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燃煤机组SCR脱硝系统近零排放下热工控制关键技术研究与工程实践

北极星环保网来源:李德波 等2019/3/25 9:42:48我要投稿
所属行业: 大气治理  关键词:SCR脱硝 SCR催化剂 脱硝系统

3.2、NOx生成端优化

在锅炉侧从燃烧过程中NOx产生机理看,影响燃煤NOx生成因素是比较复杂的,研究者进行了大量的试验和理论方面的研究,总体归结有三个方面:

(1)燃煤种类。煤种挥发分、含氮量、含碳量、发热值等综合因素的差异,导致在相同工况下,所生成NOx将会有较大的差别。

(2)炉膛燃烧结构,包括炉型、燃烧器机构、燃烧容量等主要设计参数。

(3)运行工况的差异,包括一次风速、煤粉浓度、煤粉系统、过量空气系数、燃烧配风方式、机组负荷等参数。

该电厂燃烧器采用的低NOx燃烧器,在设计煤种下理论上可以将NOx控制在200mg/Nm3。但目前锅炉侧NOx生成浓度偏高,平均浓度280mg/Nm3,有较大的优化空间。因此结合该电厂燃煤常用煤种和炉膛燃烧结构,兼顾炉膛效率、锅炉受热面安全和汽温参数等方面因素,从过量控制系数、燃烧配风、机组负荷等等主要可控手段出发,对燃烧自动控制进行优化。

3.2.1静态燃烧控制优化

(1)对SOFA风风量、一次风、二次风量进行标定试验并根据试验结果对风量计算进行参数修正,确保测量的稳定性、准确性和可靠性。

(2)在300MW至600MW负荷段下进行降低NOx排放浓度试验,试验不同负荷段不同氧量下的运行情况确定锅炉最佳运行氧量。根据试验结果修改负荷对应的氧量设定函数,见表5。从表5可以得出,优化后不同负荷下,氧量设定值相比改造前是降低的。

QQ截图20190325094005.jpg

(3)通过进行燃烧调整试验,试验在氧量一定的情况下,对锅炉SOFA风风门开度进行变化以改变主燃烧器区域和SOFA风区域风量分配比例。CCOFA、CFS、EI及周界风度进行调整,各负荷,各工况下,二次风与炉膛压差和风量有关,按目前的设定函数走自动。

通过对不同SOFA风风门开度试验,分析锅炉受热面偏差、再热器汽温、NOx排放指标等关键参数,给出锅炉在该负荷段下,最佳的氧量和SOFA风风门开度组合。根据试验结果将CCOFA和SOFA风门控制优化为负荷开环控制,增加各小风门负荷-阀门开度配比函数,见表6。

QQ截图20190325094017.jpg

(4)炉膛与大风箱压差的变化引起的NOx的变化幅度在5 %以内,炉膛与大风箱压差变化对NOx排放的影响较小。在SOFA\CCOFA及周界风开度不变的情况下,炉膛与大风箱压差变化,主要改变了辅助风风门的开度,影响了主燃烧区域二次风风量分配和上部燃尽风区域风量分配。

压差增大,上部燃尽风风量增大,NOx排放会降低,但效果有限。调节该压差主要从稳燃的角度考虑而非降低NOx排放。因此在确保炉膛燃烧稳定前提条件下,尽可能的降低炉膛与二次风箱差压,深挖将NOx燃烧潜能,优化前后二次风箱差压随风量变化如表7。

QQ截图20190325094034.jpg

3.2.2动态控制策略优化

动态控制策略的优化主要是解决燃烧动态过程中风煤比变化过大,形成过氧燃烧从而导致NOx在动态变化过程中波动过大,尤其是在机组减负荷过程会入口NOx会有极大幅度的升高通常为稳定工况的2-3倍。从协调控制系统特点进行分析,发现造成上述现象的根本原因是:

(1)变负荷过程中燃料目标跟踪锅炉指令,为平衡锅炉大惯性的特点,锅炉主控指令设置有超前动态前馈环节,即加负荷过程中预加燃料,减负荷过程中预减燃料。而送风目标跟踪机组指令,无超前动态环节。所以减负荷过程中风煤比会增加,形成过氧燃烧,导致NOx生成量增加。

(2)在动态加负荷过程中,炉膛出口烟温升高,导致辐射传热的工质吸热份额减少,对流传热的工质吸热份额增加,而在减负荷过程中,由于锅炉辐射换热比重增加,对流换热比重减少,中间点温度(分隔屏过热器入口汽温)和悬吊管部分壁温会出现超温现象,故在燃料目标回路中增加动态超前环节,加减负荷过程中动态超前预加减燃料,并且负荷越低动态前馈量比重越大。此动态环节进一步加大了风煤动态比例。

针对该问题采取相应了控制理念优化措施:

A、氧量控制策略优化。原机组变负荷工况下氧量修正控制器输出保持,不参与送风修正调节,变负荷结束后80s氧量控制器重新参与调节。在变负荷过程中,SCR入口烟气含氧量波形与NOx波形基本一致,氧量波形提前于NOx波形2.5min。故增加氧量控制变工况动态参数调节,并适当增强氧量控制修正作用。

B、在确保机组燃烧稳定,安全运行的前提条件下,风量控制回路中增加一动态超前环节(预设增益设为1.7、时间设为3.5min),消弱动态过程中因煤量超前而引起的锅炉过氧燃烧强度,减少燃料型NOx生成。

通过燃烧调整以及变负荷过程中风煤比的有效调整,机组NOx平均值进一步降低,基本控制在200mg/Nm3,同时大幅减少了入口NOx超过250mg/Nm3的时间,极大缓解了NOx脱除端的控制压力。

3.3、NOx脱除端优化

采用SCR方式的脱硝系统由于其较高的脱硝效率,是大型火电机组脱硝系统改造的首选类型,而长期以来对SCR脱硝系统的研究主要针对于其物理原理、设备结构和运行方式方面,却一直忽略了对脱硝自动控制策略的研究。

而事实上在执行“近零排放”要求时,脱硝系统的自动控制品质又是至关重要的。目前脱硝喷氨控制普遍采用前馈-反馈串级控制,由于测量及反应的滞后,该控制策略不能有效的应对因燃烧工况的变化而引起的入口NOx急剧变化的工况,存在较大的滞后和超调。

针对SCR脱硝喷氨控制系统的大滞后特性,对原有脱硝喷氨控制回路进行了优化改进。在原有的前馈-反馈串级控制的基础上引入智能预测前馈控制,有效的进行偏差调节。控制框图见图1。

智能预测控制器主要实现如下功能:

(1)通过对机组负荷、总风量、总给煤量、SCR入口NOx浓度变化等众多因素的分析做出趋势预测,提前喷入后续NOx变化所需的氨气量。采用预测控制和带前馈的PID控制对比图见图2,使用带前馈的PID控制只能根据入口NOx的变化来喷入所需的氨气,再通过偏差调节来控制NOx的排放,由于测量和反应的滞后,喷氨存在明显的滞后和超调过程。而采用趋势预测可以提前响应入口NOx的变化,及时喷入氨气有效控制NOx的排放。

延伸阅读:

SCR脱硝系统分区控制式喷氨格栅的优化

氨水蒸发器在SCR脱硝装置上的运用

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