針對600MW燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)運行中的一些問題，進(jìn)行了控制系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)不僅滿足環(huán)保排放要求，同時其可靠性及經(jīng)濟(jì)性也得到了提高。
1、引言
SCR脫硝(選擇性催化還原技術(shù))是目前比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)，它是一種爐后脫硝方法，是利用還原劑(NH3，尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O,而不是被O2氧化，故稱為“選擇性”。目前世界上流行的 SCR 工藝主要分為氨法SCR和尿素法SCR 2種。此2種法都是利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒多少影響的N2和水，還原劑為NH3。
2.1 系統(tǒng)簡介
大唐國際王灘電廠機(jī)組為600MW亞臨界燃煤機(jī)組,鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為2030t/h，電廠機(jī)組已運行5年，于2011年新增了煙氣脫硝裝置，以降低煙氣中氮氧化物NOx的排放量。采用尿素?zé)峤夥ㄖ苽涿撓踹€原劑，公用系統(tǒng)及裝置按全廠2臺爐改造整體容量設(shè)置，兩臺爐脫硝系統(tǒng)均按照SCR入口NOx濃度為400mg/Nm3(6%O2，標(biāo)態(tài)，干基)設(shè)計，初裝2層催化劑后，要求在鍋爐任何工況處理100%煙氣量條件下脫硝效率不小于80%。
王灘電廠的脫硝工程采用的是選擇性催化還原脫硝工藝(SCR)，SCR 是目前比較成熟的煙氣脫硝技術(shù), 它是一種爐后脫硝方法，是利用還原劑(NH3，尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，該方法脫硝效率高，價格相對低廉。脫硝系統(tǒng)的反應(yīng)器是布置在省煤器與空氣預(yù)熱器之間，煙氣在鍋爐出口被平分成兩路，兩路煙氣并行從鍋爐尾部低溫省煤器下部引出口至SCR 反應(yīng)器、經(jīng)過SCR反應(yīng)器進(jìn)入空預(yù)器。在催化劑的作用下，氨氣與煙氣中的NOx反應(yīng)生成氮氣和水從而達(dá)到除去氮氧化物的目的。
SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：
2.2 SCR脫硝控制原理及控制方式
脫硝原理反應(yīng)方程式如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
脫硝系統(tǒng)的控制方式一般分為效率控制模式和濃度控制模式。效率控制模式以脫硝效率作為設(shè)定值，能夠保持脫硝效率在一個比較穩(wěn)定的水平，控制方式比較簡單。濃度控制模式以SCR出口NOx濃度作為設(shè)定值，控制脫硝出口的NOx濃度滿足排放要求。對于采用低氮燃燒器的機(jī)組，SCR入口NOx濃度比較低的情況，濃度控制模式可以減少氨氣用量是比較經(jīng)濟(jì)的。由于脫硝入口NOx濃度是不斷變化的，而且變脫硝系統(tǒng)存在較大的滯后性，這種控制方式中調(diào)試和整定比較復(fù)雜。
采用哪種控制方式需要根據(jù)電廠的工藝系統(tǒng)情況確定，濃度控制模式對于出口濃度的控制比較直觀、穩(wěn)定，對于采用脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度比較低的電廠，采用濃度控制方式雖然相對要復(fù)雜一些，但在脫硝系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性方面是比較高的。王灘電廠脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計了效率控制模式和濃度控制模式兩種控制方式，由于鍋爐低氮燃燒器的效果不錯，脫硝系統(tǒng)入口一般控制在400mg/Nm3(6%O2，標(biāo)態(tài)，干基)以下，因此在完成系統(tǒng)調(diào)試后，一般都運行在出口濃度控制模式。
上述兩種方式都需要根據(jù)出口濃度及脫硝效率，獲得需氨量，氨氣的噴入量通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，噴氨量少會使脫硝效率過低，過多不但容易導(dǎo)致氨逃逸率上升造成尾部煙道積灰腐蝕，而且從經(jīng)濟(jì)性方面考慮也是一種氨需量的浪費。
氨消耗量的計算如下：
從上面的計算公式，我們可以知道WNOX(SCR入口NOx的含量)、Vgas(SCR入口煙氣量)，是計算氨消耗量至關(guān)重要的參數(shù)，SCR 入口NOx的含量通過專用脫硝CEMS分析儀表能夠?qū)崟r檢測，但SCR入口煙氣量由于煙道的尺寸及煙道內(nèi)氣體流動的不均勻性，很難檢測的非常準(zhǔn)確，也是氨消耗量計算的一個難題。
3.1 控制方式優(yōu)化
3.1.1 優(yōu)化SCR入口煙氣量計算
理論上SCR入口煙氣量與機(jī)組負(fù)荷應(yīng)該有一一對應(yīng)關(guān)系，但生產(chǎn)實際中由于煤種的變化，漏風(fēng)量的變化，運行人員操作習(xí)慣的不同，尤其在現(xiàn)在電網(wǎng)對機(jī)組快速響應(yīng)的要求不斷提高，二個細(xì)則實施以來，SCR入口煙氣量與機(jī)組負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系在不斷的發(fā)生變化。如下圖負(fù)荷、煙氣量、NOx濃度趨勢圖所示，在14:58:37到15:03:51之間機(jī)組負(fù)荷保持不斷的情況下，鍋爐總風(fēng)量還是存在比較大的變化。因此，利用SCR入口煙氣量與機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系擬合煙氣量曲線，并用實際總風(fēng)量進(jìn)行修正是一種比較接近機(jī)組運行中多變的實際情況的。一種比較簡單的方案是用SCR入口煙氣量與機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系擬合的煙氣量曲線與實際煙氣量(一般在DCS系統(tǒng)中都有相應(yīng)的計算)進(jìn)行加權(quán)計算。
這種方式的優(yōu)點在于可以根據(jù)不斷變化的煤種及運行調(diào)整需要，階段性的調(diào)整加權(quán)系數(shù)，保證通過煙氣量計算需氨量的準(zhǔn)確性，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。在下面的優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性分析表1的數(shù)據(jù)分析中也能體現(xiàn)實際總風(fēng)量對SCR入口煙氣量的修正效果。
負(fù)荷、煙氣量、NOx濃度趨勢圖
3.1.2 保持NOx分析儀表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性
無論是效率控制模式還是出口濃度控制模式,都需要用到SCR 出口、入口的NOx濃度，因此SCR出口、入口的NOx濃度在自動系統(tǒng)的投入中是至關(guān)重要的參數(shù)，為保證脫硝出入口NO分析儀表的穩(wěn)定性：
1)脫硝出入口NO分析儀表安裝位置具有代表性
脫硝系統(tǒng)入口的NOx、O2分析儀必須安裝在省煤器出口至反應(yīng)器入口煙道的直管段上，脫硝系統(tǒng)出口NOx、O2、NH3分析儀必須安裝在省煤器出口的直管段上反映器出口至空預(yù)器入口之間的煙道直管段上，直管段才能保證煙道中煙氣流動的穩(wěn)定。分析儀探頭布置示意圖如下圖所示：
分析儀探頭布置示意圖
配置冗余的SCR 出入口NOx濃度分析儀表，在分析儀表消缺或者標(biāo)定過程中，備用分析儀投入運行，保證脫硝出入口氮氧化物測量的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，但成本比較高;因為A、B兩側(cè)物理結(jié)構(gòu)、煙氣反應(yīng)過程基本一直，兩側(cè)的出入口NOx分析儀表數(shù)值接近，可以短時互為備用，在控制邏輯中設(shè)備A、B 側(cè)分析儀表互為備用開關(guān)，在消缺或者標(biāo)定過程中退出運行，用一側(cè)儀表參與兩側(cè)控制。
2)加強(qiáng)對NOX、NH3 等分析儀的定期維護(hù)
由于脫硝系統(tǒng)大多數(shù)是安裝在靜電除塵器前，煙氣中含塵量大，CEMS測量設(shè)備因堵塞導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏差較大，所以有必要進(jìn)行摸索，電廠的煤質(zhì)、維護(hù)周期、更換過濾網(wǎng)等，保證NOx、NH3等分析儀測量準(zhǔn)確，以利于安全可靠生產(chǎn)。
3)保證SCR系統(tǒng)出口、入口氧量準(zhǔn)確性
按照環(huán)保規(guī)程要求，SCR 系統(tǒng)出口、入口NOx測量數(shù)據(jù)需要折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣的濃度參數(shù)，因此SCR出入口NOx濃度分析儀表測量的數(shù)據(jù)是需要有氧量修正計算的，如果氧量測量不準(zhǔn)確，一定會影響到NOx濃度的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，比如：SCR出口氧量異常偏高，SCR出口NOx濃度升高，噴氨量增加，當(dāng)氨氣供應(yīng)不能滿足要求，脫硝系統(tǒng)就會跳閘停運。
3.1.3 控制過程優(yōu)化
脫硝系統(tǒng)在生產(chǎn)運行過程中，為減少系統(tǒng)的非正常情況下的停運次數(shù)，特地進(jìn)行了流程優(yōu)化。在脫硝控制系統(tǒng)在氨氣空氣分配模塊中，如果氨氣流量降低到臨界值時，整個系統(tǒng)正在運行的噴槍同時跳閘。這樣脫硝系統(tǒng)的投運率和設(shè)備可靠經(jīng)濟(jì)運行都會受到影響，對該邏輯優(yōu)化為：當(dāng)流量降到臨界值時，噴槍不是一起跳閘，而是分別延時跳閘，延時的時間以電動門關(guān)閉時長來定。當(dāng)流量降到臨界值時，噴槍順次延時跳閘，一、二只噴槍停止后，流量可能就不再降到臨界值，這時，系統(tǒng)其他的噴槍就可以繼續(xù)運行。運行人員就可有時間來干預(yù)系統(tǒng)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使得系統(tǒng)恢復(fù)正常運行狀態(tài)。
4、優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性分析
以某廠600MW亞臨界、汽包爐脫硝系統(tǒng)為對象，采用效率控制模式及出口濃度控制模式運行數(shù)據(jù)如下表：
不同控制模式數(shù)據(jù)對比表
注：表中(1)效率控制模式下的數(shù)據(jù)采集條件是：效率設(shè)定75%,采用負(fù)荷對應(yīng)SCR入口煙氣量;(2)出口濃度控制模式下的數(shù)據(jù)采集條件是：出口NOX 設(shè)定值80mg/Nm3;采用實際總風(fēng)量對應(yīng)SCR 入口煙氣量。
從上面的數(shù)據(jù)可以明顯看到，在脫硝濃度控制模式下，盡管出口濃度設(shè)定的比較高，耗氨量比較低，脫硝效率并不低，一方面可見出口濃度控制模式的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于效率控制模式的控制效果;另一方面效率控制模式與出口濃度控制模式是采集的兩天不同的數(shù)據(jù)，可見煤種變化、人員操作習(xí)慣的因素對于耗氨量還是有很大影響的;還有實際總風(fēng)量對應(yīng)SCR入口煙氣量的修正效果也很明顯。
5、結(jié)論
實踐中對脫硝控制系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了一些摸索，通過對SCR入口煙氣量計算、NOx分析儀表數(shù)據(jù)配置、過程控制邏輯的優(yōu)化，提高了脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高，明顯減少了由于參數(shù)變化導(dǎo)致的SCR 系統(tǒng)出口濃度超標(biāo)，同時大大減少了脫硝系統(tǒng)跳閘停運次數(shù);通過對效率控制模式及出口濃度控制模式運行數(shù)據(jù)的對比分析，可見濃度控制模式的對出口NOx 的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于效率控制模式的控制效果，是一種比較經(jīng)濟(jì)的控制方式。
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