1 000 MW机组全负荷低NOX排放优化

闫　超, 张兰华

(广东惠州平海发电厂有限公司，广东惠州516363)



1 000 MW机组全负荷低NOX排放优化

闫超, 张兰华

(广东惠州平海发电厂有限公司，广东惠州516363)

摘要：为满足日趋严格的环保排放要求，需对现有的SCR脱硝系统进行优化改造。以某电厂为例，分析了SCR脱硝的控制策略，通过对SCR控制系统、二次风控制系统参数整定和优化，以及给水加热回热抽汽系统改造，成功实现了全负荷段NOX低排放。试验结果表明，所采用的优化策略及改造技术，对其他同类型机组全负荷脱硝低排放具有重要的借鉴和参考意义。

关键词：SCR；全负荷；1 000 MW超超临界机组；优化；燃烬风

0引言

大型火电机组排烟中的NOX是造成环境污染的重要原因之一，目前大部分火电机组采用SCR脱硝装置，其脱硝效率可达到80%以上[1]。随着新颁布的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》实施，对燃煤火电厂氮氧化物NOX排放浓度限值提出更高要求。某厂处于珠三角重点地区，NOX排放限值标准由原来的小时平均排放达标变成分钟平均排放达标，排放标准为分钟平均值不超过100 mg/Nm3。

1机组概况

某厂2×1 000 MW超超临界机组锅炉采用上海锅炉厂引进ALSTOM技术设计制造的某型锅炉，该锅炉属于超超临界、一次中间再热、全钢结构、露天布置、双切圆八角喷燃、平衡通风、固态排渣螺旋管圈直流煤粉式锅炉；汽轮机采用上海汽轮机厂有限责任公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，采用独特的补汽阀技术；发电机采用上海发电机有限公司生产的水氢氢冷自并励静止励磁发电机；烟气脱硝系统由上海电气石川岛电站环保工程有限公司提供，采用SCR脱硝方案，系统设置2套相互独立的SCR反应器，布置于省煤器之后，空预器之前，属于高尘布置方式；SCR系统设计两层板状催化剂和一层蜂窝式催化剂，使用液氨作为还原剂，吹灰共设置有24台声波吹灰器，同时反应器入口烟道的底部设置了积灰斗来收集飞灰。SCR反应系统主要设备参数如表1所示。

表1　SCR反应系统主要设备参数

续表1

2SCR脱硝的基本原理及控制策略

SCR脱硝的基本原理是在催化剂作用下，还原剂液氨与烟气中的氮氧化物反应，生成氮气(N2)和水(H2O)。主要的化学反应方程式为：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(2)

(3)

(4)

烟气中氮氧化物95%为NO，式(1)是主要的化学反应[2～5]。

电厂使用烟气污染连续监测系统(CEMS)测量烟气中的NO和O2含量，通过公式进行换算和修正成NOX折算量。NOX折算公式为：

(5)

式中：WNO为实测烟气中NO体积含量，μL/L；WO2为实测烟气中氧含量， %；根据经验NOX中NO含量为95%和NO2为5%；NO2由体积含量换算到质量含量的转换系数为2.05。

控制策略如图1所示。主调节器的设定值为脱硝效率，被调量为实际脱硝效率，经过PID运算得到摩尔比，再经过修正得出喷氨量，作为副调节器的设定值，与NH3流量测量值偏差经PID运算后生成喷氨调节阀指令。由于脱硝喷氨系统存在测量及化学反应时间滞后，因此在控制系统中设置有前馈回路，前馈回路根据锅炉煤量函数计算的烟气流量、入口NOX测量值修正，计算得到喷氨量，作为副调节器的设定值，以快速响应机组负荷变化及入口烟气量变化。

图1　喷氨调阀控制策略

3控制系统参数整定和优化

随着环保要求的提高，机组频繁深度调峰，现有的脱硝控制系统已不能完全满足NOX排放要求。针对系统存在的问题，进行控制系统参数优化及给水加热回热系统改造，达到环保要求的效率和排放指标。

3.1　SCR取样管路吹扫系统保持导致的调节异常

为防止取样管堵塞，SCR系统进出口取样分析管路均安装有自动吹扫装置。吹扫时进出口NO及氧量测量值通过硬件实现数值保持，待吹扫结束延时2 min后恢复测量。吹扫过程存在两种可能异常情况。一是吹扫过程中进出口测量值完全处于保持状态，无法实时地根据进出口NOX值来调节喷氨量。二是吹扫过程中进出口测量值保持时间不一致，无法实现同时保持。针对这两种异常工况，控制系统做以下优化：将SCR系统吹扫信号引入到DCS参与控制，当有吹扫信号时，通过DCS逻辑实现进出口NOX值保持不变，解决硬件保持时间不一致的情况。一侧吹扫时数值保持，无法实时调节，通过将本侧调阀指令跟踪对侧调阀开度来实现控制，同时优化整定主、副调节器PID参数。

3.2　降负荷过程中SCR入口NOX突升导致出口NOX瞬时超标

稳定工况时，SCR入口NOX变化小，可通过优化主、副调节器PID参数实现良好控制效果。根据试验，SCR入口NOX在降负荷过程中到500 MW附近时，入口NOX出现突升，加上脱硝喷氨反应的滞后时间，正常整定PID参数已无法满足这一工况。虽经多次参数整定，此种情况下调节效果依然不理想。为此设想通过降低炉膛出口烟气中的NOX生成量来达到控制NOX排放量目的。根据合理氧量控制和空气分级燃烧原理，运行氧量过高会导致炉膛出口NOX排放量升高；在机组负荷、总空气量不变的前提下，增加上层燃烬风(SOFA风)的送风量可以降低NOX的生成量[6～12]。在满足锅炉效率的前提下，优化氧量控制函数，优化效果表明，锅炉燃烧氧量降低，出口NOX浓度大幅度降低。同种工况下炉膛出口NOX降低70～100 mg/Nm3。通过配风试验，在满足锅炉风箱差压情况下，降负荷过程中适当开大SOFA风，可大幅降低炉膛出口NOX浓度及上升速度。氧量函数优化前后各负荷段炉膛出口NOX如图2所示，降负荷优化SOFA风开度前后NOX浓度如图3，4所示。同时优化喷氨调阀前馈控制，当SCR入口NOX浓度上升速率过快时，提前开大调节阀的开度，如表2所示。

图2　氧量优化前后炉膛出口NOX

图3　优化SOFA风前NOX浓度

图4　优化SOFA风后NOX浓度

SCR入口NOX升高速率010205070100喷氨调阀开大量/%00371012

3.3　低负荷时排烟温度低导致SCR退出运行

机组深度调峰过程，当SCR入口烟气温度低于293 ℃时退出SCR运行，NOX排放超标，不满足环保排放要求。通过对给水加热回热系统改造，在低负荷时提高烟气排烟温度，实现SCR全负荷运行。改造方案具体是通过对1号高压加热器的加热汽源(简称1段抽汽)进行改造，增加另一路汽轮机高压缸补汽阀后的抽汽汽源(简称0段抽汽)。改造前后流程图如图5、图6所示。当机组负荷降低，SCR入口烟气温度不能满足SCR脱硝装置投运温度时将1段抽汽切除，采用0段抽汽作为1号高压加热器的汽源，0段抽汽汽源经过减温减压后加热锅炉给水。由于0段抽汽参数高于1段抽汽参数，低负荷时对1号高压加热器抽汽汽源的切换，提高给水温度。两种抽汽汽源之间通过抽汽调节阀实现无扰切换，同时通过减温水调阀控制减温器后的抽汽温度控制在合理范围，保证1号高压加热器内压力在合理范围。从而提高省煤器进口给水温度，减少了省煤器对烟气的吸热，使省煤器出口烟温相应的上升，满足脱硝系统投运的温度条件。

图5　改造前一号高压加热器汽源

图6　改造后一号高压加热器汽源

投运实例：2014年12月27日4:00进行新型回热系统试投运。投运前工况：机组负荷450 MW，脱硝入口烟气温度最高为291.1 ℃，低于脱硝系统投运最低温度，脱硝系统退出运行。试验开始，运行人员手动逐步将1段抽汽汽源切换0段抽汽汽源，完全切换后给水温度提高18.6 ℃，脱硝入口烟气温度平均提高15.6 ℃，脱硝效率达64.3%。投运0段抽汽系统前后脱硝系统运行主要参数如表3、表4所示。试验结果表明0段抽汽回热系统低负荷时提高SCR入口烟气温度效果明显，实现机组低负荷脱硝。

表3　投运0段抽汽系统前SCR系统主要参数

表4　投运0段抽汽系统后SCR系统主要参数

4结论

对于SCR取样管路吹扫时喷氨调阀无法正常调节、降负荷时NOX排放超标等问题，通过逻辑优化解决；对于低负荷排烟温度低时SCR无法投运的问题，通过采用给水加热回热抽汽系统改造解决。成功实现了全负荷工况下SCR脱硝装置投运和NOX的低排放目标。

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All Load of 1 000 MW Unit Low NOXEmission Optimization

Yan Chao， Zhang Lanhua(Guangdong Huizhou Pinghai Power Generation Co., Ltd., Huizhou 516363, China)

Abstract：In order to meet the increasingly stringent environmental emission requirements, need to optimize and transformation of the existing SCR denitration system. Taking the SCR system of a power plant as example, analysis SCR denitration control strategy, use SCR control system, secondary air control system parameter tuning and optimization, and water heating system transformation, successfully achieved full-load segment low NOXemission targets. The results show that the use of optimization strategies and transform technology, is an important reference and reference value to the other type of unit with a full load of denitration low emissions.

Keywords：SCR；all load；1 000 MW ultra-supercritical unit；optimization；SOFA

作者简介：闫超(1983-)，男，助理工程师，从事火电厂热工控制及优化工作，E-mail:whuachao888666@163.com。

收稿日期：2015-09-22。

中图分类号:TM731

文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.012