的大滯后特性，對(duì)原有脫硝噴氨控制回路進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn).在原有的前饋-反饋串級(jí)控制基礎(chǔ)上引入智能預(yù)測(cè)前饋控制，有效地進(jìn)行偏差調(diào)節(jié). 控制框圖見圖1.

圖1 采用智能預(yù)測(cè)算法的噴氨控制框圖Fig.1 Intelligent predictive algorithm of the NH3 injection

通過對(duì)機(jī)組負(fù)荷、總風(fēng)量、總給煤量、SCR入口NOx質(zhì)量濃度變化等眾多因素的分析進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，提前噴入后續(xù)NOx質(zhì)量濃度變化所需的氨氣量. 采用預(yù)測(cè)控制和帶前饋的PID控制對(duì)比圖見圖2，使用帶前饋的PID控制只能根據(jù)入口NOx質(zhì)量濃度的變化來噴入所需的氨氣，再通過偏差調(diào)節(jié)來控制NOx的排放，由于測(cè)量和反應(yīng)的滯后，噴氨存在明顯的滯后和超調(diào)過程. 而采用趨勢(shì)預(yù)測(cè)可以提前響應(yīng)入口NOx質(zhì)量濃度的變化，及時(shí)噴入氨氣有效控制NOx的排放.

圖2 2種不同控制策略效果對(duì)比Fig.2 Comparison of control effect between two different strategies

對(duì)煙囪出口NOx質(zhì)量濃度與A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行比較，評(píng)估得出A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度與煙囪出口NOx質(zhì)量濃度的偏差，對(duì)控制器的NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值進(jìn)行智能修正；對(duì)A、B側(cè)噴氨量及入口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行比較，評(píng)估得出A、B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度之間的偏差，對(duì)A、B側(cè)噴氨量進(jìn)行智能配比. 現(xiàn)有機(jī)組改脫硝系統(tǒng)受到鍋爐結(jié)構(gòu)的限制，出口NOx測(cè)點(diǎn)的煙道呈狹長(zhǎng)形，存在流場(chǎng)不均的問題，因而煙囪出口NOx質(zhì)量濃度與SCR出口NOx質(zhì)量濃度測(cè)量存在一定的偏差. 以環(huán)?？己它c(diǎn)煙囪出口NOx質(zhì)量濃度為基準(zhǔn)對(duì)SCR出口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)累計(jì)質(zhì)量濃度平均值超過一定誤差時(shí)對(duì)控制器的NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值進(jìn)行智能修正，確?？刂品€(wěn)定. A、B側(cè)煙氣流量也不能做到完全一致，因而A、B側(cè)的噴氨量需要進(jìn)行智能配比修正，確保兩側(cè)噴氨量的相對(duì)一致.

根據(jù)對(duì)CEMS儀表狀態(tài)的判斷，通過A、B側(cè)濃度差值替代的方式，消除儀表校準(zhǔn)過程中控制的不可判斷性. 由于CEMS每隔4 h進(jìn)行一次10 min的吹掃校準(zhǔn)，在10 min內(nèi)，CEMS分析儀表端進(jìn)行保持處理，如果燃燒工況變化引起NOx質(zhì)量濃度波動(dòng)，預(yù)測(cè)算法將無法通過入口NOx質(zhì)量濃度的變化率進(jìn)行對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)，在CEMS測(cè)量恢復(fù)后，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)的波動(dòng). 因而不能簡(jiǎn)單地通過測(cè)量保持來解決，利用A，B側(cè)CEMS吹掃校準(zhǔn)不同步，A側(cè)吹掃時(shí)通過B側(cè)替代，同時(shí)考慮到A、B側(cè)測(cè)量不一致，需要進(jìn)行差值疊加，這能很好地解決吹掃校準(zhǔn)引起的調(diào)節(jié)波動(dòng).

根據(jù)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度控制波動(dòng)情況(任何工況均小于50 mg/m3)倒推出設(shè)定值上限，按設(shè)定上限和85%脫硝效率對(duì)應(yīng)的設(shè)定值取小值得出控制設(shè)定值，在滿足脫硝效率的同時(shí)，確保全工況控制過程N(yùn)Ox質(zhì)量濃度不超過50 mg/m3.

通過回路優(yōu)化引入智能預(yù)測(cè)算法，大幅提高了系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力，有效地將煙囪出口NOx質(zhì)量濃度控制在50 mg/m3以下. 由表8可以看出，優(yōu)化后10 d時(shí)間煙囪出口NOx質(zhì)量濃度沒有超過50 mg/m3，有效地控制了NOx質(zhì)量濃度的超標(biāo).

表8 4號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比Tab.8 Denitrification parameters of unit 4 before and after optimization of the SCR system

4 脫硝系統(tǒng)控制優(yōu)化改進(jìn)效果分析

通過選取優(yōu)化前時(shí)間段2014-05-01 T 00:00至2014-05-11 T 00:00，部分優(yōu)化后時(shí)間段2015-01-21 T 00:00至2015-01-31 T 00:00以及優(yōu)化實(shí)踐完成時(shí)間段2015-08-01 T 00:00至2015-08-11 T 00:00的數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化前后3號(hào)、4號(hào)機(jī)組NOx排放進(jìn)對(duì)比，時(shí)間間隔為1 min.

從表8可以看出，在優(yōu)化前，4號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率受最低投運(yùn)溫度的限制只能達(dá)到45%～50%，SCR入口NOx平均質(zhì)量濃度處于較高的水平. 通過省煤器分級(jí)改造及脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯優(yōu)化后，脫硝系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)100%的投運(yùn)率，通過對(duì)燃燒系統(tǒng)的整改，3號(hào)SCR入口NOx質(zhì)量濃度平均值降低了30 mg/m3，但煙囪出口NOx質(zhì)量濃度超過50 mg/m3的時(shí)間仍高達(dá)2 928 min，SCR入口NOx質(zhì)量濃度超過250 mg/m3和300 mg/m3的時(shí)間并沒有大幅減少. 通過燃燒調(diào)整、引入智能預(yù)測(cè)算法等優(yōu)化措施，SCR入口NOx平均質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低，SCR入口NOx質(zhì)量濃度超過250 mg/m3和300 mg/m3的時(shí)間也大幅減少，3號(hào)SCR入口NOx質(zhì)量濃度平均值降低了50 mg/m3. 煙塵NOx質(zhì)量濃度超過50 mg/m3的時(shí)間進(jìn)一步減至0，整個(gè)NOx排放處于最優(yōu)狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)在任何時(shí)刻都達(dá)到“近零排放”的環(huán)保要求.

5 結(jié) 論

(1) 提出通過SO2質(zhì)量濃度及入口NOx質(zhì)量濃度來確定SCR最低投運(yùn)溫度方法，在最優(yōu)情況下SCR最低投運(yùn)溫度可以降至293 ℃，確保了鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷(220 MW)以上全工況脫硝的實(shí)現(xiàn).

(2) 將容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)思想引入脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯，確保脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行.

(3) 通過NOx生成端優(yōu)化，機(jī)組NOx質(zhì)量濃度平均值進(jìn)一步降低，基本控制在200 mg/m3，同時(shí)大幅減少了入口NOx質(zhì)量濃度超過250 mg/m3的時(shí)間，極大緩解了NOx脫除端的控制壓力.

(4) 在原有的前饋-反饋串級(jí)控制基礎(chǔ)上引入智能預(yù)測(cè)前饋控制，有效地進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，大幅提高了系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力，有效地將煙囪出口NOx質(zhì)量濃度控制在50 mg/m3以下. 通過表8看出，優(yōu)化后10 d時(shí)間煙囪出口NOx質(zhì)量濃度沒有超過50 mg/m3，有效地控制了NOx質(zhì)量濃度的超標(biāo).

(5) 通過上述熱工控制優(yōu)化，煙囪出口NOx質(zhì)量濃度超過50 mg/m3的時(shí)間進(jìn)一步減至0，整個(gè)脫硝NOx排放處于最優(yōu)狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)在任何時(shí)刻都達(dá)到“近零排放”的環(huán)保要求.

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Thermal Control Investigation and Engineering Practice of an SCR Denitration System in Near-zero Emission Coal-fired Units

LIDebo1,ZENGTinghua1,LIAOYongjin1,FENGYongxin1,MAOYisheng2,XIEBin2,ZHANGGuiping2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China;2. Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, Guangdong Province, China)

To solve the problem existing in a certain coal-fired thermal power plant that its SCR denitrification system was unable to keep long-term stable NOxemission after near-zero emission retrofit, an investigation was conducted on the thermal control logic, and subsequently key thermal control technologies were proposed for the SCR denitrification system, which were then put into engineering application. Results show that the average NOxconcentration of unit could be reduced to below 200 mg/m3through optimization on the generation process of NOx; effective deviation adjustment could be fulfilled by introducing intelligent predictive feedforward control to the original feedforward-feedback cascade control; the emission concentration of NOxfrom the funnel could be reduced to below 50 mg/m3.

SCR denitration system; near-zero emission; thermal control

2015-10-19

2016-02-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376161)； 中國(guó)南方電網(wǎng)重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目

李德波(1983-)，男，湖北宜昌人，高級(jí)工程師，博士，主要從事煤粉燃燒污染物控制、超超臨界燃煤機(jī)組調(diào)試、試驗(yàn)、煤粉燃燒高級(jí)數(shù)值模擬、大規(guī)模并行計(jì)算方法和程序開發(fā)等方面的研究. 電話(Tel.)：15920528785；E-mail：ldbyx@126.com.

1674-7607(2017)07-0569-08

TK32

A

510.80