火電廠脫硝精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的運(yùn)行分析及優(yōu)化

卜 鈺

（國(guó)能江蘇諫壁發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

0 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—2020年）》（發(fā)改能源〔2014〕2093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50 mg/Nm3，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[1]。

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10 mg/Nm3。

某火電廠1 000 MW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[2]。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[3]。

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1 000 MW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1 000 MW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-3040/27.46-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300 mg/Nm3條件下，脫硝效率不小于80%，脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度不大于50 mg/Nm3（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200～300 mg/Nm3。

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。

圖1 精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)流程圖

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NOx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37 m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：1 m、1.8 m、2.6 m，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。

圖2 脫硝出口矩陣式測(cè)量探頭布置圖

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NOx濃度數(shù)值；也可以單獨(dú)分別巡回測(cè)量不同分區(qū)的NOx濃度，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為90 s，10個(gè)測(cè)點(diǎn)巡回測(cè)量時(shí)間為20 min。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600 MW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)NOx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Q1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3所示。

圖3 Q1分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對(duì)比圖

（2）將Q6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。

圖4 Q6分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對(duì)比圖

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15 mg/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Q1、Q2、Q3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。

圖5 Q1、Q2、Q3分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對(duì)比圖

（2）將Q7、Q8、Q9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。

圖6 Q7、Q8、Q9分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對(duì)比圖

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22 mg/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)NOx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。

圖7 噴氨支管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制算法示意圖

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)Q5噴氨支管調(diào)門(mén)自動(dòng)控制算法舉例說(shuō)明。

3.1 Q5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NOx濃度與設(shè)定濃度的偏差乘以一定的比例系數(shù)，即為Q5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)——f（負(fù)荷）

最終Q5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40 mg/Nm3，當(dāng)負(fù)荷為800 MW時(shí)，K5分區(qū)的NOx濃度為50 mg/Nm3（20 min巡回檢測(cè)一次），其對(duì)應(yīng)Q5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。

3.2 Q5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NOx濃度與設(shè)定濃度的偏差乘以一定的比例系數(shù)，即為Q5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Q5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40 mg/Nm3，當(dāng)負(fù)荷800 MW時(shí)，K3分區(qū)NOx濃度為50 mg/Nm3，其對(duì)應(yīng)Q5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(mǎn)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]。

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88 t左右下降到77 t左右，按照市場(chǎng)液氨價(jià)格3 000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0.76 mg/m3（1 ppm）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30 mg/Nm3，優(yōu)化后的脫硝精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)將完全可以滿(mǎn)足該要求。