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鄂州电厂二期SCR烟气脱硝喷氨自动控制方式的优化

2019年01月29日 热度:207 ℃

摘要:介绍鄂州电厂二期2×650MW机组脱硝工程采用的选择性催化还原脱硝工艺。通过分析传统脱硝工程采用的脱硝效率控制方式,提出以固定摩尔比控制方式来提高脱硝反应中的脱硝效率。

关键词:鄂州电厂  SCR  固定摩尔比控制方式

The AutomaticControl for Ammonia Injection in SCR DeNO

x

System in Phase II of Ezhou Power Generation Co.,Ltd

Abstract: TheSelective Catalytic Reduction (SCR) system for NO

x

reduction in2×650MW SCR Unit of Phase II project of EzhouPower Generation Co.,Ltd are presented. Through analyzing denitrationefficiency control in traditional SCR DeNO

x

processes, we foundutilizing constant mole ratio control improves the effect of reducing NO

x

in SCR DeNO

x

reaction.

Key Words: Ezhoupower plant   SCR   Constant mole ratio control

0引言

伴随国家经济的高速发展,能源消费日益增加,产生的环境污染越来越严重,国家对火力发电厂执行的环保标准越来越高。据2016年度环保要求对600MW机组的SO

2

、NO

X

、粉尘的标准分别为200mg/Nm

3

、100mg/Nm

3

、30mg/Nm

3[1]

。2017年度,鄂州电厂二期工程按照超低排放的要求进行改造,执行新标准。这对于鄂州电厂二期脱硫脱硝排放系统的硬件设备和软逻辑的控制提出了更高的要求。作为湖北省窗口电厂和三期建成后华中地区最大的电厂,打造高效高质的绿色环保电厂是鄂州电厂一直追求的目标。三种排放物中,SO

2

的脱除利用二级吸收塔的工艺可以达到要求,粉尘通过电除尘脱除和粉尘监测仪也能满足环保要求,但是NO

X

的排放在鄂州电厂二期现行的液氨脱除工艺下,对于液氨的喷射控制需要进一步的优化才能达到要求。我国对于燃烧产生的NO

X

控制方式主要有燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制3类。燃烧前控制是指选用低氨燃料,但因燃料成本很高,工程中应用较少;燃烧中控制是指改进燃烧方式和生产工艺,采用低NO

X

燃烧技术,降低炉内NO

X

生成量。该方法费用较低,但由于炉内低氨燃烧技术的局限性,导致NO

X

控制效果不能令人满意;燃烧后控制是指在烟道尾部加装脱硝装置,将烟气中的NO

X

转变为无害的N

2

或有用的肥料

[2]

。我国火电厂采用采用较多的是燃烧后控制方式,它能有效减少NO

X

的排放,达到良好的脱硝效果,应用广泛的方法为选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)和选择性非催化还原法(Selective Not Catalytic Reduction,SNCR)。SCR技术具有高效的脱硝效率,且氨逃逸较少。然而,在SCR脱硝过程中,如何保证烟气脱硝效率,并确保脱硝系统运行的可靠性、连续性及经济性成为各火电厂亟待解决的问题。通过完整而有效的脱硝自动控制方案以确保对脱硝媒介快速、安全的置备,并实现精确的NO

X

物量闭环控制是实现脱硝系统可靠、连续、经济运行的重要保证。

湖北能源鄂州电厂二期2×650MW机组的脱硝工程采用的是选择性催化还原脱硝工艺SCR,即以NH

3

作为还原剂将烟道中的NO

X

分解成无害的N

2

和H

2

O的干法脱硝。反应的基本原理和主要的化学反应方程式如下:

   4NO+4NH

3

+O

2

→4N

2

+6H

2

O                           (1)

   6NO

2

+8NH

3

→7N

2

+12H

2

O                            (2)

烟气中的NO

X

主要由NO和NO

2

组成,其中NO约占NO

X

总量的95%,NO

2

约占NO

X

的5%。因此,化学反应方程式(1)被认为是脱硝反应的主要反应方程式,它的反应特性如下:

(1)NH

3

和NO的反应摩尔比接近为1;

(2)脱硝反应中需要O

2

参与反应;

(3)典型的反应温度为300~400℃。

    SCR装置主要由2大主体组成:NO

X

脱除剂制备系统和反应器本体。通过向反应器内喷入反应剂NH

3

,将NO

X

还原为N

2

。由于此反应对温度敏感,还需加入催化剂以增强反应活性,以满足反应的温度要求。液氨喷淋完毕后化学反应稳定需要一定时间,在测量NO

X

浓度时存在延迟,其控制对象属于大延迟系统。因此,完善的脱硝自动控制系统应当体现系统控制的及时性、稳定性和经济性要求。鄂州电厂二期脱硝工程现行的控制方式采用的是通过脱硝效率的设定预算喷氨流量从而控制NO

X

的排出量,由于脱硝效率需要根据排出后的NO

X

浓度算出,所以当机组负荷变化或者煤质发生变化时,该控制方式容易造成出口NO

X

的超标被环保局考核。通过对脱硝系统工艺的研究和国内同类型机组的脱硝方式控制,针对鄂州电厂二期脱硝控制方式提出以固定摩尔比的方式取代原来的脱硝效率控制方式,固定摩尔比的控制方式采用串级PID控制模式,主PID引用负荷函数预计出烟气流量与入口的NO

X

计算出喷氨流量,加入设定的NO

X

出口与实测NO

X

计算出脱硝效率作为前馈进行调节,副PID利用主PID计算出的喷氨流量值与实测喷氨值的偏差进行调节。该控制方式能够根据负荷、煤质的变化实时调整喷氨流量,响应速度快,能够满足环保要求且不会过度脱氮为电厂经济环保运行提供保障。而当固定摩尔比的控制方式参数发生故障时,可以随时切换至脱硝效率的控制方式,尽量减少NO

X

的超标。

1 鄂州电厂脱硝工艺环境

1.1 氨液制备区工艺

鄂州电厂二期SCR脱硝系统采用的还原剂为液氨(纯度为99.5%),设计为一用一备两套储存与卸氨压缩机、液氨储罐、液氨供应泵、液氨蒸发器、液氨缓冲罐、氨气吸收槽、废水泵、废水池设备。

1.2 脱硝反应器装置

脱硝装置的烟道及反应器位于锅炉省煤器后空预器前。氨喷射格栅放置在SCR反应器上游的位置。烟气在锅炉出口处被平均分成两路,每路烟气并行进入一个垂直布置的SCR反应器里,即每台锅炉配有两个反应器,在反应器里烟气向下流过均流板、催化剂层,随后进入回转式空气预热器、静电除尘器、引风机和FGD,最后通过烟囱排入大气。其工艺流程如下简图1.1所示:

图1.1  鄂州电厂二期脱硝工程工艺流程简

氨气流量控制

2.1基本控制方式

根据目前国内脱硝系统的运行情况,鄂州电厂二期脱硝工程采用的是脱硝效率控制方式 (Denitration Efficiency Control)。脱硝效率是根据反应器入口NO

X

含量和给定的反应器出口NO

X

含量计算得到的。根据我国火电厂大气污染物对机组负荷的排放标准要求低于100mg/Nm

3

,设定的效率不低于80%。这种控制是设定值可调的简单回路控制系统,控制回路简单易于调试和整定,这是这种控制方式的优点。其缺点是当负荷变化时,由于测定的延迟性和滞后性使调节回路系统振荡大,需要手动干预,甚至造成脱硝效率不合格。控制原理框图如图2.1所示。

图2.1  脱硝效率原理

2.2 优化的控制方式

基于鄂州电厂二期脱硝系统原脱硝效率控制方式上,根据最新环保要求对于排放氮氧化物的浓度值,对不同出力的火力发电锅炉机组及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度的限值要求。对鄂州电厂二期脱硝控制策略进行优化。保留原脱硝效率的控制方式并增加一种综合限值浓度值的控制策略,两种控制可以相互切换并进行备用。新的控制方式称为固定摩尔比控制方式即Constant Mole Ratio Control。该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式,在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中的NO

X

,这种控制方式的优点是可以做到按环保要求脱除NO

X

,使脱硝系统出口NO

X

浓度为一个定值,同时可以减少氨气用量,有效控制脱硝运行成本。固定摩尔比的控制方式采用串级PID控制模式,主PID引用负荷函数预计出烟气流量与入口的NO

X

计算出喷氨流量,加入设定的NO

X

出口与实测NO

X

计算出脱硝效率作为前馈进行调节,副PID利用主PID计算出的喷氨流量值与实测喷氨值的偏差进行调节。实时跟踪出口NO

X

浓度,形成闭环控制模式。所以这种控制方式更为复杂,系统调试和整定更加困难,控制原理框图如图2.2所示。

图2.2  固定摩尔比控制方式

2.2.1 氨气流量控制

整个控制回路由基本控制回路和辅助控制回路组成。基本控制回路的控制模式与脱硝效率方法相同,两种控制方式的主要不同之处是氨氮摩尔比设定值的计算,固定摩尔比的控制方式中氨氮摩尔比是一个定值,但是引入了反应器出口NO

X

浓度。氨气流量通过压力和温度进行密度修正后作为控制回路的测量值,氨氮摩尔比是脱硝效率的函数。氨气流量控制是设定值随动的闭环控制系统。氨气流量通过压力和温度进行密度修正作为PID控制的PV值。如SAMA图所示计算氨气流量设定值:

   NO

X

物量=总空气量×进口NO

X

浓度

氨氮摩尔比计算过程如下:

(1)检测反应器入口NO

X

参数并根据要求设定反应器出口NO

X

含量;

(2)计算脱硝效率,计算公式如下:

入口NO

X

浓度—出口NO

X

浓度

入口NO

X

浓度

(3)计算预设摩尔比;

(4)用出口NOX浓度与设定值的偏差修正得到最终的摩尔比。

修正后摩尔比=f

2

(x)×PD输出

氨气流量SP=NO

X

物量×修正后摩尔比+负荷前馈

固定摩尔比的控制方式引入机组负荷作为前馈信号,进一步增强变负荷系统调节的及时性,改造氨气流量PD控制器,将其比例积分作用参数随负荷变化而变化,整定不同负荷下的参数,增大了氨气流量变负荷时自动控制的稳定性,同时可弥补反应器和烟气分析仪的时滞。

2.2.2出口NO

X

浓度控制

脱硝效率计算所使用的进口NO

X

浓度和NO

X

浓度控制PID的出口NO

X

浓度测量值均使用经氧量修正后的值。其修正表达式:

修正的NO

X

值=NO

X

实际值(×10

-6

)×15/(21-O

2

实际值)

出口NO

X

浓度控制投入自动后,PID输出值的物理意义是比例修正氨气设定量,满足控制出口NO

X

浓度的要求。此修正加入+0.2的限制,及氨气流量在当前量+0.2倍以内出口NO

X

浓度实现闭环调节

[3]

2.2.3固定摩尔比的控制方式的试运行

鄂州电厂二期脱硝工程控制方式中,由于负荷与烟气流量的关系没有直接的函数关系,所以根据鄂州电厂二期建设资料和湖北省中试所对3A引风机性能试验数据模拟出负荷与烟气流量的函数关系如下所示:

图2.3  鄂州电厂二期负荷与烟气流量模拟函数图

将其应用到PID控制中,得到的实际运用情况如下表2和图2.4所示,(表中采用的数据是2015年至2017年中负荷、入口NO

X

浓度具有代表性的数据)从2015年到2016年鄂州电厂二期脱硝运行采用的是脱硝效率运行的方式,从脱硝效率参数(图2.4中绿色曲线、红色为入口NO

X

浓度)和耗氨量方面看,此种运行方式在负荷和入口NO

X

浓度相对稳定下也存在一定的滞后延迟导致调节缓慢效率波动。而从2016年2017年固定摩尔方式的控制中由于有脱硝效率作为前馈以及根据负荷变化预算的氨气流量进行控制增强了系统的稳定性能,即使负荷和入口NO

X

浓度变化的情况下喷氨流量也会实时响应变化使供氨调门调节稳定,脱硝效率和出口NO

X

都能满足当今环保的标准要求。由于固定摩尔方式涉及的参数较多,当某一参数测量故障时可能会导致固定摩尔方式调节故障,所以在鄂州电厂二期脱硝控制优化的过程中没有废除原脱硝效率方式,而是在DCS系统中增加了一个切换开关采用脱硝效率方式作为备用。这样既能满足环保数据的实时监测又不会因为某一参数的故障而造成机组的非计划降出力。

图2.4  2015年8月2日改造前的脱硝效率

图2.5  2017年2月27日改造后的固定摩尔比

3 结论

从上述两种控制方式分析和整个电厂的自动运行控制角度来说,固定摩尔比的控制模式是一种按需脱除烟气NO

X

的控制模式,也是一种更为复杂,更优的控制方式。它可以有效地合理地喷氨,稳定供氨阀门的调节,是一种新型意义的“节能环保”。不会过度喷氨造成浪费也不会因为调节不及时而造成出口NO

X

和脱硝效率的不达标。据2016年至2017年的运行数据统计较以前的控制方式,同负荷下,NO

X

排出量达到环保要求,效率稳定在80%以上,且喷氨量可节省20-30NM

3

/h。若按照鄂州二期机组有效运行小时来算,一年可节约液氨200多吨,节省52万余元,且响应速度快能够满足当今环境下的要求。

参考文献:

[1] 火电厂大气污染物排放标准[S].

[2]赵毅,朱洪涛,安晓玲等.燃煤锅炉SCR法烟气脱硝技术 [J].锅炉技术,2009,40(2):76-80.

[3] 王立,贺悦科。SCR烟气脱硝自动控制系统及其在三河电厂的应用[J].华北电力技术,2009,(2):29-31.

作者简介:

任亚(1990-),女,湖南岳阳人,本科学士,湖北能源集团鄂州发电有限公司检修部检修员,助理工程师;

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