劉江維
(貴州鴨溪發(fā)電有限公司,貴州遵義563108)
氮氧化物是大氣主要污染物之一,通常所說的氮氧化物有多種不同形式,其中NO和NO2所占比例最大。研究表明,煤炭等化石燃料在高溫燃燒過程中會產(chǎn)生大量的NOx,火力發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)過程中排放的廢氣是NOx的主要來源之一。近年來,隨著環(huán)保要求的日益提高,低NOx燃燒技術(shù)已經(jīng)無法滿足排放要求,環(huán)境污染問題已經(jīng)成為火電行業(yè)發(fā)展的一個制約因素。在此背景之下,鴨溪電廠4×300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組于2013年中開始建設(shè)液氨SCR脫硝系統(tǒng),全部工程于2014年底完工。系統(tǒng)投運之初,由于較為嚴(yán)格的環(huán)保指標(biāo)要求以及運維經(jīng)驗的不足,經(jīng)常出現(xiàn)過量噴氨,日積月累,造成了空預(yù)器堵塞、尾部煙道腐蝕等后果,既不經(jīng)濟(jì)(液氨市場價已近3 000元/t)又影響機(jī)組安全運行。
基于以上現(xiàn)狀,公司成立專項小組,決定對脫硝噴氨自動進(jìn)行全面優(yōu)化。經(jīng)過長期對脫硝出口的濃度趨勢分析和對過往運維經(jīng)驗的總結(jié)得出:(1)目前單回路的自動控制方式無法滿足脫硝出口濃度控制要求;(2)由于鍋爐負(fù)荷的變化、燃燒不穩(wěn),CEMS自動吹掃、測量不準(zhǔn)(或不具備代表性)等因素帶來的擾動不易克服且頻次較多;(3)濃度控制系統(tǒng)本身延遲較大,氨和氮的化學(xué)反應(yīng)時間及取樣分析遲滯也對自控品質(zhì)造成了較大的影響。
脫硝噴氨自動主流的控制策略有兩種,一種是固定摩爾比,即控制脫硝效率,這種方式在入口濃度變化很大時,無法有效將出口NOx濃度控制在限值范圍之內(nèi),不能完全滿足本地環(huán)保要求,在此就不贅述;另一種方式是固定出口濃度控制,即將出口NOx濃度控制在限值范圍之內(nèi),這種方式既能滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求,又可以減少氨耗量,有效控制脫硝運行成本。
SCR法脫硝是將氨類還原劑噴入煙氣中,利用催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O。由于NOx主要是以NO和NO2的形式存在(其中NO約占總量的95%),SCR法的主要化學(xué)方程式為:
根據(jù)上面兩式可以得出SCR脫硝化學(xué)反應(yīng)中NH3和NOx的摩爾比值為:K=1/1×95%+2/1×5%=105/100??紤]到化學(xué)反應(yīng)的不完全充分性,其比值K取約數(shù)1,即1 mol的NH3和1 mol的NOx進(jìn)行反應(yīng)(實踐中通過經(jīng)驗修正可以得到更為精確的比值K)。
通過以上分析,可以建立如下自控模型:出口NOx濃度設(shè)定和入口濃度(折算后)的差值與煙氣流量的乘積,可以看作是需要脫除的NOx流量信號;出口NOx濃度的過程值(折算值)和出口濃度設(shè)定值進(jìn)行比較,修正噴氨調(diào)門的輸出值來調(diào)節(jié)噴氨流量。由此可得到一個類似于串級控制的數(shù)學(xué)模型,其邏輯框圖如圖1所示。
圖1 邏輯框圖
上述控制策略在DCS組態(tài)運行一段時間,經(jīng)觀察,雖然噴氨自動效果得到了一定改善,但還是存在一些問題,無法達(dá)到理想的控制效果。經(jīng)過不斷的分析、總結(jié)和嘗試,對自控系統(tǒng)做出如下改進(jìn):
(1)為了克服CEMS取樣測點反吹帶來的擾動,將原來的反吹頻次由每2 h/次改為每4 h/次,同時設(shè)置儀表反吹保持功能并同步到DCS濃度測量邏輯上,即:反吹時濃度保持在反吹前一刻,至反吹完畢后恢復(fù)實際測量。另外,在保證反吹效果的同時盡量縮短反吹時間,有效地減小了反吹對自動的影響。
(2)為了克服負(fù)荷變化、燃燒變化、濃度變化等擾動以及由于取樣分析延遲造成的遲滯,將負(fù)荷根據(jù)運行經(jīng)驗折算成流量與實際檢測的流量進(jìn)行加權(quán)處理,既能減小流量測量波動帶來的干擾,又可作為一個前饋信號輸入;通過比較鍋爐排煙溫度與入口濃度的關(guān)系,尋找合適的溫度信號作為前饋等手段讓調(diào)門動作具有“預(yù)見性”;同時,為縮短取樣分析時間,在滿足工藝的前提下對CEMS取樣管路進(jìn)行了最大限度地縮短,并適當(dāng)調(diào)節(jié)采樣流速來克服因取樣分析過程造成的系統(tǒng)延遲。
(3)針對入口濃度單點測量不具備代表性,在脫硝每側(cè)入口煙道增加取樣測點并進(jìn)行混合,以提升抽取測量的代表性;加強(qiáng)對CEMS的巡檢(每天兩次)和對濃度、流量等表計的維護(hù),確保測量準(zhǔn)確可靠。
(1)自控品質(zhì)提升。
穩(wěn)態(tài)時,從CEMS監(jiān)測日報可以看出:出口NOx濃度參數(shù)平穩(wěn)且趨近于設(shè)定值(濃度控制在設(shè)定值±10 mg/Nm3之間)。
擾動時,根據(jù)DCS歷史趨勢顯示,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動后能在2~3個周期之內(nèi)調(diào)整回來,趨近于設(shè)定值,如圖2所示。
(2)基于自控品質(zhì)的提升,除設(shè)備異常外,投入自動時可以確保不發(fā)生NOx均值超標(biāo)情況,從一定程度上解放了運行人員,降低了勞動強(qiáng)度。
圖2 DCS歷史趨勢圖
(3)項目實施完成后,脫硝運行經(jīng)濟(jì)性得到顯著提升:2015年全年電能產(chǎn)品56.88億kW·h,脫硝氨耗0.852 g/kW·h;2016年全年電能產(chǎn)品43.06億kW·h,脫硝氨耗0.775 g/kW·h,脫硝氨耗有明顯的下降。按年發(fā)電量50億kW·h核算,可節(jié)約液氨成本50×108×(0.852-0.775)×10-6×3 000=1 155 000元。
(4)過量噴氨的危害是在反應(yīng)過程中生成硫酸銨或硫酸氫銨,并在下游設(shè)備沉淀,導(dǎo)致腐蝕,存在安全隱患,但無法定量分析;本項目實施完成后,還未發(fā)生過因過量噴氨造成空預(yù)器堵塞、尾部煙道腐蝕的情況。
(5)確保粉煤灰的品質(zhì)。過量噴氨會增加飛灰中的NH3化合物,改變飛灰品質(zhì),當(dāng)含量大于80 mg/kg就會影響飛灰的銷售和利用。
SCR脫硝噴氨自動優(yōu)化是對脫硝運維的摸索和總結(jié),我們利用脫硝化學(xué)反應(yīng)物料平衡的原理,綜合考慮并確定了NH3和NOx的摩爾比,結(jié)合傳統(tǒng)的偏差控制,來建立模型;將流量測量結(jié)合機(jī)組負(fù)荷(指令)來確定NOx流量,進(jìn)一步核算總量,其優(yōu)點在于一定程度上克服了流量測量可能存在的不準(zhǔn)確性和波動干擾,并具有一定的前饋功能;針對濃度控制系統(tǒng)的遲滯性(主要是煙氣取樣分析延遲),在鍋爐側(cè)尋找前饋信號,追求濃度變化與噴氨流量變化在反應(yīng)區(qū)的時間一致性;充分考慮CEMS的測量、控制對自動的影響,并將相關(guān)信息組態(tài)到自動邏輯中,克服或盡可能地減小了干擾。通過該項目的實施,有效解決了鴨溪電廠噴氨自動效果不好的問題,一定程度上解放了運行人員,更重要的是對于機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運行有顯著的提升效果,而且為煙氣達(dá)標(biāo)排放提供了可靠的技術(shù)保障。