秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司 徐景新

1 研究工況和優(yōu)化方法

1.1 研究工況

本研究以某電廠亞臨界320MW 機(jī)組鍋爐為例，鍋爐主SCR 脫硝系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)安裝，而脫硝的裝置則選擇安裝于省煤器和空氣預(yù)熱器兩者的中間（如下圖1），混合氨和稀釋風(fēng)后由渦流靜態(tài)混合式噴氨格柵噴入SCR 煙道。在當(dāng)前的使用過(guò)程中，脫硝反應(yīng)器和煙囪出口氮氧化物在線儀表測(cè)量值一直存在一定的偏差，影響了環(huán)保排放指標(biāo)管控。

圖1 SCR 裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 優(yōu)化過(guò)程分析

在進(jìn)行脫硝SCR 噴氨優(yōu)化控制前，對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生原因進(jìn)行初步查找分析，此是測(cè)量牌穩(wěn)定負(fù)荷下的脫硝反應(yīng)器出口，其氮氧化物質(zhì)量的濃度和氨氣體積比的相應(yīng)分布，再結(jié)合脫硝系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行綜合分析和診斷，最后再對(duì)查找出的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)論證。

針對(duì)上述查找出的問(wèn)題，首先測(cè)出脫硝反應(yīng)器出口的氮氧化物質(zhì)量濃度及氨氣逃逸體積比值，再調(diào)整反應(yīng)器進(jìn)口的噴氨總量和噴氨手動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥的開(kāi)度，在調(diào)整過(guò)程中保持對(duì)氮氧化物和氨逃逸分布測(cè)點(diǎn)的持續(xù)測(cè)量；通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化，進(jìn)一步提升煙道內(nèi)氮氧化物質(zhì)量濃度與氨逃逸的均勻性。當(dāng)調(diào)整后對(duì)SCR 脫硝噴氨控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)PID 參數(shù)，尤其是調(diào)節(jié)前饋進(jìn)行優(yōu)化，以降低脫硝系統(tǒng)延遲性。當(dāng)優(yōu)化調(diào)整后投入脫硝自動(dòng)，檢查脫硝反應(yīng)區(qū)出口氮氧化物和煙囪氮氧化物偏差，以及空預(yù)器后氨逃逸的代表性；必要時(shí)，再依據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行反復(fù)微調(diào)。具體優(yōu)化調(diào)整流程如圖2所示。

圖2 噴氨優(yōu)化調(diào)整流程圖

2 火電廠SCR 脫硝系統(tǒng)噴氨控制優(yōu)化

2.1 查找問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)癥結(jié)

在整個(gè)優(yōu)化調(diào)整開(kāi)始前，保持機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，煙囪出口位置的氮氧化物質(zhì)量濃度穩(wěn)定在25mg/Nm3左右。

運(yùn)行人員調(diào)整鍋爐負(fù)荷分別穩(wěn)定在320MW、240MW、120MW 負(fù)荷段，使用網(wǎng)格法對(duì)脫硝反應(yīng)器出口的氮氧化物質(zhì)量濃度測(cè)量。于脫硝反應(yīng)器出口兩側(cè)分別設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即A 側(cè)、B 側(cè)，在每一個(gè)測(cè)孔順深度向從外向內(nèi)布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，以此來(lái)對(duì)不同位置的氮氧化物質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)處于不同負(fù)荷情況時(shí)，氮氧化物質(zhì)量濃度的分布不均勻度顯示為：320MW 負(fù)荷下脫硝反應(yīng)器出口A 側(cè)65.00%、B 側(cè)91.10%；240MW 負(fù)荷下脫硝反應(yīng)器出口A 側(cè)57.60%、B 側(cè)90.20%；120MW負(fù)荷下脫硝反應(yīng)器出口A 側(cè)58.20%、B 側(cè)85.40%，進(jìn)而說(shuō)明脫硝反應(yīng)器出口氮氧化物在不同的負(fù)荷狀態(tài)下質(zhì)量濃度的分布不均勻基本相當(dāng)。

通過(guò)在不同負(fù)荷段下出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布來(lái)判斷，氮氧化物質(zhì)量濃度順煙道寬度方向?qū)Φ姆植加幸恢滦訹1-2]。分析主要原因可能是由于旋流爐處于不同的負(fù)荷之下，不同磨煤機(jī)運(yùn)行影響燃燒層等火焰中心高度的改變，對(duì)沿?zé)煹缹挾确较虍a(chǎn)生的影響較小，沒(méi)有對(duì)煙氣流場(chǎng)與氮氧化物的分布產(chǎn)生影響，由此致使不同負(fù)荷下出口氮氧化物濃度沿?zé)煹缹挾确较蜃兓　?/p>

2.2 優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量所查出的問(wèn)題結(jié)果顯示，氮氧化物質(zhì)量濃度的高低點(diǎn)在煙道寬度方向區(qū)域位置基本一致。所以，對(duì)其對(duì)應(yīng)區(qū)域的噴氨格柵調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整即能達(dá)到符合不同負(fù)荷下的噴氨要求標(biāo)準(zhǔn)。主要內(nèi)容為：當(dāng)鍋爐處于穩(wěn)定負(fù)荷工況下，將脫硝反應(yīng)器出口氮氧化物濃度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值；依據(jù)網(wǎng)格法測(cè)量得出的氮氧化物濃度的分布特點(diǎn)，逐一調(diào)大高氮氧化物濃度區(qū)域所對(duì)應(yīng)的格柵蝶閥開(kāi)度，調(diào)小低氮氧化物濃度區(qū)域?qū)?yīng)的格柵蝶閥開(kāi)度，即通過(guò)對(duì)多只噴氨格柵調(diào)閥加以針對(duì)性調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用，平衡反應(yīng)器出口煙道的氮氧化物濃度[3-4]。

在調(diào)整優(yōu)化的過(guò)程中，必須通過(guò)多次反復(fù)的測(cè)量對(duì)比進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大程度的均衡氮氧化物濃度的目的[5-6]。同時(shí)，在每次調(diào)整過(guò)程中務(wù)必保持同步對(duì)空預(yù)器出口氨逃逸測(cè)量值進(jìn)行監(jiān)視，避免調(diào)整后出現(xiàn)局部區(qū)域氨逃逸超標(biāo)的情況。經(jīng)多負(fù)荷段下調(diào)整，將噴氨格柵調(diào)閥開(kāi)度固定在最佳開(kāi)度上，并做好記錄。

依據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比反應(yīng)器出口氮氧化物濃度的分布可知：受煙氣流暢分布不均影響，A 側(cè)的4號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域和5號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域和B 側(cè)的1號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、7號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、8號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、9號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域的氮氧化物聚集濃度較高；A 側(cè)1號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、2號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、11號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、12號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域及B 側(cè)2號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、5號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、10號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、11號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、12號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域的氮氧化物聚集濃度較低。根據(jù)該分布特點(diǎn)，在調(diào)整時(shí)應(yīng)提高A 側(cè)4號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、5號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域及B 側(cè)1號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、7號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、8號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、9號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的噴氨格柵調(diào)閥開(kāi)度；降低A 側(cè)1號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、2號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、11號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、12號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域及B 側(cè)2號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、3號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、4號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、5號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、10號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域、12號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的噴氨格柵調(diào)閥開(kāi)度。表1為優(yōu)化前和優(yōu)化后的噴氨格柵調(diào)閥開(kāi)度記錄。

表1 優(yōu)化前和優(yōu)化后噴氨手動(dòng)調(diào)節(jié)的蝶閥開(kāi)度

本次優(yōu)化調(diào)整是在240MW 的負(fù)荷工況下開(kāi)展，控制煙囪出口的氮氧化物濃度在25mg/Nm3，具體優(yōu)化效果如下所示。

2.2.1 氮氧化物濃度不均勻度

經(jīng)過(guò)以上的分析和進(jìn)行調(diào)整之以，針對(duì)240MW負(fù)荷工況下的脫硝反應(yīng)器存在的問(wèn)題得到有效的改善，即提高了出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布均勻性。

2.2.2 氨逃逸

下圖3顯示為在240MW 負(fù)荷工況下，脫硝反應(yīng)器出口A 側(cè)和B 側(cè)的優(yōu)化前、優(yōu)化后氨逃逸曲線。

圖3 氨氣逃逸體積比分布

圖3顯示表明，空預(yù)器出口氨逃逸數(shù)值在優(yōu)化前同樣存在分布不均的現(xiàn)象，而且局部已經(jīng)超標(biāo)，A側(cè)和B 側(cè)的最大值全部高于3μL/L，在經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化調(diào)整之后，空預(yù)器出口A、B 側(cè)煙道內(nèi)的氨逃逸最大值均出現(xiàn)不同幅度的下降，分別從3.01μL/L、3.10μL/L 降低到1.98μL/L、1.92μL/L，同時(shí)平均值也得到了降低，分別從1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L。由此可以看出，在空預(yù)器出口煙道局部氨逃逸過(guò)大的現(xiàn)象得到有效改善，并且氨逃逸分布趨于平緩，分析原因應(yīng)該是通過(guò)對(duì)噴氨格柵調(diào)閥進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，SCR 反應(yīng)器出口氮氧化物濃度的分布具有更好的均勻性，對(duì)不同聚集分布位置的氮氧化物采用不同針對(duì)性的噴氨量，使得以前存在不合理噴氨造成氨氮摩爾比失衡的情況也得到了優(yōu)化改善。

2.2.3 脫硝SCR 噴氨控制邏輯優(yōu)化

由于脫硝CEMS 系統(tǒng)取樣本身為大延遲系統(tǒng)，被控對(duì)象滯后于實(shí)際煙氣1～2min；同時(shí)儀表分析儀定時(shí)反吹及標(biāo)定又使該系統(tǒng)在控制環(huán)節(jié)上存在了一定的不可控性。因此，不但脫硝自動(dòng)調(diào)節(jié)性能較差，脫硝反應(yīng)器出口氮氧化物和煙囪排口氮氧化物也長(zhǎng)期存在偏差。因此，在通過(guò)以上物理調(diào)節(jié)優(yōu)化煙氣流程和噴氨均勻度以后，還需對(duì)脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的優(yōu)化。進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID 參數(shù)，通過(guò)噴氨母管調(diào)節(jié)閥噴氨量和閥門(mén)開(kāi)度的變化速度，相應(yīng)減小比例系數(shù)，增大積分環(huán)節(jié)；同時(shí)為消除系統(tǒng)延遲，在串級(jí)前饋控制系統(tǒng)中，增加氧量及風(fēng)煤比前饋提前預(yù)判鍋爐燃燒變化后的煙氣氮氧化物濃度變化趨勢(shì)，緩解CEMS 分析儀反吹、標(biāo)定造成的系統(tǒng)不可控性，使脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)水平進(jìn)一步提高[7-8]。

2.2.4 優(yōu)化前后氮氧化物在線儀表測(cè)量值偏差對(duì)比

優(yōu)化前脫硝反應(yīng)器出口氮氧化物原本調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，并且和煙囪的出口氮氧化物在線儀表值存在一定的偏差，經(jīng)過(guò)對(duì)噴氨優(yōu)化調(diào)整后，脫硝氮氧化物控制穩(wěn)定，偏差得到有效的降低。下圖5顯示為優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩者質(zhì)量濃度值的曲線對(duì)比。

圖5 脫硝反應(yīng)器與煙囪的出口氮氧化物質(zhì)量濃度值

從圖4的顯示可看出，在整體優(yōu)化以前，反應(yīng)器A 側(cè)出口氮氧化物質(zhì)量濃均值35.68mg/m3，而反應(yīng)器B 側(cè)濃均值為36.24mg/m3，煙囪出口均值為25.25mg/m3；而經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，反應(yīng)器A 側(cè)出口氮氧化物質(zhì)量濃均值28.35mg/m3，而反應(yīng)器B 側(cè)濃均值為28.57mg/m3，煙囪出口均值為23.21mg/m3。脫硝反應(yīng)器和煙囪的出口氮氧化物在線儀表測(cè)量值偏差縮小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果較好。

圖4

通過(guò)分析認(rèn)為，脫硝反應(yīng)器出口的煙氣CEMS取樣點(diǎn)位于煙道中高氮氧化物質(zhì)量濃度的區(qū)域，且噴氨格柵對(duì)應(yīng)度不好，所以抽取煙氣的代表性較差；同時(shí)煙氣抽取過(guò)程需要1min，本身就存在延遲性，所以脫硝出口較煙囪出口的氮氧化物在線儀表測(cè)量值偏高較多。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整之后，噴氨格柵的開(kāi)度與煙道中煙氣流場(chǎng)匹配度更高，脫硝反應(yīng)器出口的氮氧化物濃度分布均勻性好，取樣點(diǎn)抽取的煙氣更有代表性；并且經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化后，增加了前饋，有了超前預(yù)判調(diào)節(jié)，所以脫硝反應(yīng)器與煙囪的出口氮氧化物在線儀表測(cè)量值偏差減小，且控制穩(wěn)定。

2.3 效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述調(diào)整優(yōu)化的普適性，選擇在320MW、120MW 負(fù)荷工況下再次進(jìn)行噴氨效果的驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證結(jié)果顯示：在當(dāng)前脫硝噴氨調(diào)節(jié)作用下，煙囪出口的氮氧化物質(zhì)量濃度控制在25mg/Nm3左右；在320MW 負(fù)荷工況下分布不均勻度A側(cè)為32.50%、B 側(cè)為36.00%；在120MW 負(fù)荷工況下分布不均勻度A 側(cè)為34.00%、B 側(cè)為32.10%，與240MW 偏差不大，具有較好的一致性。

3 結(jié)論

綜上分析，本文主要對(duì)火電廠脫硝SCR 系統(tǒng)的噴氨過(guò)程和調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)查找存在問(wèn)題并優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步取得較為顯著的噴氨優(yōu)化效果。通過(guò)優(yōu)化后，在機(jī)組各負(fù)荷工況下有效地改善了脫硝反應(yīng)器出口氮氧化物質(zhì)量濃度的分布均勻性，脫硝反應(yīng)器出口和煙囪出口的氮氧化物在線儀表測(cè)量值偏差下降到5mg/Nm3左右，提高了脫硝自動(dòng)的投入率，能夠大幅降低運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度；同時(shí)空預(yù)器后的煙氣中氨逃逸最大值均出現(xiàn)下降，運(yùn)行過(guò)程中的氨逃逸平均值也得到了降低，分別從1.92μL/L、2.08μL/L 降低到1.30μL/L、1.42μL/L，提高了脫硝效率，避免了調(diào)節(jié)過(guò)程中噴氨過(guò)量影響硫酸氫銨堵塞空預(yù)器的情況發(fā)生，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行作出了貢獻(xiàn)。