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600MW机组尿素法SCR脱硝系统控制策略优化及应用

  • 来源: 大发彩票华中电力试验研究所
  • 作者: 毕艳洲
  • 发布时间: 2017-04-27

0 引言

随着国家对环境保护越来越重视,大气污染物环保排放要求越来越严格。而氮氧化物(NOx)作为大气的主要污染源之一,主要是由发电机组的煤炭燃烧造成的。目前火电厂烟气脱硝系统已逐步改造并投运,其主要采用的是选择性催化还原(SCR)法,即在催化剂存在的条件下,还原剂通过选择性的与烟气中的氮氧化物发生化学反应,在反应以后生成不会造成大气污染的氮气和水。还原剂主要采用液氨或尿素溶液。本文主要针对采用尿素溶液作为还原剂的脱硝系统进行研究。

1 存在问题

采用尿素溶液作为还原剂的脱硝系统,一般配有多支喷枪,通过调节喷枪的开度,来调整进入热解炉的尿素溶液流量,最终达到控制反应器出口NOx的目的。受技术、价格等多重因素影响,目前各厂配置的执行机构都存在一定程度的动作死区,而且由于该控制系统涉及多支执行机构,在实际运行中,当需要增加尿素溶液流量时,由于各执行机构存在动作死区,导致其动作不及时;当各执行机构同时开大后,又会导致尿素溶液流量超调过多,最终造成了脱硝控制系统难以稳定,调节品质较差。

上述现象最终造成的运行结果就是,时而喷氨量过少,导致烟气NOx瞬时超标,电厂会受到环保部门考核;时而喷氨量过多,又会造成氨逃逸,导致空气预热器的腐蚀及催化剂的中毒,损害电厂设备。因此,精确而经济地控制脱硝系统喷氨量有较强的实用价值。

2 典型控制策略及优化

目前脱硝系统的典型控制策略,主要是根据烟气流量、反应器入口NOx等信号计算出尿素理论需求量,通过反应器出口NOx的变化进行修正,最终得出总尿素需求量。得出的总尿素需求量根据投运喷枪数量进行分配,计算出各支喷枪的尿素需求量。各支喷枪根据调节器指令开大或关小来满足各自的尿素需求量。

该策略思路明确,整定简单,但由于执行机构较多且动作死区较大,调节品质并不理想,基于执行机构不能实现精确动作的事实,本文针对该控制策略进行了优化并应用于湖南某600MW机组,优化后控制策略见图2。

优化后的控制策略中,总尿素需求量逻辑与原策略相同,计算出总尿素需求量后,将不再针对各投入喷枪进行流量分配,而是根据总尿素需求量对实际尿素溶液流量进行闭环调节,以此来决定喷枪的开大或关小,并对各喷枪指令进行合理分配。

调节器根据总尿素需求量及实际流量进行调节,调节指令表征投入喷枪的平均指令送入“动作方向判断模块”,该模块主要作用是根据总尿素需求量调节器指令及已投入喷枪的平均开度进行判断,确定各喷枪是否需要开大(或关小)动作,然后发送开(或关)指令。

当动作方向判断模块判断出喷枪需要开大并发送开指令后,“开指令分配模块”根据喷枪系统投入情况进行指令分配。首先“最小开度判断模块”根据喷枪系统投入与否及喷枪自动投入与否进行判断,当喷枪投入且自动投入时记下喷枪调阀指令,然后根据指令对各喷枪开度进行判断,指令最小者记为最小开度喷枪。同时,为有效防止喷枪的响应不及时问题,步长设置逻辑设定的步长值即为喷枪动作幅度,步长值设置时需注意该值必须大于喷枪的动作死区。此时,当开指令发出后,最小开度喷枪开始开大,动作幅度为设置的步长值。

同理,当动作方向判断模块判断出喷枪需要关小并发送关指令后,“关指令分配模块”根据喷枪系统投入情况进行指令分配。首先“最大开度判断模块”根据喷枪系统投入与否及喷枪自动投入与否进行判断,当喷枪投入且自动投入时记下喷枪调阀指令,然后根据指令对各喷枪开度进行判断,指令最大者记为最大开度喷枪。同时,也需要设置步长值作为喷枪的动作幅度。此时,当关指令发出后,最大开度喷枪开始关小,动作幅度为设置的步长值。

该喷枪指令分配策略保证了各喷枪在动作时能够有效避免动作死区限制,同时又保证了动作之后各喷枪的开度不会差距过大。由于多支喷枪同时动作经常会引起尿素溶液流量的超调,该指令分配策略使得在同一时间只有一支喷枪动作,有效避免了超调现象的发生。

3 应用结果

湖南某600MW机组尿素法SCR脱硝系统已经应用优化后的脱硝控制策略,特选取脱硝系统24小时运行曲线进行比较。

在24小时运行曲线中,原控制策略下脱硝系统运行稳定性较差,出口NOx波动频繁,而且波动幅度较大。在设定值为120 mg/Nm3时,出口NOx主要在70~190 mg/Nm3之间波动,超出200 mg/Nm3 13次,超出150 mg/Nm3 101次。优化后控制策略投入后,在24小时运行曲线中,脱硝系统运行稳定性有了较大提高,波动频率明显降低,波动幅度有了明显减小。在设定值为120 mg/Nm3时,出口NOx主要在90~150 mg/Nm3之间波动,超出200 mg/Nm3 3次,超出150 mg/Nm3 44次。

根据24小时运行曲线统计可知,控制策略优化后,脱硝系统调节品质有了显著提高,系统波动频率有了较大降低,波动幅度为原来的50%,出口NOx超出200 mg/Nm3 次数为原来的23%,超出150 mg/Nm3次数为原来的44%。

4 结论

由以上机组运行数据可知,该600MW机组尿素法SCR脱硝系统控制策略优化后,与原控制策略相比,其调节品质有了显著提高。其主要原因在于,优化后控制策略通过喷枪步长设置,有效解决了喷枪动作死区的问题,提高了控制系统响应的快速性;同时通过喷枪指令分配,使得同一时间只有一支喷枪动作,有效解决了多支喷枪同时动作引起的超调问题,提高了控制系统的稳定性。

该控制策略在电厂尿素法SCR脱硝系统投入后,可有效降低环保部门的考核,并提高机组运行的经济性与稳定性,延长机组设备寿命。同时,该控制策略需要在运行中进一步发现问题并进行改进,并最终可应用于有同样问题的多执行机构的控制系统。


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