基于脱硝系统改造的自动化优化分析

0引言

某电厂建设规模2×300 MW燃煤发电机组,采用一次再热、双缸双排汽、直接空冷、抽汽凝汽式汽轮发电机,配2× 1 065 t/h国产亚临界、四角切圆燃烧、一次中间再热、固态排渣炉。脱硝装置采用选择性催化还原法(SCR脱硝装置),原吸收剂为纯氨,在设计煤种及校核煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量条件下,脱硝效率不小于92%;催化剂3层布置,氨的逃逸率≤3×10^-6,SO₂/SO₃转化率<1%;脱硝出口NOx折算值浓度<30 mg/Nm³。

本期工程规模:建设2× 300 MW液氨改尿素项目,其中本工程智能喷氨及喷氨优化系统所涉及的机组为1号机组,脱硝采用SCR联合脱硝工艺,尿素水解氨作为脱硝还原剂,NOx排放浓度<30 mg/Nm³(标态,干基,基准氧含量6%)。

脱硝系统为本身明显具备时滞性及很大惯性的自动化调节对象,在机组运行的实际生产过程中,煤质、煤量、氧量变化及变负荷过程中出现的启停磨,尿素水解氨中尿素含量和供汽压力的不稳定,甚至调阀不同开度区间调阀线性的差异,都会对脱硝系统投入自动化控制造成非常大的影响。

1脱硝系统自动化优化中的影响因素

1.1脱硝系统应用氨氮摩尔系数前馈替代传统PID进行自动化调节

因为脱硝系统本身明显具备时滞性及很大惯性的特性,运行人员在手动调节过程中只能依靠“压低”调节使氨过量供给,这样才能使净烟气的NOx含量不超标,但这会造成水解氨在空预器中的过量剩余,导致烟气中的硫化物与氨气反应,在空预器中合成具备黏性和不易清理的硫酸氢铵,造成空预器堵塞^[1]。传统的PID调节系统只能依靠被调量(净烟气或SCR反应器出口)的NOx目标值与设定值进行调节。但基于脱硝系统本身的时变性及滞后性,传统PID控制方案这种依靠NOx目标值和设定值偏差来指导喷氨调阀开度的优化措施会有很大的延迟,导致变负荷工况下或机组平稳运行时如有其他因素对机组平稳燃烧造成巨大影响,则SCR出口的NOx将发生剧烈波动,从而造成环保对电厂的考核^[2]。

基于传统方案的劣势,针对机组变负荷及不平稳燃烧的工况设计了氨氮摩尔比系数方案,此方案的核心是对不同负荷段的不同烟气量中NOx含量及浓度进行计算,建立针对各个不同负荷段的入口NOx 含量的氨氮摩尔系数,在不同负荷下针对不同的入口NOx计算喷氨量。这样可以及时应对机组的不稳定运行工况,弱化PID的作用,使PID控制器的输出量仅作为被调量的修正量。图1为氨氮摩尔系数逻辑 SAMA图。

1.2机组运行中氧量对NOx的影响及针对性优化

炉膛内的氧量对NOx的生成有非常大的影响,在稳态燃烧过程中,运行人员可能会因为不同因素对炉膛进行加风或减风,或者煤量等其他因素的波动也会造成氧量变化。而氧量的增加会使燃烧更加充分,导致燃烧温度升高,NOx的含量与燃烧温度关系密切,温度越高,氮气(N₂)和氧气(O₂)越容易反应生成NO和NO₂。这种反应称为热力学NOx生成,因为高氧量往往伴随着高温,而高温又会导致NOx含量的剧烈提升,燃料中的氮化合物(如氨或氨基化合物)在高氧条件下也会更容易转化为NOx。但是炉膛氧量提升后NOx到出口还有一定的时间。

针对此种情况设计了氧量前馈,在氧量升高时,前馈会针对氧量升高幅度对喷氨量进行预测调整。即针对炉膛氧量的变化对入口的NOx进行预测并给出提前量,使被调量的变化趋势更加平稳。

1.3 启停磨对NOx的影响及针对性优化

在运行过程中发现,启停磨会对入口NOx造成剧烈影响,导致被调量的剧烈波动,而启停磨又是运行人员针对运行工况的操作,DCS系统并不能对启停磨操作进行提前预测。启磨过程中,运行人员先用一次风进行暖磨,会导致炉膛氧量提升^[3],空气系数(O₂量)的变化也会影响NOx的生成。当锅炉氧量增加时,NOx浓度呈现正向变化趋势。这是因为燃料中的氮化 合物与大量的O2发生反应,产生大量的燃料型NOx。停磨时,因为磨煤机停止运行,造成炉膛内燃烧的煤粉量减少,这样会对燃烧的效率和特性造成影响,进而导致烟气中的NOx含量升高。首先,停磨后,因为燃料量的减少,炉膛内的燃烧氧量会相对增高,进而造成燃烧的局部升温,热力型NOx会在此种环境中急剧增加。其次,当一台磨煤机停止后,某些区域的氧气和燃料浓度比会发生变化,导致局部生成更多的燃料型NOx。另外,在磨煤机停运的情况下,运行人员可能会调整燃烧器的配风,以保持炉膛内的燃烧稳定性。这种调整可能会导致更多的空气进入燃烧区域,提高燃烧温度或提供更多的氧气,从而促进NOx的生成。因此,启停磨对机组NOx的影响非常大,应基于磨煤机的运行状态判断是否在启停磨。

本方案用计数块对磨煤机运行台数进行计数,在启停磨时进行前馈预测,针对NOx含量提前进行喷氨阀门的调整,从而使被调量(出口NOx或净烟气NOx)趋势更加平稳。

2应用上述针对性措施后效果展示

1)应用氨氮摩尔系数后,在变负荷及工况突然变化情况下不同负荷段被调量的曲线如图2所示,可以看出被调量的变化始终在验收规程允许的范围内,且对NOx含量的突然变化,此方案能及时响应,并将被调量调至稳态。此方案相较传统PID控制方案对脱硝系统的调试更为合适。

2)应用氧量前馈后,在机组变负荷及非稳态工况下,被调量曲线趋势更加平稳。在氧量变化时,氧量预测前馈可以提前预测入口NOx变化趋势,并使喷氨调阀提前动作,使被调量曲线无大幅波动。图3为应用氧量前馈前净烟气NOx折算值波动趋势,图4为应用氧量前馈后净烟气NOx折算值波动趋势。

3)应用启停磨前馈后,机组大幅升降负荷期间,净烟气NOx含量一直满足环保要求。图5为启停磨扰动情况,图6为应用前馈后被调量趋势。

3 结束语

根据优化前后曲线对比可以明显得出,氧量和启停磨对机组脱硝自动化调节影响非常大,而脱硝系统又是一个具有时变性和滞后性的系统,在环保要求日益严格的如今,运行人员手动调节时采用尽量压低多喷的方法,会生成硫氢化合物粘附在空预器上,影响空预器寿命。而本文所用方案能实现对脱硝系统入口NOx含量的精准预测,针对启停磨及机组工况变化进行提前喷氨,有效降低出口NOx含量的波动幅度,实现机组全负荷段100%自动化投入,且调节效果良好,从而减轻了运行人员操作负担,维护了机组安全稳定经济运行。

[参考文献]

[1]樊泉桂.锅炉原理[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2] 陈皓炜,贾新春,孙小明,等.SCR脱硝系统的强化学习复合串级控制[J].动力工程学报,2022,42(5):421-428.

[3] 叶涛.热力发电厂[M].4版.北京:中国电力出版社,2012.

2025年第3期第16篇