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低氮燃烧、脱销优化OPTC-NOX
 
    据中国环保产业协会组织的《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》的统计分析,火电厂排放的氮氧化物总量约占全国氮氧化物排放量的35%~40%。2007年我国单位发电量的氮氧化物排放水平为3。1克/千瓦时,同世界主要工业国家比较,明显高于美国、日本、英国、德国等发达国家的单位发电量排放水平。
   《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》(国发〔2011〕26号)中明确了节能减排总体要求和主要目标,特别提到了在2015年,全国氮氧化物排放总量控制在2046。2万吨,比2010年的2273。6万吨下降10%,要求推动燃煤电厂、水泥等行业脱硝,形成氮氧化物削减能力358万吨,并规定火电厂单机容量30万千瓦及以上燃煤机组全部加装脱硝设施。

根据国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局在2011年7月29日联合发布的《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》的精神,要求燃煤电厂氮氧化物排放限值由200mg/ Nm3调整为100mg/Nm3。目前电厂正在投入大量的人力物力财力对现有设备进行低氮和脱硝的技术整改。这给锅炉运行综合优化带来了一个全新的研究课题。

 

目前低氮燃烧和脱硝技术简析
    当今降低NOx的污染主要有二种措施: 一是控制燃烧过程中NOx的生成,即低NOx燃烧技术,亦称一级低氮技术;二是对生成的NOx进行处理,即烟气脱硝技术,亦称二级脱氮技术。

    一级低氮技术:主要手段是降低过剩空气系数;降低燃烧空气温度;二次燃烧;烟气再循环;改善燃烧器;燃烧优化。但对煤粉颗粒燃尽、火焰中心位置等的均有影响。二级脱氮技术:脱氮效率最高、最为成熟的技术是选择性催化还原(SCR)技术, 国内新建和改造机组通常采用此技术。但投资和运行费用大, 还原剂的泄漏也是问题。

 

一级低氮技术(低氮燃烧技术)
    燃烧区降氮技术均是通过减少初期和中期燃烧的空气供给或推迟燃烧初期煤粉与助燃空气的混合来抑制燃烧初期或燃烧过程的NOx生成,进而降低锅炉NOx排放量的一种技术。燃烧区降氮深度越大,其NOx减排幅度越大,但对煤粉颗粒燃尽、火焰中心位置等的影响也越大。在经济性方面,容易引发锅炉飞灰可燃物含量升高、锅炉减温水量增加以及排烟温度升高等连锁问题;在安全性方面,燃烧器区域的欠氧燃烧方式极易导致锅炉水冷壁的高温腐蚀的发生。因此燃烧区降氮技术存在一个临界点得问题。
    从技术角度看,机组参数越高,锅炉容量越大,炉膛容积热负荷越小,越适宜采用燃烧区降氮技术,且其分级热损失也越小。在采用相同的深度燃烧区降氮技术的条件下,超超临界1000MW机组锅炉的飞灰可燃物质量分数(以下以符号Cfh表示)控制在1%以内,锅炉固体不完全燃烧热损失(以下用符号q4表示)在0.5%以下(仅以某煤种为例);而超临界600MW机组锅炉的Cfh则可能要大于1%,q4大于0.5%;亚临界300MW机组锅炉的Cfh会在3%左右,q4大于1%。燃煤价格按1000元/t标准煤计,采用燃烧区降氮后,超超临界1000MW机组锅炉的运行费用不大于0.15分/(kw•h);超临界600MW机组锅炉的运行费用不大于0.2分/(kw•h);而亚临界300MW机组锅炉的运行费用将在0.3分/(kw•h)左右。
    燃煤特性对燃烧区降氮技术的运行费用影响与其对煤种的适应有关,在锅炉容量及单位容积烟气NOx减排效果相同的条件下,高挥发分煤锅炉的燃烧区降氮技术的运行费用(即分级热损失)将明显比低挥发分煤锅炉低。以300MW机组锅炉为例,在采用燃烧区降氮后热损失增加0。5%左右的前提条件下,高挥发分煤锅炉的NOx减排幅度为450 mg/m3左右;低挥发分煤锅炉的NOx减排幅度仅250 mg/m3左右。后者空气分级技术的运行费是前者的近2倍。

    还有燃烧区降氮技术均有其对锅炉燃烧、煤种或现有现场设备等的局限性,不是哪一个技术就一定是最优的,更不是所有技术的组合就是最合适某个特定的锅炉。以及常用煤种等因素,还需考虑各项控制氮氧化物排放技术的造价和运行维护陈本,当然还要参考各种降氮技术的应用成熟程度。

 

二级脱氮技术(脱硝技术)
    选择性催化还原法(SCR):在众多的脱硝技术中, SCR(Selective Catalytic Reduction)是脱硝效率最高,最为成熟的脱硝技术。SCR技术在日本得到广泛应用。在欧洲已有120多台大型装置的成功应用经验,其NOx的脱除率可达到80% ~90%。日本大约有170套装置,接近100 GW 容量的电厂安装了这种设备。美国政府也将SCR技术作为电厂控制NOx主要的技术。SCR已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。
主要影响SCR因素:最重要的运行参数是烟气温度、烟气流速、氧气浓度、SO3浓度、水蒸汽浓度、钝化影响和氨逃逸等。烟气温度是选择催化剂的重要运行参数,催化反应只能在一定的温度范围内进行,同时还存在催化的最佳温度(这是每种催化剂特有的性质) ,因此烟气温度会直接影响反应的进程;而烟气的流速直接影响NH3 与NOx的混合程度,需要设计合理的流速以保证NH3 与NOx充分混合而使反应充分进行,同时反应需要氧气的参与,但氧浓度不能过高,一般控制在2% ~3%。氨逃逸是影响SCR 系统运行的另一个重要参数,实际生产中通常是被喷射进系统的氨多于理论量,反应后在烟气下游多余的氨称为氨逃逸。NOx脱除效率随着氨逃逸量的增加而增加。另外,水蒸气浓度的增加会使催化剂的性能下降,催化剂钝化失效也不利于SCR系统的正常运行,必须加以有效控制。
    还有如果过度使用SCR技术来脱硝,会造成氨逃逸,逃逸的氨与烟气中的SO3反应,形成硫酸氢铵NH4HSO3)。由于硫酸氢铵的熔点在140℃左右,其凝结点在高于通过空预器后冷却后的烟气温度,冷却后的硫酸氢铵像沥青一般,非常粘稠,它与烟气中的粉尘结合会造成空预器堵塞或腐蚀,引起机组效率降低和/或出力下降,严重的话还会造成机组的非计划停役。氨逃逸会形成成了二次污染,在美国把其称之为“Blue Plume(蓝羽毛)”,造成耕田土壤的板结,在美国印第安纳州的Gibson Power Station曾在2004年夏季发生过“Plumes”事件。事后电厂在其5号炉用了11个月花费了2千万美元才得以控制。
 
锅炉运行综合优化技术简介

    锅炉运行综合优化技术思路是:结合目前锅炉燃烧设备和其他设备的实际运行情况,在燃烧区降氮技术临界点以内,尽可能多的使用燃烧区降氮技术,并通过燃烧闭环优化系统(OPTC-Q1)即采用基于现代控制论基础之上的高级过程控制器,实时闭环优化燃烧状况,使设备运行在临界点上,以减轻SCR的脱氮压力。这样可以尽最大可能减低SCR的投资费用,并且优化燃烧区降氮技术和SCR的运行费用。再通过SCR闭环优化系统(OPTC-SCR),对SCR进行实时优化,严格监控氨逃逸及确保SCR运行在其最高效率。总之,其宗旨是致使电厂在达到国家环保要求的前提下,优化一次投资和运行成本之间的关系,确保电厂利润最大化,寻求最佳的降/脱氮方案。

 

低氮燃烧的优化运行(OPTC-Q1)
    低氮燃烧的优化运行拟采用基于现代控制论基础之上的高级过程控制器OPTC-Q1,它能在复杂的生产过程中理解和控制多变量之间的相互关系和作用,其具有自适应功能,在实际应用过程中,模型能适应生产过程的动态变化。OPTC-Q1使用交互变量,对大延迟,积分特性和反相响应等技术模拟和控制复杂的生产过程优化效果尤佳。OPTC-Q1能够对生产过程进行优化控制,使系统更有效,确保日益提高其系统的生产能力和特性。       OPTC-Q的系统构架是采用常用的上位机技术,OPTC-Q1与DCS的通讯使用目前成熟的OPC,其可与原DCS进行无缝实时双向交流。OPTC-Q1的系统图如下图1。

图1:OPTC-Q1的系统图
 
    为了闭环系统数据的安全可靠性还专门设立了一整套的安全检查机制,诸如:量程保护;信号变化速率保护;信号跟踪保护;通讯状态监测和信号可用性校验等。具体控制逻辑见下图。

图2:OPTC-Q1的逻辑图
 
OPTC-Q1内部的核心为一种模块化的多输入多输出(MIMO)优化闭环控制器。有两大主要组成部分,一个是自适应控制器(APC),另一个是离线工具。自适应控制器(APC)包含无限个预测控制器设定模块,各模块间是独立的,其包括模型,预测,控制和输出信号的产生。离线工具能根据历史数据快速开发出离线模型,以模拟控制情节的方式进行生产过程预测。这里的模型指的就是用于自适应控制器内的模型预测控制器。
OPTC-Q1对低氮燃烧的优化运行的思路是:通过对锅炉效率的q2/q3/q4实时综合分析,寻求在最低NOx排放的控制方案。一般设定下列参数为控制目标量(CV):
控制不完全燃烧,提高锅炉效率
优化各级喷水,改善蒸汽温度
均衡炉膛温度
控制烟气含氧量,降低排烟温度
优化炉膛出口NOx排放
    主要通过氧量偏置调整、给煤量偏置调整、各风门偏置调整等控制手段,即可控量(MV))来实现上述目标。为了模型的精确性和实用性,OPTC-Q1还需引入干扰量,如:机组负荷,磨煤机组态,吹灰等等因素。下图为一具体案例的控制策略概要。

图3: OPTC-Q1的控制策略概要

 

脱硝(SCR)的优化运行(OPTC-SCR)
   当前脱硝效率是衡量SCR装置性能的重要指标,它与SCR装置的造价成本等密切相关。SCR烟气脱硝系统设计的脱硝效率一般要求为80~85%,这对的系统设计提出了很高的要求。制约脱硝效率的因素有:
最大允许氨逃逸率 (低于3×10-6)
SCR反应器入口烟气流的分布状态。SCR反应器入口烟气流的分布状态需要通过合理的烟道设计来调整;
NOx/NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是这三个因素中最难克服的问题。

    有试验数据为证,氨逃逸率与NOx/NH3混合效果有着密切的关联。氨的分布对SCR系统运行的最佳性能非常重要。烟气流在烟道内很难做到理想均匀分布,而且其分布特性会随着锅炉负荷、磨煤机组合等因素发生变化。如果采用目前常规的均衡AIG喷氨格栅的方法,就会造成NOx/NH3混合效果下降,会导致氨逃逸率升高;相反,会导致反应区域脱硝效果差。

图4:在SCR入口NOx的分布情况
 
    当脱硝效率较高时,如果氨分布稍有不均,就会出现局部逃逸峰值和较高的逃逸平均值。如果要求氨逃逸平均值必须保持在3×10-6以内,那么应经常更换催化剂。实际上,即使分布不均程度较轻,氨逃逸峰值也足以引发问题。这是因为脱硝效率较高时,如果系统没有调节氨分布不均的能力,当部分烟气含氨量超过NOx反应量时,多余的氨流经系统时就会逃逸。
    氨逃逸率量由于在10-6等级内,且与安装位置有着紧密的关系,因此一直是一个较难在线测量的值。目前的技术只能较为正确反映氨逃逸率的变化趋势,而且电厂一般只配备两套氨逃逸率测量装置,因此只能得到氨逃逸率的均值,并不能具体真实反映具体氨逃逸率的分布状况。
    我们通过离线人工网格法,在各个负荷段和磨煤机的组合下测量氨逃逸率的情况,然后通过OPTC-Sensor建立在线数学模型[1],再用电厂现有的在线氨逃逸表计值进行修正,得出氨逃逸烟道内在线分布值表单。

    在此基础上,根据氨逃逸率在不同空间位置的分布情况,采用OPTC-SCR先进的矩阵控制理念,进行有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量,实现不同区域不同的NOx/NH3配比,达到实现高效率、低成本运行脱硝(SCR)的优化目的。

 

低氮燃烧和脱硝最佳运行方案(OPTC-Q/Z)
    由于低氮燃烧和脱硝(SCR)技术的特点,低氮燃烧的运行成本与煤价是相互关联的;SCR的运行成本主要是还原剂氨的成本,它是与世界原油价直接挂钩的。因此在同时应用低氮燃烧和SCR脱硝技术时,有一个在达到国家排放标准前提下,成本最低的优化控制策略。可用下列数学表达式:
Mincost|Nox<100=F(COSTde-NOx)+F(COSTSCR)
=Δη(min<de-NOx<Max)*Pcoal+V(deNOx-100)*PSCR
式中:Mincost|Nox<100:在达到国标100mg/Nm3下,所需的最低费用;
          F(COSTde-NOx):低氮燃烧技术需费用;
          F(COSTSCR):SCR脱氮技术需费用;
          Δη(min<de-NOx<Max):采用低氮燃烧技术对机组效率的影响;
          Pcoal:标煤价;
          V(deNOx-100):在应用上述低氮燃烧技术下,所需投用SCR的量;
          PSCR:投用SCR的费用,包括NH3,催化剂和电量等。

    实现的方式,可选用基于预测功能的APC控制器,再增加费用最小优化的运算控制模式。

低氮燃烧和脱硝最佳运行方案(OPTC-Q/Z)结构框图如下。 [2],通过烟道网格法,建立定期校验核实的在线数学模型,计算氨逃逸在整个烟道内的分布。这种测量思路为在线氨逃逸分布测量提供了全新的思路,这在国内具有领先的地位。

图5:低氮燃烧和脱硝最佳运行方案(OPTC-Q/Z)结构框图
科技创新点
    在“锅炉运行综合优化”项目中,采用了多种具有先进国际水平的控制理念。首先在控制方式上,应用不同与目前国内大多开环方式的“专家指导模式”,实现了真正意义上的模块化“优化闭环控制”。
    “低氮燃烧和脱硝最佳运行方案(OPTC-Q/Z)”模块,将运行费用直接引入控制策略,并且能够实际需要平衡“低氮燃烧”和“SCR的脱硝”能力,在线运算最佳合理的配比系数。在发电领域,运用此类控制方法国际上还属首次,具有划时代的意义。成功后,中合实创与明华公司可联合申报国际专利。
    “脱硝(SCR)的优化运行(OPTC-SCR)”模块中,用于计算测量氨逃逸率的“OPTC-Sensor”,采用了一套新颖的软测量系统,其借鉴了目前国际上流行的半开放性数据模型形式,用现有的氨逃逸在线测量系统作为烟道均值修正量
    “低氮燃烧的优化运行(OPTC-Q1)”模块,其能在复杂的生产过程中理解和控制多变量之间的相互关系和作用,且具有自适应功能,在实际应用过程中,模型能适应生产过程的动态变化。锅炉燃烧优化闭环控制器使用交互变量,适用于大延迟,积分特性和反相响应等技术模拟和控制复杂的生产过程,尤其在各变量间存在不同时间死区的情况下。在动态响应性和稳态抗干扰性方面,比神经网络和线性控制器有较大的提高。这在锅炉燃烧优化闭环控制方面亦具有一定的领先地位。


 
 

 

 

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