燃气-蒸汽联合循环机组脱硝系统参数预警优化

肖黎明，刘德进，潘超宇，蔡 文，曾令大，刘荣辉

(1.中国华电集团发电运营有限公司，北京 100031；2.天津军粮城发电有限公司，天津 300300)

0 引言

在“碳达峰·碳中和”战略目标的背景下，进一步加强节能减排工作，实现生产运营的绿色清洁化，对于发电企业意义重大。燃气机组作为新型发电机组，在提供电能、热能的同时也排放出氮氧化物[1-2]。目前，发电机组氮氧化物排放标准日趋严苛，除了国家相关控排标准外，各地又相继出台了更为严格的排放标准[3]。燃气发电企业应在确保机组平稳运行的基础上，推动技术改进和设备升级，以满足排放标准要求。目前，机组烟气净化系统的监控大都集成在DCS系统，但在实际操作中，还存在一些问题，如自动控制水平不高，需手动操作辅助；控制逻辑与现场匹配度不高；报警系统不完善，操作人员无法快速识别异常工况等[4-5]。因此，以某电厂燃气-蒸汽联合循环机组为例对DCS中脱硝系统进行优化，通过构建计算环保参数小时实时均值的算法和环保排放数据预警策略，保证机组环保指标得到有效控制的同时方便人员监测与操作。

1 机组脱硝系统概述

该电厂燃气-蒸汽联合循环机组主要由1台燃气轮机(GE 9HA燃气轮机)、1台余热锅炉、1台汽轮机以及相关辅助系统和设备组成。机组DCS系统燃气轮机与汽轮机部分为Mark VIe系统，余热锅炉部分为max DNA系统，脱硝系统采用选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)，设计脱硝效率65 %，保证效率不低于50 %，脱硝层数1层。

SCR主要由氨气输送计量系统、热风循环系统、AIG喷氨格栅系统、催化剂系统组成。热风循环系统抽取锅炉约350 ℃的烟气，利用离心风机加压并加入氨气；氨气和原烟气混合后通过喷氨格栅进入上游烟道中，系统流程如图1所示。

图1 机组脱硝系统流程

喷氨格栅前安装烟气在线检测仪，用于检测省煤器与空气预热器间烟道内NOX，O2以及烟气温度、压力等；锅炉尾部安装氨逃逸检测仪，用于检测未反应的氨气逃逸量，保证氨(NH3)逃逸率不超过3 %。脱硝系统纳入机组DCS，完成数据采集、顺序控制和调节控制功能，人员可通过DCS完成对脱硝系统的启/停控制、运行监视与调整以及异常工况的处理和故障诊断等。

2 脱硝系统监控中的问题

燃气机组因启动迅速、响应负荷速度快的特性，被充当电网中的调峰机组使用。通用DCS系统在机组启停等复杂工况下监控难度大，且环保指标控制精准度低，氨气用量大，经济性差。如燃气机组在2—9月期间总启停次数达76次，指标超标小时数达94 h，脱硝效果不佳。

烟气脱硝效率与NH3逃逸率是脱硝系统的两个重要指标，复杂恶劣的脱硝环境会导致局部氨逃逸超标以及出口NOX浓度分布不均等问题的出现。影响NOX排放浓度的因素很多，如燃烧方式、燃料温度和压力、空气温度和湿度等，特别在燃机启停和低负荷运行时，因主燃料较少，易造成NOX浓度高；燃气轮机通流间隙、密封间隙过大会改变空燃比，也会影响NOX的生成量；燃烧调整方式和不同运行水平的人员也会对NOX排放产生一定的影响。

3 脱硝系统参数预警优化

3.1 NOX小时均值计算

对于脱硝NOX小时均值，可按照DB 12/810—2018《火电厂大气污染物排放标准》中“新建燃气发电机组氮氧化物排放浓度须低于30 mg/m3排放限值”的要求进行计算。污染物小时均值定义为烟气排放连续监测系统(continuous emission monitoring system，CEMS)第n小时测量污染物排放干基标态质量浓度平均值，污染物干基标态浓度是指烟气在去除水分、冷却到接近0 ℃、压力在1个标准大气压下的浓度。

(1) 污染物质量浓度分钟数据(计算区间为1 min)按公式(1)计算：

式中：CQj为CEMS第j分钟测量污染物干基标态质量浓度的平均值，mg/m3；CQi为CEMS最大间隔5 s采集测量污染物干基标态质量浓度的瞬时值，mg/mm3；n为该分钟内CEMS采集到的有效测量瞬时值个数。

(2) 污染物质量浓度分钟数据(计算区间为1 h)按公式(2)计算：

式中：CQh为CEMS在1 h内测量污染物干基标态质量浓度平均值，mg/m3；CQj为CEMS第j分钟测量污染物干基标态质量浓度的平均值，mg/m3；k为CEMS在该小时内有效测量的分钟均值个数。

(3) 污染物质量浓度小时数据可根据公式(1)、公式(2)推导得出：

式中：CQh为CEMS在1 h内测量污染物干基标态质量浓度平均值，mg/m3；CQi为CEMS最大间隔5 s采集测量污染物干基标态质量浓度的瞬时值，mg/m3；m为CEMS在1 h内有效测量的瞬时值个数。

在机组启动初期，为及时精确投入脱硝系统，通过DCS逻辑计算得出小时实时均值数据，实现实时计算该小时段的NOX排放均值。按照HJ76—2017《固定污染源烟气(SO2，NOX、颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》中NOX示值误差需满足：当满量程大于等于410 mg/m3时，示值误差不超过±5 %；当满量程小于410 mg/m3时，示值误差不超过±2.5 %以及系统响应时间小于等于200 s的要求。为确保数据准确性，循环周期与CEMS采集周期相同均为1 s。计算过程可实现计时、基本计算、复位清零和累计计算等，见图2。

图2 小时实时均值计算流程

3.2 NOX小时均值计算优化

脱硝设备操作基于max DNA系统实现，可实时显示NOX小时均值，以确保相关监测值处于预警值以下。除计算功能外，该系统还可通过相关功能模块的选用，进行逻辑搭建，实现NOX小时均值的计算优化，计算逻辑见图3。

图3 计算逻辑

(1) 将实时的NOX数值按1 s间隔进行累加，再用累加值除以累计数据的个数，得到NOX均值。为得到NOX小时均值，计算得到的数值需每小时复位清零一次，然后进入下一个小时周期，重新计算。若按秒级频次计算，每小时则可得3 600个数据。

(2) 功能块搭建中，使用了ALRMCLCK模块。该模块可理解为时钟块，可输出实时的时钟、分钟以及秒钟。基于此模块的不同特性，可计算出体现实时性的多个参数值。例如通过TOTL累计块，用来累计计算NOX瞬时值；使用MUL乘法块，可将分钟数换算为秒数；借助ADD加法块，可得到总秒数；利用DIV除法块，可计算均值等。

(3) 经过试验测试，该逻辑可正确实现NOX小时均值的计算功能。

(4) NOX均值计算方法可推广至含氧量和颗粒物等参数计算，但只能计算出小时均值，不具备数据超标预判和超标原因影响源分析功能。

3.3 环保数据监视画面优化

按照HJ76—2017要求监测的信息包括NOX相关数据、CO相关数据、含氧量、烟温、流速、压力以及脱硝效率等。然而在机组运行的实时监测中，因参数多、数据量庞大，容易发生超标的数据捕捉不及时等问题，因此，为方便现场监控，可从DCS环保相关数据中，筛选出关键参数，制作数据汇总表并增设专用监视画面。汇总表主要包含脱硝出口NOX含量(折算)以及烟囱出口烟尘含量(折算)、O2含量、CO含量、CO2含量、NOX含量、流速、标杆流速、温度、湿度、压力以及脱硝效率等数据和相关排放标准限值。同时，专用监视画面也可将NOX小时均值等参数纳入监视范围，以方便运行参数调节，提高控排能力。

重要参数超标通过设置预警区来显示报警，如脱硝出口NOX含量报警阈值设为25 mg/m3，当监测数据超过该值后，数值显示开始红标闪烁，以提示操作人员注意及时调整。预警区的增设，为发电运行监控人员提供了风险预控、应急处理的缓冲区，留出必要的处理时间。

4 优化前后效果对比与讨论

4.1 技术优越性

根据预警技术优化前后的反馈信息，其技术优越性主要体现在以下方面。

(1) 控排效果。对比优化前后的数据，机组冷态启动过程中，氮氧化物排放次均超标小时数下降38 %，污染物排放控制效果显著。

(2) 经济性。在满足瞬时氮氧化物达标排放的基础上，每次启动过程氨气均用量下降54 %，小时氨气均用量降低12.5 %。

(3) 操作性。从氮氧化物超标产生原因、小时均值计算和监控画面优化等各方面展开，优化后系统可在氮氧化物出现超标后立即预警，为运行监控人员提供警示信息。

4.2 后续展望

(1) 适用性。结合发电企业机组特性，预警系统可推广至CO，CO2，SO2等数据的预警监控，为污染物排放、末端治理提供有效依据，实现减污降碳、协同增效的有效监管。

(2) 智能化。预警系统实现数据显示、预警、运行趋势判断等功能。下一步，可通过数据分析、逻辑判断、模型预警实现综合预警；还可通过判断模块查找相应的故障源，使运行操作人员精准调控，实现快速消缺，提升安全保障。

5 结束语

有效实施环保数据在线监测与预警，是落实发电机组执行环保标准的可靠保证。通过增加排放指标预警信号、建立预警系统、设置预警阈值等对DCS进行优化，使排污监测系统显示的直观性、精确可控性进一步提升，为操作人员监视和操作提供方便，保证了排放参数不超标，降低因污染物排放超标造成的环保处罚的概率，也为同类型机组DCS环保参数优化提供参考。