超超临界燃煤机组脱硝系统喷氨优化研究.pdf

32上海电气技术2023,16(3)超超临界燃煤机组脱硝系统喷氨优化研究孙少波余凌余沃晖?于猛1胡国力31.国能神福（石狮)发电有限公司福建泉州2.华北电力大学（保定）环境科学与工程系3.北京达华洁能工程技术有限公司北京摘要：10 5 0 MW超超临界燃煤机组脱硝系统喷氨格栅喷氨优化项目针对脱硝系统稳定运行而专门设计，是集成系统自动化优化整定、系统在线寻优和优化控制的一体化解决方案。通过10 5 0 MW超超临界燃煤机组脱硝系统喷氨格栅喷氨优化研究，开发了氮氧化物快速网格法测量系统，为实时在线调整喷氨格栅提供了可靠保障；开发了选择性催化还原自适应混合模型，确保选择性催化还原喷氨格栅调门状态控制器的调节精度，克服煤种变化等不确定因素对状态控制器的干扰，从本质上提高脱硝系统的可控性，并可适应烟道流场和浓度场的不确定性。关键词：燃煤机组；脱硝；喷氨；优化；研究中图分类号：TM611文献标志码：AAbstract:The ammonia injection optimization project of denitration system ammonia injection grid of1 O50 MW ultra-supercritical coal-fired unit exclusively designed for stable operation of denitrationsystem,offers integrated solution comprised of system automation optimization tuning,system onlineoptimizing and optimization control.Through the ammonia injection optimization research ondenitration system ammonia injection grid of 1 05o MW ultra-supercritical coal-fired unit,nitrogenoxide measurement system based on fast grid method was developed to provide guarantee for real-timeonline adjustment of ammonia injection grid.Meantime,selective catalytic reduction adaptive mixturemodel was developed to ensure the adjustment accuracy of governor valve state controller of selectivecatalytic reduction ammonia injection grid,to overcome the interference to state controller caused byuncertain factors such as change of coal type,to essentially improve the controllability of denitrationsystem and to adapt to the uncertainties of flue flow field and concentration field.Keywords:Coal-fired Unit;Denitration;Ammonia Injection;Optimization;Research362712河北保定071003100029文章编号：16 7 4-5 4 0 X（2 0 2 3)0 3-0 3 2-0 6逸等问题，造成选择性催化还原装置下游空气预热器阻塞、氨污染增加、催化剂寿命缩短，从而影响电1燃煤机组脱硝共性问题近年来，燃煤机组均已配备脱硝反应系统。目前国内大多数选择性催化还原脱硝系统以采用烟气单点测量系统为主，以点代表整个管道烟气截面的测量数据，无法客观真实地反映污染物的分布状况。若按此测量数据进行喷氨，某些区域不可避免会出现氨过喷现象，导致出口氮氧化物浓度偏差大、氨逃厂的安全经济运行。2开展喷氨优化必要性大多数燃煤机组锅炉均采用选择性催化还原烟气脱硝技术来消除氮氧化物污染。脱硝系统置于锅炉后烟道中，选择性催化还原反应器存在入口烟道收稿日期：2 0 2 3-0 3第一作者简介：孙少波（19 9 8 一），男，硕士，助理工程师，主要从事设备状态监测及故障诊断工作2023,16(3)狭长、烟气流场复杂、烟气流速不均匀等问题。选择性催化还原反应器人口设有多个氨气稀释喷嘴，每个喷嘴由一个手动阀门控制。在设备进行调试时，这一阀门在定好开度后保持不变，在日常工况、煤质改变的情况下无法随氮氧化物浓度的变化及时调整开度。同时，选择性催化还原反应器烟气取样方式为单点采样,取样数据不能准确反映污染物的分布情况，若仍按照单点采样进行调整，势必造成部分区域的喷氨量超标。2018年对某燃煤机组脱硝催化剂模块进行活性检测时，发现全尺寸催化剂氨逃逸指标已经超出国标安全规定值（2.5 mg/m）。超标的氨逃逸会对脱硝系统下游设备的安全运行造成影响。生成的硫酸氢铵沉积在催化剂、空气预热器和低温省煤器上，会造成催化剂中毒，并腐蚀和堵塞空气预热器、低温省煤器，影响风烟系统设备正常运行。超时氨逃逸还会造成脱硫废水及空气预热器清洗水中含氨,增加飞灰中的氨化合物，改变飞灰的品质，影响污染废弃物综合利用的实现。为减小氨逃逸对选择性催化还原脱硝设备的负面影响，采用多点实时监测方式，对10 5 0 MW超超上海电气技术临界燃煤机组脱硝系统喷氨格栅进行喷氨优化。3喷氨优化技术路径3.1多点在线检测常规的混样采样无法保证多点的独立性，难以获取烟道截面上各污染物的分布状况，常规的多点逐次采样则无法准确获取同一截面上同一时刻的数据。为了真实反映烟道截面上同一时刻的烟气成分浓度场，笔者采用多点采样依次分析技术，在选择性催化还原出口处布置采样格栅，将烟道划分为数个区域进行烟气分析。由于烟气分析仪器不能同时检测多个区域的烟气，因此将独特的烟气锁存技术应用于氮氧化物和氨气多点网格同步测量技术中，同一截面同一时刻采样，快速扫描不同区域，准确获取污染物分布数据。采用独特的烟气锁存技术，将同一时刻的烟气抽人烟气锁存装置，再将锁存装置中的烟气依次抽入烟气分析仪进行分析，实现多点分区采样测量和多点同步采样逐次分析，真实反映网格上同一时刻烟气成分浓度场情况。烟气多点分析如图1所示。这一检测技术同步性可达10 0%,并且能够同时测量6 10 个区域的氮氧化物和氨气。33分区布置同步采样独立存储样气处理分布分析数据记录自动吹扫图1烟气多点分析3.2喷氨系统控制方式将矩阵控制、智能前馈等理论引人燃煤机组喷氨格栅喷氨优化项目，可以实现多变量、延迟性的自动喷氨优化控制。矩阵控制、前馈控制器具备快速补偿的作用，能够有效克服工况改变时系统的滞后性。多模式模糊推理器可以根据不同的工况组合推理出阀门对应的开度输出，作为喷氨阀门的开度指令，输入量分别为负荷、磨煤机组合方式、烟气含氧量、燃尽风挡板开度、燃烧器摆角等。利用多重多维模糊推理模型将变量模糊化，并用隶属度函数计算相应的隶属度，应用规则库控制规则得到相应的阀门调整值。同时依据燃煤机组历史运行数据，建立以模型为基础的预测控制系统，在燃煤机组工况发生变化时，能够快速计算出喷氨调节阀所需的开度，实现系统快速响应。喷氨实时优化控制组态如图2 所示。3.3流场优化使用Fluent13.0软件对选择性催化还原反应器流场进行模拟，按照1：1建立选择性催化还原反应器系统的原始模型，模型始于锅炉省煤器出口，止于空气预热器入口。同时在实验室按照1：15 制作选择性催化还原系统有机玻璃模型，并根据计算流体力学数值模拟结果得到的优化布置方案，在模型内相应位置布置导流板、整流格栅等流动调节装置，还包括用于模拟还原剂喷射的喷氨格栅，以及模拟催化剂层压降的多孔板等。优化前速度、浓度、流线分布依次如图3、图4、图5 所示。由图3 可知，由于弯头处没有导流板引导气流，因此各弯头处的烟气均呈现一侧低速、另一侧高速的分布规律，气流分布严重不均匀，高速气流会对烟道造成冲刷磨损。气流进入催化剂前存在较大的三34上海电气技术2023,16(3)NOLIN.A1,1311SCR_A.SPRAY_VALVE1.3.15-L5.20NO_OUTANO,INBNO,_OUT_BADDA6B1ANDPIDA6B4146B35ABS_AABS.BSCR.B_SPRAV_VALVETrackL,13.2)Vae_AVE-VbeAVEADDA2B84A2B81ADDMA1手动M/A2手动A侧A7B2-89M/A8手动各输入量Patten1A6B81ADDANDA6B6A6B2MOCS.AA6B71M/A1手动A6B28ANDA6B3MOCSBA6B29M/A2手动A7B10-B17M/A8手动B侧各输入量(A6B301PattenIN.NO.122A.6B201A6B21M/A1M/A2A7B2A7B3IN.NO,IBalanceINNO,8A6B19OUT_NO,IBalanceOUT_NO,8(A6B1823A6B271M/A8A7B9阀门1阀门2阀门8Z3(A6B49M/A8A7B171阀门8阀门2 阀门1Z2A6B43A6B42M/A2M/A1A7BI1A7B1022BalanceA6B40BalanceA6B41IN.NO,8OUT_NO,IOUT_NO.8图2 喷实时优化控制组态平面22.38e+012.26e+01平面22.14e+012.02e+011.91e+011.79e+011.67e+011.55e+011.43e+011.31e+011.19e+011.07e+019.53e+008.34e+007.15e+005.95e+004.76e+003.57e+002.38e+001.19e+000.00e+00图3 优化前速度分布角低速区，这是由于烟气进入选择性催化还原反应器时没有导流板与整流格栅的导流，气流因惯性向反应器中部集中。在遇到催化剂层之后，由于阻力较大，气流又往前墙回流，形成涡旋区。喷氨格栅前烟气在靠近锅炉侧速度低，在靠近选择性催化还原反应器侧速度高，速度分布标准偏差达到2 2.4 8%。催化剂层前烟气集中在靠近前墙的1/2 选择性催化还原反应器，但前墙侧附近存在低速区，速度分布标准偏差达到2 6.3%,这也是由于烟气未经导流板与整流格栅的引导。Z-0平面平面12.00e-041.90e-041.80e-041.70e-041.60e-041.50e-041.40e-041.30e-041.20e-041.10e-041.00e-049.00e-058.00e-057.00e-056.00e-055.00e-054.00e-053.00e-052.00e-051.00e-050.00e+00图4 优化前浓度分布由图4 可知，喷氨格栅后烟气中氨气在靠近锅炉侧浓度高，在靠近选择性催化还原反应器侧浓度低，与速度分布相反。在各喷口喷射相同氨气的情况下，区域中的烟气越快，烟气中氨气稀释程度越高，氨气浓度越低。烟气经过两个弯头进入选择性催化还原反应器后，依然呈现一侧高一侧低的浓度分布，说明喷氨格栅前的速度分布对选择性催化还原前的浓度场有影响。经过整流部件若干次调整喷氨口至选择性催化Z-0平面平面12023,16(3)还原反应器折角导流板布置位置后，流速均匀性等各项性能指标均达到要求。优化后速度、浓度、流线分布依次如图6、图7、图8 所示。2.38e+01平面22.25e+012.12e+011.98e+011.85e+011.72e+011.59e+011.46e+011.32e+011.19e+011.06e+019.26e+007.93e+006.61e+005.29e+003.97e+002.64e+001.32e+000.00e+00图6 优化后速度分布从优化前后的流场速度、浓度、流线分布对比可以看出，流场分布情况得到改善。由图6 可知，各弯头处的高速区、进入催化剂前的涡旋区已基本消失。喷氨格栅前速度场相对标准偏差减小至9.2 2%，催化剂层前的速度场相比空塔工况得到改善，速度场基本均匀，相对标准偏差为12.4 3%。由图7 可知，浓度场分布也得到改善，相对标准偏差为4.9%，达到性能要求。由图8 可知，涡旋基本消失，烟气入射催化剂的角度在10 以内。选择性催化还原A侧A1A2A5A6上海电气技术2.00e-041.89e-041.78e-041.67e-041.56e-041.44e-041.33e-041.22e-041.11e-041.00e-048.89e-057.78e-056.67e-055.56e-054.44e-053.33e-052.22e-051.11e-050.00e+00图7优化后浓度分布图5 优化前流线分布Z-0平面平面135平面2Z-0平面平面1图8 优化后流线分布3.4分区多点喷氨将原有选择性催化还原反应器人口喷氨装置拆除，重新安装新的分区喷头，每个喷头的区域与选择性催化还原反应器出口的采样区域对应。采用前馈控制技术，将喷氨装置与采样装置连锁，利用出口氨逃逸及其它机组运行数据控制喷氨装置的开度，使整个烟道截面各区域按需喷氨，有效解决区域性氮过量或欠喷现象导致的氨逃逸率升高及出口氮氧化物浓度难以控制问题。重新安装的喷头区域分布如图9 所示。对原喷氨系统的2 2 12 个喷头进行分区，分为2 X8个较小的喷氨区域，将原有的相邻3 个喷氨喷嘴分为一个较小的喷氨区域。将原有喷氨系统管选择性催化还原B侧A3A4A7A8B1B5B2B6A3A7A4A8图呵喷头区域分布36道拆除，根据分区重新进行组合，安装16 套气动阀组，并保留原有手动阀。同时将增加的调门控制信号引入分布式控制系统，作为脱硝运行系统的一部分，实现自动实时调平喷氨格栅。通过以上技术，实现了不同工况下不同区域按需实时自动喷氨调节，解决了人工手动调平问题。优化后喷氨格栅布置如图10 所示。图10 优化后喷氨格栅布置4喷氨优化实施效果4.1脱硝性能试验对喷氨优化项目进行脱硝性能试验。燃煤机组优化前喷氨负荷/MW流量/(kgh-1)133105013081750634350038上海电气技术喷氨实时优化系统投运后，燃煤机组处于10 0 0MW、7 5 0 MW、5 0 0 MW负荷下，实测选择性催化还原入口氮氧化物浓度依次为2 3 1mg/m、17 7 m g/m、153mg/m,脱硝效率依次为8 3.2%、7 7.7%、7 7.2%。与优化前相比，局部氨逃逸浓度峰值出现明显降低，1000MW负荷下局部最大氨逃逸浓度由优化前的10.7mg/m降低至优化后的1.2 5 mg/m。三个负荷工况下，平均氨逃逸浓度分别为0.8 5 mg/m、0.7 7mg/m、0.6 6 m g/m，氮氧化物排放浓度分别为3 9mg/m、3 9 m g/m 35 mg/m。喷氨实时优化系统投运前燃煤机组处于10 0 0MW、7 5 0 MW、5 0 0 MW负荷下，选择性催化还原出口氮氧化物浓度分布相对标准偏差均超过3 6%，投运后在三个负荷下，选择性催化还原出口氮氧化物浓度分布相对标准偏差分别为10%、7%、8%。喷氨实时优化系统投运后，燃煤机组在10 0 0MW负荷下，表盘显示总喷氨流量由2 3 0 kg/h减小至2 13 kg/h，降低比例约为7.4%。优化前后氨耗量对比见表1。4.2经济效益优化项目实施后，可有效控制选择性催化还原装置下游空气预热器的硫酸氢铵腐蚀阻塞、氨逃逸表1优化前后氨耗量对比优化前总喷氨优化后喷氨流量/(kgh-1)流量/(kgh-1)104263109521446134812023,16(3)优化后总喷总喷氨流量流量/(kgh-1)减小幅度21319%11321.5%7013.6%36污染，以及催化剂寿命缩短等，从根本上保证电厂选择性催化还原装置及下游设备的安全、环保、经济运行。系统运行后，能有效降低氨逃逸量，提高燃煤机组可靠性。因为脱硝液氨用量降低和脱硝均匀性提高，脱硝催化剂使用寿命整体延长约7%，锅炉内放置三层脱硝催化剂，按每层新催化剂3 0 0 0 万元成本、使用4 a计算，催化剂寿命延长7%，相当于年节约成本15 8 万元。同时优化项目实施后，液氨使用从0.2 8 g/（k Wh)下降至0.2 2 g/（k Wh），年度发电量约为110 亿kWh，相当于年节约用氨量6 6 0 t。1t液氨费用为3 5 0 0 元，相当于节约成本2 3 0 万元。4.3社会效益优化项目研发了氮氧化物快速网格法测量系统，为行业内真正实时在线调整喷氨格栅提供了可靠保障。研发的选择性催化还原自适应混合模型，确保了选择性催化还原喷氨格栅调门状态控制器的调节精度，克服了煤种变化等不确定因素对状态控制器的干扰，从本质上提高了脱硝系统的可控性，可2023,16(3)适应复杂的选择性催化还原布置，以及多煤种燃烧带来的烟道流场和浓度场不确定性情况，为各种锅炉实现脱硝喷氨实时优化提供了可行性。5结束语目前，国内燃煤发电厂脱硝系统基本采用烟气单点测量系统，以点代表整个选择性催化还原烟气截面上的测量数据，不能客观真实反映污染物的分布状况。在满足环保排放的前提下，按此测量数据进行喷氨，会不可避免出现某些区域氨过喷或氨欠喷现象，导致氨逃逸过大及氮氧化物反应不充分。若采用混合采样，则一般布置三四个采样点，此方法存在问题。一是各点之间如果压力不均衡，就无法保证混合区域的烟气等量来自各分隔小区。二是无论采用正压还是负压系统进行采样，均无法保证长周期不发生堵塞问题，致使混样数据不具备代表性，还会增加大量维护工作。一些电厂采用轮替循环逐点进行分析，由于选择性催化还原烟道狭窄及多弯，以及工况复杂等特性，无法保证得到烟气同一截面上数据，第一组取样与最后一组取样数据无对比参考性。脱硝系统喷氨格栅喷氨实时优化项目采用烟气网格多点测量系统，能够同步测量2 8 个点的网格烟气成分，在线获取同一时刻整个烟道截面内不同区域多点烟气成分数据，采用成熟可靠的烟气分析系统和独特的气体采样存储技术，在进行成分分析的同时，同步获取精确的烟气污染物浓度分布。还可以根据燃煤机组运行工况的变化及氮氧化物分布情况，调整每个区域的喷氨量。运用氮氧化物和氨气等摩尔比优化喷氨理念，对选择性催化还原各区域喷氨量进行控制，有效降低氨逃逸平均值及局部氨逃逸。优化项目采用氮氧化物、氨气、氧气三组分多点同步测量技术，且氮氧化物与氨气为同步测量，在目前行业中为超前技术。目前脱硝测量技术中只能实现多区域内氮氧化物的测量，无法实现氨气的多点测量。相对于行业内同类型技术，优化项目在真正上海电气技术意义上实现了烟气成分快速断面扫描测量和喷氨格栅实时优化调整，同时优化成本更低，对原分布式控制系统兼容性更好，设备稳定性更高。在安全方面，大幅降低空气预热器堵塞的发生概率及选择性催化还原下游设备的安全隐患，为电厂选择性催化还原后续设备的安全生产提供了保障。在环保方面，优化喷氨可以进一步提高选择性催化还原脱硝效率，帮助燃煤机组达到洁净排放和近零排放的标准，同时有效预防氨逃逸造成的二次污染。在节能方面，在保证燃煤机组安全和达到环保要求的前提下，对锅炉燃烧的闭环控制还可带来显著的经济效益。参考文献1郑婷婷，周月桂，金圻烨.燃煤电厂多种烟气污染物协同脱除超低排放分析 J.热力发电，2 0 17，4 6（4）：10-15.2 吴哗.燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化策略应用研究J .工业控制计算机，2 0 2 2，3 5（4）：19-2 0.3 郭磊,刘艇安，王靓，等.6 0 0 MW燃煤机组脱硝系统喷氨优化调整效果分析.电力科技与环保，2 0 2 2,3 8（1）：4 9-55.4 罗俊俊，黄辉，陈旭光，等.关于燃煤电厂锅炉SCR脱硝系统喷氨优化调整试验 J.能源与节能，2 0 2 1（10）：12 8-130,216.5 刘海啸.硫酸氢氨造成的空预器堵塞治理对策研究 D.北京：华北电力大学（北京），2 0 17.6 吴吉.百万机组脱硝系统AIG喷氨控制分析与优化J.化工设计,2 0 19,2 9(4)：4 3-4 6.7 王世魁.基于数据驱动算法的SCR系统多目标优化研究 D.沈阳：东北电力大学，2 0 2 2.8 邹红果，广毅，张丽丽，等.CFD模拟对SCR系统流场及性能的优化 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