華能國(guó)際電力股份有限公司德州電廠 張?zhí)m慶 戴 暉 劉書杰
隨著國(guó)家對(duì)超低排放概念的提出,NOx排放標(biāo)準(zhǔn)較現(xiàn)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13233-2011)大幅下降50%,限定為50mg/m3之下,各地環(huán)保局對(duì)火力發(fā)電機(jī)組NOx排放考核方式基本采用最終排放出口煙囪實(shí)時(shí)測(cè)量值,取小時(shí)平均不大于50mg/m3,適當(dāng)允許瞬時(shí)超標(biāo)。實(shí)際考核中,隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高,部分省份已逐步要求火力發(fā)電機(jī)組提高自身NOx控制水平,逐漸杜絕瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象。
當(dāng)前降低燃煤鍋爐NOx排放的技術(shù)路線主要分為兩種:一是通過(guò)低氮燃燒技術(shù)控制煤燃燒過(guò)程中NOx(NOx含量)的生成;二是通過(guò)煙氣脫硝技術(shù)對(duì)已生成的NOx進(jìn)行處理,具體又可分為SCR(催化性還原)技術(shù)和SNCR(非催化性還原)技術(shù)。由于低氮燃燒技術(shù)對(duì)NOx的脫除效率僅有25~40%,大型燃煤鍋爐單純依靠這種技術(shù)顯然無(wú)法滿足最新的環(huán)保法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),煙氣脫硝逐漸被采用,而煙氣脫硝技術(shù)中SCR脫硝效率最高,已被大量成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外燃煤電站。
華能德州電廠4號(hào)機(jī)組為國(guó)產(chǎn)300MW亞臨界供熱機(jī)組,擴(kuò)容后最大出力330MW,鍋爐已進(jìn)行SCR脫硝整體改造,改造后脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)至今,但由于煤質(zhì)變化及脫硝調(diào)節(jié)測(cè)點(diǎn)(脫硝出口NOx含量)設(shè)計(jì)為單點(diǎn)取樣,調(diào)節(jié)品質(zhì)一直不太理想,嚴(yán)重影響脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,機(jī)組環(huán)保壓力較大。
華能德州發(fā)電廠4#機(jī)組為國(guó)產(chǎn)300MW亞臨界發(fā)電機(jī)組,鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn),型號(hào)為300MWHG1025/182-M,擴(kuò)容改造后最大出力為330MW。#4機(jī)組脫硝自動(dòng)控制方式下,由于煤質(zhì)的來(lái)源復(fù)雜性和燃燒工況的特殊性,主要碰到如下問(wèn)題:
受制于燃煤市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)因素,入爐煤質(zhì)變化頻繁,燃料含氮量的大幅變化必然會(huì)反應(yīng)燃料型NOx含量的生成,同時(shí)煤質(zhì)變化勢(shì)必對(duì)過(guò)??諝庀禂?shù)需求不一樣,在同樣過(guò)??諝庀禂?shù)下則必然產(chǎn)生不一樣的NOx含量生成量,最終影響到機(jī)組SCR脫硝NOx含量控制調(diào)節(jié)品質(zhì);機(jī)組大機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí),出于對(duì)AGC控制的響應(yīng),鍋爐需要在主力燃燒區(qū)間保持富氧增強(qiáng)燃燒,同時(shí)需在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)超調(diào)大量煤量,而主力燃燒區(qū)間溫度則勢(shì)必上漲,熱量型NOx含量大量生成,低氮燃燒技術(shù)被抑制,最終影響到機(jī)組SCR脫硝NOx含量控制調(diào)節(jié)品質(zhì);由于空預(yù)器堵塞,煙氣流場(chǎng)不均導(dǎo)致NOx含量單測(cè)點(diǎn)失真,測(cè)點(diǎn)失真后脫硝調(diào)節(jié)系統(tǒng)大幅開關(guān)噴氨閥,煙囪出口NOx含量控制不穩(wěn)定導(dǎo)致氨逃逸增大,又容易引起空預(yù)器堵塞,加劇煙氣流場(chǎng)不均,造成惡性循環(huán)。
#4機(jī)組脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)受制于以上原因經(jīng)常需運(yùn)行人員干預(yù)操作,不僅增加了運(yùn)行人員的工作,而且當(dāng)鍋爐運(yùn)行工況發(fā)生改變時(shí)不能及時(shí)動(dòng)作,造成煙囪出口NOx含量不能有效穩(wěn)定控制,濃度超標(biāo)或遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行,增加運(yùn)營(yíng)成本和催化劑中毒機(jī)率,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)劇烈時(shí)更是不能滿足要求。
#4機(jī)組SCR脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的原始控制策略采用固定摩爾比單回路控制方式,脫硝效率和SCR進(jìn)口NOx含量含量通過(guò)對(duì)脫硝進(jìn)口煙氣流量的計(jì)算得到,同時(shí)計(jì)算出還原該部分NOx含量所需氨量的需求值,以實(shí)際測(cè)量得到的液氨流量作為實(shí)際的反饋,兩者間的實(shí)際偏差引進(jìn)到PI控制中,這樣所得到的對(duì)噴氨調(diào)節(jié)閥的開關(guān)命令[1]。
#4機(jī)組SCR脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)未優(yōu)化前,煙囪出口NOx含量在機(jī)組大范圍機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)波動(dòng)較大,經(jīng)常性超過(guò)50mg/m3,最高值能達(dá)到85mg/m3,為了保證環(huán)??己酥担焽璩隹贜Ox含量小時(shí)均值)不超標(biāo),運(yùn)行人員不得不采取暫緩負(fù)荷變動(dòng)、手動(dòng)調(diào)整噴氨閥門等方式來(lái)控制煙囪出口NOx含量,如圖1。其中曲線1~9(7為發(fā)電機(jī)功率)分別為脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機(jī)組負(fù)荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令。
通過(guò)對(duì)#4機(jī)組歷史曲線和原有脫硝自動(dòng)控制策略分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)組煙囪出口NOx含量波動(dòng)主要發(fā)生在以下情況:
機(jī)組機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)及啟停磨階段,由于現(xiàn)有控制策略中前饋部分只有SCR進(jìn)口NOx含量信號(hào),該信號(hào)與脫硝出口NOx含量變化趨勢(shì)幾乎同步,很難起到提前動(dòng)作效果,煙囪出口NOx含量波動(dòng)較大;機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí),由于現(xiàn)有控制策略為效率模式下固定摩爾比控制,消除偏差能力較弱,往往與設(shè)定值偏差由10mg/m3回復(fù)到設(shè)定值±3mg/m3以內(nèi)的時(shí)間需要30分鐘至50分鐘不等,系統(tǒng)快速性嚴(yán)重不足,運(yùn)行人員在此情況下,長(zhǎng)期只能將脫硝出口NOx含量設(shè)定在較低的30mg/m3左右,以避免環(huán)??己顺蕖?/p>
煙囪出口NOx含量與脫硝出口NOx含量偏差較大且具有明顯非線性現(xiàn)象,該現(xiàn)象應(yīng)為煙氣流場(chǎng)不均所造成,往往脫硝出口NOx含量變化10mg/m3,煙囪出口NOx含量在延時(shí)3分鐘后能變化20mg/m3左右,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入煙氣流場(chǎng)嚴(yán)重不均狀態(tài)時(shí),脫硝出口NOx含量會(huì)大幅波動(dòng),進(jìn)而影響最終煙囪出口NOx含量的穩(wěn)定;脫硝出口NOx含量吹掃時(shí),由于現(xiàn)有控制策略僅僅按脫硝入口NOx含量估算噴氨閥門開度,導(dǎo)致吹掃結(jié)束后脫硝出口NOx含量會(huì)大幅波動(dòng)且穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)。結(jié)合#4機(jī)組SCR脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況及環(huán)保NOx相關(guān)規(guī)定,決定從以下方面對(duì)脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
效率模式下的固定摩爾比控制策略對(duì)脫硝出口NOx含量的一般性波動(dòng)調(diào)節(jié)較慢,不利于脫硝出口NOx含量調(diào)節(jié)的快速性及穩(wěn)定性,針對(duì)此現(xiàn)象采取措施為將原有控制策略中基于固定摩爾比的單回路控制修改為串級(jí)控制:主調(diào)控制脫硝出口NOx含量,副調(diào)控制噴氨流量,同時(shí)對(duì)噴氨流量進(jìn)行下限設(shè)置,避免由于噴氨壓力的變化導(dǎo)致噴氨閥門線性變化帶來(lái)的NOx含量波動(dòng)。
脫硝出口NOx含量測(cè)量值均采用單測(cè)點(diǎn)測(cè)量方式,取樣點(diǎn)僅能抽取鍋爐煙道某一局部的煙氣進(jìn)行分析,而由于空預(yù)器堵塞導(dǎo)致煙氣流場(chǎng)不均等現(xiàn)象,脫硝出口NOx含量取樣不能有效反應(yīng)整個(gè)煙道內(nèi)NOx含量分布情況,經(jīng)過(guò)脫硫裝置煙氣混合后,煙囪出口NOx含量經(jīng)常與脫硝出口NOx含量發(fā)生較大偏差,為維持煙囪出口NOx含量在某一定值附近,須不斷根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整脫硝出口NOx含量設(shè)定值,采取措施為增加煙囪出口NOx含量小時(shí)均值,對(duì)脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能:
當(dāng)煙囪出口NOx含量小時(shí)均值低于45mg/m3且越過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí),以積分形式逐步提高脫硝出口NOx含量設(shè)定值直到煙囪出口NOx含量小時(shí)均值維持在45mg/m3左右;當(dāng)煙囪出口NOx含量小時(shí)均值高于45mg/m3且越過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)時(shí),以積分形式逐步減小脫硝出口NOx含量設(shè)定值直到煙囪出口NOx含量小時(shí)均值維持在45mg/m3左右,消除煙氣流場(chǎng)不均對(duì)NOx含量調(diào)節(jié)的影響,調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為±2mg/m3,當(dāng)煙囪出口NOx含量小時(shí)均值在調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)(即煙囪出口NOx含量小時(shí)均值處于45±2mg/m3),脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能不啟用,其修正值保持當(dāng)前值,當(dāng)煙囪出口NOx含量小時(shí)均值越過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)范圍時(shí)(即煙囪出口NOx含量小時(shí)均值越過(guò)45±2mg/m3),脫硝出口NOx含量設(shè)定值修正功能啟用,其修正值以積分形式增減,直至煙囪出口NOx含量小時(shí)均值再次處于調(diào)節(jié)死區(qū)范圍內(nèi)。
機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí),原來(lái)的控制策略僅采用脫硝入口NOx含量為前饋,此信號(hào)由于在時(shí)延性上與脫硝出口NOx含量幾乎處于同步狀態(tài),因此無(wú)法有效產(chǎn)生提前量效果,反而在負(fù)荷變動(dòng)后期容易造成脫硝出口NOx含量大幅波動(dòng),針對(duì)此現(xiàn)象,采取措施為增加機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)前饋信號(hào):第一路取鍋爐總風(fēng)量指令信號(hào)經(jīng)過(guò)線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號(hào)1;第二路取機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷指令信號(hào)經(jīng)過(guò)線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號(hào)2;第三路取脫硝入口NOx含量值乘以脫硝入口NOx含量的微分值,經(jīng)過(guò)線性處理及慣性環(huán)節(jié)后生成需氨量信號(hào)3;該三路機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)前饋經(jīng)過(guò)權(quán)重分配后進(jìn)行疊加,在機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)提前變動(dòng)需氨量,進(jìn)而控制噴氨閥門提前動(dòng)作,保證機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)時(shí)NOx含量不會(huì)大幅波動(dòng)。
脫硝A/B側(cè)出口NOx含量在吹掃維護(hù)時(shí),CEMS系統(tǒng)為避免吹掃維護(hù)時(shí)NOx含量信號(hào)歸零,會(huì)將NOx含量閉鎖在當(dāng)前值,一般吹掃時(shí)間為7至10分鐘不等,在吹掃結(jié)束后NOx含量恢復(fù)為正常測(cè)量,在整個(gè)吹掃閉鎖過(guò)程中,一旦出現(xiàn)負(fù)荷變動(dòng)或燃燒工況變化,脫硝出口NOx含量無(wú)法進(jìn)行正常調(diào)節(jié),在吹掃結(jié)束后往往脫硝出口NOx含量會(huì)發(fā)生較大波動(dòng),不利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
針對(duì)此現(xiàn)象,采取措施為將脫硝A/B側(cè)入口NOx含量、脫硝A/B側(cè)出口NOx含量吹掃維護(hù)時(shí)間進(jìn)行奇偶點(diǎn)錯(cuò)時(shí)吹掃,當(dāng)脫硝A/B側(cè)出口NOx含量吹掃維護(hù)時(shí),閉鎖住此時(shí)相應(yīng)脫硝A/B側(cè)入口NOx含量和脫硝A/B側(cè)出口NOx含量的偏差,再疊加上脫硝A/B側(cè)入口NOx含量經(jīng)過(guò)線性處理及慣性環(huán)節(jié)后形成模擬脫硝A/B側(cè)出口NOx含量進(jìn)行吹掃維護(hù)時(shí)的調(diào)節(jié),避免當(dāng)脫硝出口NOx含量信號(hào)吹掃維護(hù)時(shí)所發(fā)生的劇烈波動(dòng),在吹掃維護(hù)結(jié)束后能快速穩(wěn)定脫硝出口NOx含量。
機(jī)組磨煤機(jī)啟停時(shí)NOx波動(dòng)較大,針對(duì)此現(xiàn)象,采取措施為取各磨組運(yùn)行方式信號(hào)經(jīng)權(quán)重校正及慣性環(huán)節(jié)后,形成啟停磨需氨量信號(hào)。當(dāng)起磨時(shí),根據(jù)不同磨組對(duì)脫硝出口NOx含量變化影響,以不同的速度、幅度、時(shí)間增加需氨量;當(dāng)停磨時(shí),根據(jù)不同磨組對(duì)脫硝出口NOx含量變化影響,以不同的速度、幅度、時(shí)間減少需氨量,減弱機(jī)組啟停磨對(duì)NOx含量的沖擊。
通過(guò)對(duì)德州電廠#4機(jī)組SCR脫硝NOx調(diào)節(jié)系統(tǒng)原有控制策略進(jìn)行相應(yīng)修改、控制參數(shù)優(yōu)化后,脫硝NOx(NOx含量)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和快速性大幅提升,機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)煙囪出口NOx含量能穩(wěn)定控制在設(shè)定值±5mg/m3,機(jī)組變負(fù)荷及啟停磨時(shí)煙囪出口NOx含量能有效控制在設(shè)定值±10mg/m3,在運(yùn)行人員控制煙囪出口NOx含量目標(biāo)為42mg/m3時(shí),完全可滿足目前環(huán)保對(duì)煙囪出口NOx含量小時(shí)平均值低于50mg/m3的需求,同時(shí)對(duì)煙囪出口NOx含量瞬時(shí)值也能較好控制在50mg/m3標(biāo)準(zhǔn)之下。
圖2~3為#4機(jī)組脫硝噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化后投運(yùn)效果,其中圖2中曲線1~9(7為發(fā)電機(jī)功率)分別為:脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機(jī)組負(fù)荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令;圖3中曲線1~9(7為發(fā)電機(jī)功率)分別為脫硝A側(cè)出口NOx含量、脫硝A側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、脫硝B側(cè)出口NOx含量、脫硝B側(cè)出口NOx含量設(shè)定值、機(jī)組負(fù)荷、凈煙氣NOx含量、脫硝A側(cè)噴氨閥指令、脫硝B側(cè)噴氨閥指令。
綜上,本文對(duì)華能德州電廠300MW亞臨界機(jī)組脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化做了介紹,針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組NOx(NOx含量)調(diào)節(jié)存在的影響考核指標(biāo)的因素,做了具體分析并提出了解決方案,對(duì)原有控制策略進(jìn)行了補(bǔ)足及調(diào)整,控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,目前#4機(jī)組脫硝NOx(NOx含量)排放控制穩(wěn)定,投入至今安全可靠。