肖黎明，劉德進(jìn)，潘超宇，蔡 文，曾令大，劉榮輝

(1.中國華電集團(tuán)發(fā)電運(yùn)營有限公司，北京 100031；2.天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300)

0 引言

在“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營的綠色清潔化，對(duì)于發(fā)電企業(yè)意義重大。燃?xì)鈾C(jī)組作為新型發(fā)電機(jī)組，在提供電能、熱能的同時(shí)也排放出氮氧化物[1-2]。目前，發(fā)電機(jī)組氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)苛，除了國家相關(guān)控排標(biāo)準(zhǔn)外，各地又相繼出臺(tái)了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)應(yīng)在確保機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，推動(dòng)技術(shù)改進(jìn)和設(shè)備升級(jí)，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，機(jī)組煙氣凈化系統(tǒng)的監(jiān)控大都集成在DCS系統(tǒng)，但在實(shí)際操作中，還存在一些問題，如自動(dòng)控制水平不高，需手動(dòng)操作輔助；控制邏輯與現(xiàn)場(chǎng)匹配度不高；報(bào)警系統(tǒng)不完善，操作人員無法快速識(shí)別異常工況等[4-5]。因此，以某電廠燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例對(duì)DCS中脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過構(gòu)建計(jì)算環(huán)保參數(shù)小時(shí)實(shí)時(shí)均值的算法和環(huán)保排放數(shù)據(jù)預(yù)警策略，保證機(jī)組環(huán)保指標(biāo)得到有效控制的同時(shí)方便人員監(jiān)測(cè)與操作。

1 機(jī)組脫硝系統(tǒng)概述

該電廠燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主要由1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)(GE 9HA燃?xì)廨啓C(jī))、1臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)汽輪機(jī)以及相關(guān)輔助系統(tǒng)和設(shè)備組成。機(jī)組DCS系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)與汽輪機(jī)部分為Mark VIe系統(tǒng)，余熱鍋爐部分為max DNA系統(tǒng)，脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)，設(shè)計(jì)脫硝效率65 %，保證效率不低于50 %，脫硝層數(shù)1層。

SCR主要由氨氣輸送計(jì)量系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、AIG噴氨格柵系統(tǒng)、催化劑系統(tǒng)組成。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)抽取鍋爐約350 ℃的煙氣，利用離心風(fēng)機(jī)加壓并加入氨氣；氨氣和原煙氣混合后通過噴氨格柵進(jìn)入上游煙道中，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 機(jī)組脫硝系統(tǒng)流程

噴氨格柵前安裝煙氣在線檢測(cè)儀，用于檢測(cè)省煤器與空氣預(yù)熱器間煙道內(nèi)NOX，O2以及煙氣溫度、壓力等；鍋爐尾部安裝氨逃逸檢測(cè)儀，用于檢測(cè)未反應(yīng)的氨氣逃逸量，保證氨(NH3)逃逸率不超過3 %。脫硝系統(tǒng)納入機(jī)組DCS，完成數(shù)據(jù)采集、順序控制和調(diào)節(jié)控制功能，人員可通過DCS完成對(duì)脫硝系統(tǒng)的啟/?？刂?、運(yùn)行監(jiān)視與調(diào)整以及異常工況的處理和故障診斷等。

2 脫硝系統(tǒng)監(jiān)控中的問題

燃?xì)鈾C(jī)組因啟動(dòng)迅速、響應(yīng)負(fù)荷速度快的特性，被充當(dāng)電網(wǎng)中的調(diào)峰機(jī)組使用。通用DCS系統(tǒng)在機(jī)組啟停等復(fù)雜工況下監(jiān)控難度大，且環(huán)保指標(biāo)控制精準(zhǔn)度低，氨氣用量大，經(jīng)濟(jì)性差。如燃?xì)鈾C(jī)組在2—9月期間總啟停次數(shù)達(dá)76次，指標(biāo)超標(biāo)小時(shí)數(shù)達(dá)94 h，脫硝效果不佳。

煙氣脫硝效率與NH3逃逸率是脫硝系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)，復(fù)雜惡劣的脫硝環(huán)境會(huì)導(dǎo)致局部氨逃逸超標(biāo)以及出口NOX濃度分布不均等問題的出現(xiàn)。影響NOX排放濃度的因素很多，如燃燒方式、燃料溫度和壓力、空氣溫度和濕度等，特別在燃機(jī)啟停和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，因主燃料較少，易造成NOX濃度高；燃?xì)廨啓C(jī)通流間隙、密封間隙過大會(huì)改變空燃比，也會(huì)影響NOX的生成量；燃燒調(diào)整方式和不同運(yùn)行水平的人員也會(huì)對(duì)NOX排放產(chǎn)生一定的影響。

3 脫硝系統(tǒng)參數(shù)預(yù)警優(yōu)化

3.1 NOX小時(shí)均值計(jì)算

對(duì)于脫硝NOX小時(shí)均值，可按照DB 12/810—2018《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中“新建燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組氮氧化物排放濃度須低于30 mg/m3排放限值”的要求進(jìn)行計(jì)算。污染物小時(shí)均值定義為煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(continuous emission monitoring system，CEMS)第n小時(shí)測(cè)量污染物排放干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度平均值，污染物干基標(biāo)態(tài)濃度是指煙氣在去除水分、冷卻到接近0 ℃、壓力在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的濃度。

(1) 污染物質(zhì)量濃度分鐘數(shù)據(jù)(計(jì)算區(qū)間為1 min)按公式(1)計(jì)算：

式中：CQj為CEMS第j分鐘測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度的平均值，mg/m3；CQi為CEMS最大間隔5 s采集測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度的瞬時(shí)值，mg/mm3；n為該分鐘內(nèi)CEMS采集到的有效測(cè)量瞬時(shí)值個(gè)數(shù)。

(2) 污染物質(zhì)量濃度分鐘數(shù)據(jù)(計(jì)算區(qū)間為1 h)按公式(2)計(jì)算：

式中：CQh為CEMS在1 h內(nèi)測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度平均值，mg/m3；CQj為CEMS第j分鐘測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度的平均值，mg/m3；k為CEMS在該小時(shí)內(nèi)有效測(cè)量的分鐘均值個(gè)數(shù)。

(3) 污染物質(zhì)量濃度小時(shí)數(shù)據(jù)可根據(jù)公式(1)、公式(2)推導(dǎo)得出：

式中：CQh為CEMS在1 h內(nèi)測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度平均值，mg/m3；CQi為CEMS最大間隔5 s采集測(cè)量污染物干基標(biāo)態(tài)質(zhì)量濃度的瞬時(shí)值，mg/m3；m為CEMS在1 h內(nèi)有效測(cè)量的瞬時(shí)值個(gè)數(shù)。

在機(jī)組啟動(dòng)初期，為及時(shí)精確投入脫硝系統(tǒng)，通過DCS邏輯計(jì)算得出小時(shí)實(shí)時(shí)均值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算該小時(shí)段的NOX排放均值。按照HJ76—2017《固定污染源煙氣(SO2，NOX、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》中NOX示值誤差需滿足：當(dāng)滿量程大于等于410 mg/m3時(shí)，示值誤差不超過±5 %；當(dāng)滿量程小于410 mg/m3時(shí)，示值誤差不超過±2.5 %以及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于等于200 s的要求。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，循環(huán)周期與CEMS采集周期相同均為1 s。計(jì)算過程可實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、基本計(jì)算、復(fù)位清零和累計(jì)計(jì)算等，見圖2。

圖2 小時(shí)實(shí)時(shí)均值計(jì)算流程

3.2 NOX小時(shí)均值計(jì)算優(yōu)化

脫硝設(shè)備操作基于max DNA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可實(shí)時(shí)顯示NOX小時(shí)均值，以確保相關(guān)監(jiān)測(cè)值處于預(yù)警值以下。除計(jì)算功能外，該系統(tǒng)還可通過相關(guān)功能模塊的選用，進(jìn)行邏輯搭建，實(shí)現(xiàn)NOX小時(shí)均值的計(jì)算優(yōu)化，計(jì)算邏輯見圖3。

圖3 計(jì)算邏輯

(1) 將實(shí)時(shí)的NOX數(shù)值按1 s間隔進(jìn)行累加，再用累加值除以累計(jì)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，得到NOX均值。為得到NOX小時(shí)均值，計(jì)算得到的數(shù)值需每小時(shí)復(fù)位清零一次，然后進(jìn)入下一個(gè)小時(shí)周期，重新計(jì)算。若按秒級(jí)頻次計(jì)算，每小時(shí)則可得3 600個(gè)數(shù)據(jù)。

(2) 功能塊搭建中，使用了ALRMCLCK模塊。該模塊可理解為時(shí)鐘塊，可輸出實(shí)時(shí)的時(shí)鐘、分鐘以及秒鐘。基于此模塊的不同特性，可計(jì)算出體現(xiàn)實(shí)時(shí)性的多個(gè)參數(shù)值。例如通過TOTL累計(jì)塊，用來累計(jì)計(jì)算NOX瞬時(shí)值；使用MUL乘法塊，可將分鐘數(shù)換算為秒數(shù)；借助ADD加法塊，可得到總秒數(shù)；利用DIV除法塊，可計(jì)算均值等。

(3) 經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該邏輯可正確實(shí)現(xiàn)NOX小時(shí)均值的計(jì)算功能。

(4) NOX均值計(jì)算方法可推廣至含氧量和顆粒物等參數(shù)計(jì)算，但只能計(jì)算出小時(shí)均值，不具備數(shù)據(jù)超標(biāo)預(yù)判和超標(biāo)原因影響源分析功能。

3.3 環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)視畫面優(yōu)化

按照HJ76—2017要求監(jiān)測(cè)的信息包括NOX相關(guān)數(shù)據(jù)、CO相關(guān)數(shù)據(jù)、含氧量、煙溫、流速、壓力以及脫硝效率等。然而在機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，因參數(shù)多、數(shù)據(jù)量龐大，容易發(fā)生超標(biāo)的數(shù)據(jù)捕捉不及時(shí)等問題，因此，為方便現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，可從DCS環(huán)保相關(guān)數(shù)據(jù)中，篩選出關(guān)鍵參數(shù)，制作數(shù)據(jù)匯總表并增設(shè)專用監(jiān)視畫面。匯總表主要包含脫硝出口NOX含量(折算)以及煙囪出口煙塵含量(折算)、O2含量、CO含量、CO2含量、NOX含量、流速、標(biāo)桿流速、溫度、濕度、壓力以及脫硝效率等數(shù)據(jù)和相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)限值。同時(shí)，專用監(jiān)視畫面也可將NOX小時(shí)均值等參數(shù)納入監(jiān)視范圍，以方便運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，提高控排能力。

重要參數(shù)超標(biāo)通過設(shè)置預(yù)警區(qū)來顯示報(bào)警，如脫硝出口NOX含量報(bào)警閾值設(shè)為25 mg/m3，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過該值后，數(shù)值顯示開始紅標(biāo)閃爍，以提示操作人員注意及時(shí)調(diào)整。預(yù)警區(qū)的增設(shè)，為發(fā)電運(yùn)行監(jiān)控人員提供了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、應(yīng)急處理的緩沖區(qū)，留出必要的處理時(shí)間。

4 優(yōu)化前后效果對(duì)比與討論

4.1 技術(shù)優(yōu)越性

根據(jù)預(yù)警技術(shù)優(yōu)化前后的反饋信息，其技術(shù)優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下方面。

(1) 控排效果。對(duì)比優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中，氮氧化物排放次均超標(biāo)小時(shí)數(shù)下降38 %，污染物排放控制效果顯著。

(2) 經(jīng)濟(jì)性。在滿足瞬時(shí)氮氧化物達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，每次啟動(dòng)過程氨氣均用量下降54 %，小時(shí)氨氣均用量降低12.5 %。

(3) 操作性。從氮氧化物超標(biāo)產(chǎn)生原因、小時(shí)均值計(jì)算和監(jiān)控畫面優(yōu)化等各方面展開，優(yōu)化后系統(tǒng)可在氮氧化物出現(xiàn)超標(biāo)后立即預(yù)警，為運(yùn)行監(jiān)控人員提供警示信息。

4.2 后續(xù)展望

(1) 適用性。結(jié)合發(fā)電企業(yè)機(jī)組特性，預(yù)警系統(tǒng)可推廣至CO，CO2，SO2等數(shù)據(jù)的預(yù)警監(jiān)控，為污染物排放、末端治理提供有效依據(jù)，實(shí)現(xiàn)減污降碳、協(xié)同增效的有效監(jiān)管。

(2) 智能化。預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警、運(yùn)行趨勢(shì)判斷等功能。下一步，可通過數(shù)據(jù)分析、邏輯判斷、模型預(yù)警實(shí)現(xiàn)綜合預(yù)警；還可通過判斷模塊查找相應(yīng)的故障源，使運(yùn)行操作人員精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)快速消缺，提升安全保障。

5 結(jié)束語

有效實(shí)施環(huán)保數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警，是落實(shí)發(fā)電機(jī)組執(zhí)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的可靠保證。通過增加排放指標(biāo)預(yù)警信號(hào)、建立預(yù)警系統(tǒng)、設(shè)置預(yù)警閾值等對(duì)DCS進(jìn)行優(yōu)化，使排污監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的直觀性、精確可控性進(jìn)一步提升，為操作人員監(jiān)視和操作提供方便，保證了排放參數(shù)不超標(biāo)，降低因污染物排放超標(biāo)造成的環(huán)保處罰的概率，也為同類型機(jī)組DCS環(huán)保參數(shù)優(yōu)化提供參考。