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基于脫硝系統(tǒng)精細化控制總體思路

日期:2021/7/13 Click:768
帶有前饋回路的串級控制系統(tǒng)已可達到一般的控制出口合格的控制目標,但為實現(xiàn)噴氨量更優(yōu)控制、使得控制目標與環(huán)?己四繕讼嘁恢,基于溫度場的數(shù)據(jù),通過過程數(shù)據(jù)與NOx生成量的耦合關(guān)系,建立起動態(tài)模型,以適應(yīng)控制過程中存在的大滯后延遲問題。
基于脫硝系統(tǒng)精細化控制整體思路,本文建議利用溫場測量裝置構(gòu)建二次元溫場,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化PID控制策略,利用溫場與NOx生成量的耦合關(guān)系,使脫硝控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)鍋爐大負荷波動帶來的影響。

1引言

十二五期間,根據(jù)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,我國采用的技術(shù)路線大力推廣低NOx燃燒器技術(shù),積極開發(fā)和示范空氣分段供應(yīng)燃燒和超細煤粉再燃技術(shù),推進各種煙霧脫硝技術(shù)(SCR、SNCR、SNCR/SCR)國產(chǎn)化。預(yù)計到2021年,中國將安裝約1.5億kW的SCR脫硝裝置,因此消化、吸收、研究和創(chuàng)新SCR脫硝技術(shù)在中國具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著中國環(huán)境保護法律、法規(guī)和標準的加大,采用SCR法脫硝的火力發(fā)電廠在確保煙氣排放符合標準的同時,提高脫硝系統(tǒng)運行的可靠性、連續(xù)性和經(jīng)濟性,在保證脫硝效率的同時,如何應(yīng)對單元的大負荷變動

2影響SCR脫硝效率的因素

2.1微觀因素

在既定反應(yīng)條件下,脫硝反應(yīng)速度與催化劑微孔的面積和煙氣中反應(yīng)物濃度成正比,與表面化學(xué)反應(yīng)阻力、外傳質(zhì)阻力和內(nèi)傳質(zhì)阻力成正比。因此,增加微孔橫截面積和反應(yīng)物濃度,減少反應(yīng)中各種阻力有助于脫硝反應(yīng)的進行,提高脫硝效率。

改變氨氣濃度,通過增加催化劑孔內(nèi)表面積的方法減少化學(xué)反應(yīng)阻力,改變煙氣流動狀態(tài),提高煙氣溫度,減少層流膜厚度,減少外傳阻力,通過減少催化劑外表面與孔內(nèi)表面積的平均距離,增加催化劑孔內(nèi)表面積和孔的平均截面積

2.2宏觀因素

2.2.1煙氣溫度的影響

當(dāng)催化劑在煙氣溫度280℃-400℃之間時,煙氣溫度越高,脫硝效率越高,但超過400℃后,脫硝效率隨著溫度的提高而開始下降。因此,為了降低煙氣溫度對脫硝效率的影響,必須盡量保持鍋爐狀況穩(wěn)定,或者采用帶旁路的省煤器調(diào)整脫硝入口煙氣溫度。

2.2氨氮比的影響

氨氮比=1.0可達到95%以上的NO去除率,NH3的去除濃度可維持在5×10-6以上。在實際生產(chǎn)中,多于理論量的氨被噴入系統(tǒng),反應(yīng)器后煙氣下游氨超過標準,氨逃離是影響SCR系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的另一個重要參數(shù),燃煤單元一般將NH3的排出控制在2×10-6以下,減少后續(xù)裝置的堵塞。

2.2.3合理控制氨噴射量

氨噴射量與煙中的NOx含量對應(yīng)后,可保證NOx反應(yīng)過程中的脫硝效率、氨的逃跑率和催化劑壽命。鍋爐負荷變化過程中,氨氣流量與NOx濃度對應(yīng)時,可有效避免過度噴射氨造成的不良后果。

綜上所述,SCR系統(tǒng)的優(yōu)化可以從兩個方面著手,一個是為了恢復(fù)反應(yīng)創(chuàng)造最佳條件,通過改善設(shè)備結(jié)構(gòu),提供適當(dāng)?shù)臏囟葓、反?yīng)時間,另一個是在滿足脫硝出口合格的前提下,優(yōu)化脫硝控制,充分發(fā)揮溫度場與NOx生成物的耦合關(guān)系

3脫硝系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀分析

總結(jié)了國內(nèi)脫硝系統(tǒng)的運行狀況,氨氣流量的控制一般采用固定摩爾比控制方式和固定出口NOx濃度控制方式,這兩種控制方式各有控制優(yōu)勢,但由于負荷變動、設(shè)備運行狀況的因素變化,各噴射點后的氨濃度與煙濃度不一致,噴射量增加,局部氨過大,威脅煙氣下游設(shè)備的安全運行在一般的SCR自動控制中,以SCR出、入口NOx濃度作為煙氣自動調(diào)節(jié)的參考參數(shù),但CEMS數(shù)據(jù)采集具有一定的誤差和滯后性,并且由于SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速不均勻,CEMS采樣不一定具有代表性,以上因素對SCR單閉環(huán)自動調(diào)節(jié)反映慢、調(diào)節(jié)失穩(wěn)等影響。

4基于溫場脫硝控制優(yōu)化思路

4.1溫場建立

AGAM型聲波法爐膛溫場測量系統(tǒng)是一種先進的工業(yè)在線二維溫場全工況實時監(jiān)測設(shè)備,該設(shè)備是德國Bonnenberg+Drescher公司多年的科技研究成果,在各種工況下對鍋爐、焚燒爐和各種加熱爐內(nèi)高溫燃燒氣體溫度的實時連續(xù)全自動測量。

聲波法氣溫測量技術(shù)通過測量鍋爐內(nèi)距已知的一對聲波收發(fā)裝置之間聲波脈沖的飛行時間,計算該通道氣體的平均溫度。聲測溫系統(tǒng)可以使用一定數(shù)量的收發(fā)器形成測量網(wǎng)格,測量爐內(nèi)水平面的溫度分布狀況。

可通過通道網(wǎng)格測量數(shù)據(jù)計算獲得平面二維溫度分布,通過分析圖像算法獲得等溫圖。通道溫度、定制區(qū)域溫度值(網(wǎng)格分區(qū)均值)、轉(zhuǎn)換數(shù)值(最低、最高溫度、標準偏差、各區(qū)間均值溫差)可顯示在外部控制設(shè)備上,用于鍋爐診斷和操作優(yōu)化。

聲測管技術(shù)是唯一一種不受輻射影響、不漂移的高溫爐膛內(nèi)測溫技術(shù)。在燃燒性能控制方面首次應(yīng)用于1993年慕尼黑。在燃煤鍋爐中,AGAM系統(tǒng)用于調(diào)整爐內(nèi)溫度場的平衡。采用此溫度場測量和平衡調(diào)整的主要好處在于可以提高鍋爐的可用性(減少結(jié)渣和腐蝕),并獲得更高的生產(chǎn)效率。

聲學(xué)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是聲學(xué)溫度信號的反應(yīng)速度非?。在4秒內(nèi)更新二維溫度場分析測量結(jié)果,溫度測量的反應(yīng)時間比其他傳統(tǒng)的控制信號快半分鐘到幾分鐘。因此,根據(jù)鍋爐類型的不同,與蒸汽量和O2濃度相比,用聲學(xué)方法測量爐內(nèi)溫度時,溫度信號可以更快地傳輸?shù)紻CS,進行基于聲波測溫技術(shù)原理的各種燃燒過程的優(yōu)化控制。

4.2控制策略

4.2.1帶有前饋電路的分區(qū)串級控制系統(tǒng)

以煙囪入口的NOx濃度測量值為調(diào)節(jié)目標,根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果,脫硝被控對象(NH3流量煙囪入口的NOx濃度)的應(yīng)答純延遲時間接近3分鐘,整個應(yīng)答過程達到十幾分鐘,是典型的大滯后被控對象,這種方式的控制難度明顯增加。

為了進一步實現(xiàn)噴氨量的優(yōu)化控制,優(yōu)化控制可以與溫度場測量技術(shù)相結(jié)合,根據(jù)大滯后對象的設(shè)計構(gòu)想進行優(yōu)化,有效地提前調(diào)節(jié)過程,獲得更好的控制質(zhì)量。帶有前饋電路的串級控制系統(tǒng)可以達到一般控制出口合格的控制目標,但為了實現(xiàn)更好的控制噴射量,使控制目標與環(huán)境評價目標一致,基于溫度場的數(shù)據(jù),通過工藝數(shù)據(jù)與NOx生成量的耦合關(guān)系,建立起動態(tài)模型,適應(yīng)控制過程中存在的大滯后問題

根據(jù)溫場模型預(yù)測未來NOx的產(chǎn)量,根據(jù)實測NOx數(shù)據(jù),不斷修正,在當(dāng)前時刻給出最佳控制量。同時,根據(jù)鍋爐的負荷狀況、給煤量、煙氣流量作為溫度場的核心要素,提高了應(yīng)對時間的控制。

5經(jīng)濟分析

采用溫場脫硝控制技術(shù),可大大提高氨的利用率,降低氨的消耗量,以330MW機組為例,節(jié)約氨的消耗量為10%,年節(jié)約液氨的消耗量約為25萬元。SCR自動控制采用優(yōu)化控制戰(zhàn)略時,可提高SCR的最大脫硝效率,預(yù)計催化劑壽命提高7%的同時,由于還原劑的利用率提高,在最佳控制狀態(tài)下,降低氨的40%,大幅度降低對尾部煙道內(nèi)設(shè)備的威脅

6展望

節(jié)能減排已經(jīng)成為中國經(jīng)濟和政治的中心任務(wù),針對火電機組節(jié)能減排的現(xiàn)實需求和鍋爐大負荷變化,爐膛溫度、煙量變化對脫硝控制的影響。脫硝的控制技術(shù)有望與溫度場測量進一步完美結(jié)合,克服以往脫硝控制中監(jiān)測手段、負荷變化、數(shù)據(jù)滯后不良因素的影響,實現(xiàn)最佳噴射量控制,減少SCR出口NOx的排放量和氨的逃脫量,使火力發(fā)電廠SCR脫硝控制系統(tǒng)達到新的高度。

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