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            1000MW超临界机组SCR脱硝优化控制系统示范项目

            发布时间: 2018-09-16     来源: 知网

            针对1000MW机组超临界机组超排改造后存在的SCR脱硝调节品质差,NOx瞬时超标问题较多,运行人员需频繁干预调节,喷氨量大,空预器堵塞现象频发等问题,本文采用先进的控制算法软件,取代原有的PID控制,提出了先进的SCR脱硝控制系统。经过实际应用,明显提高了NOx调节品质,有效控制了NOx瞬时超标数量,提高了NOx小时均值,大幅减少了喷氨用量,降低了空预器堵塞发生的几率,减轻了运行人员调节压力,保证了机组经济、安全性运行。

            目前,国内发电厂较为常用的SCR脱硝NOx控制方法有反应器出口NOx定值控制法和固定摩尔比控制法两种。脱硝控制系统具有非线性、大迟延、多干扰源影响等特点,是典型的大滞后被控对象,而且SCR脱硝过程本身就是一个复杂的非线性化学反应过程,并随着催化剂的不断消耗,脱硝被控过程的动态特性会发生较大的变化。

            事实上,机组实际运行时,脱硝系统出口烟气中NOx(氮氧化物)含量经常出现波动大、超出环保指标等情况。因此,采用简单的PID控制方案很难取得理想的控制品质,同时氨气消耗比较大,使得整个脱硝系统的运行性能受到明显影响

            1 脱硝SCR控制系统概况

            1000MW机组锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的第一代国产1000MW超临界直流锅炉,SCR脱硝NOx控制系统采用控制策略为前馈与PID结合的方法,即根据SCR反应器入口NOx浓度和烟气流量计算出入口NOx含量,然后计算出所需的氨气量,再引入SCR反应器进口和出口NOx含量作为所需氨气量的修正。这种方法和固定摩尔比的控制方案比较类似。

            2 常规脱硝控制系统调节品质不高原因分析

            1) 控制目标与考核目标不对应

            环保部门对电厂进行考核核算的指标是烟囱入口处的NOx浓度测量值(CEMS表计测得)。固定摩尔比控制方式仅控制摩尔比,是简单的开环控制,控制目标与考核目标只有一定程度的关联;而固定SCR出口NOx浓度的控制方式,由于SCR出口NOx浓度与烟囱入口NOx浓度由于烟气流场和表计测量问题等,不论在静态关系还是动态特性上均存在着较大的差别。

            2)控制策略设计过于简单,与脱硝被控对象不相适应

            根据现场试验结果,脱硝被控对象(NH3流量烟囱入口NOx浓度)的响应纯延迟时间接近3min,整个响应过程达十几分钟,是典型的大滞后被控对象。控制系统想要获得良好的控制品质,必须以基于大滞后被控对象的设计思路进行优化。而目,前馈的控制策略均采用简单的PID+前馈的方案,必然无法获得良好的控制品质。

            3)控制系统仅考虑对象的静态机理,且缺乏自适应机制

            常规的脱硝控制策略,只考虑了机组负荷、烟气量变化对脱硝控制的前馈作用,但这种对应关系仅仅是基于静态物理特性的。也就是说,对于机组运行在800MW或者900MW负荷点,控制系统有对应;但对于机组如何从800MW上升到1000MW的动态过程(变负荷速率,燃料、风量变化情况等),控制系统无响应。这就使得脱硝控制品质在机组负荷频繁变化时尤为不佳。同时,上述的静态机理特性无法根据机组工况、燃煤品质的变化作出调整,无法应对目前机组频繁进行煤种掺烧的环境。

            4)控制系统的运行过分依赖于所有测点的完好

            SCR进、出口的NOxO 2 测量仪表由于长期运行在灰、尘较高的环境下,容易出现部分或整体失真的情况,且仪表的定期吹扫、标定也会使测量值瞬间突变。脱硝控制策略对上述问题均无比较好的应对方法,一旦某个测点失灵,整个控制系统即处于瘫痪,系统的长期可用性明显受到影响。

            3 新型脱硝控制系统控制策略分析

            1)机组脱硝系统模型的获取

            1000MW超临界机组SCR脱硝系统,分别在高、中、低3个负荷点上进行开环动态特性试验,并采集其相关试验过程数据。试验过程中,脱硝系统模型要将反馈调节回路模型和扰动模型分别获取。试验完成后,对数据整理分析,并采用神经网络建模方法得到机组SCR脱硝系统的模型。

            2)前馈的设置

            在传统的NOx控制系统中,往往采用机组负荷指令的对应比例或微分函数的信号作为喷氨调门的前馈信号,这种前馈信号目标单一且大小固定,在长期运行过程中,必然存在性能下降的情况。对此,结合脱硝系统模型特性试验,分析各扰动因素对喷氨调节地影响,形成了一套智能前馈+反馈控制策略,具体内容如下:

            根据NOx形成机理及实际运行情况来看,机组负荷指令、给煤量、总风量(氧量)均会对SCR入口NOx产生不同的影响,从而会进一步影响SCR出口NOx浓度及烟囱入口NOx浓度。因此,在设计前馈回路时也应该分别考虑以上各因素的特点,并结合所建立的脱硝系统模型,给予各前馈量不同的权重系数和作用时序。

            各前馈量的权重系数若采用固定值,实际运行中的效果并不能令人满意,应该根据机组具体的工况进行一定范围的动态调整。比如,用负荷指令信号设计前馈时,虽然该信号在时序上最提前,但对出口NOx浓度的影响并不最直接。

            如负荷指令的前馈权重系数应结合AGC指令的变化规律,区分机组负荷是单方向大幅变动还是在某一负荷点附近来回反复波动而后智能调整,从而减少不必要的控制调节,增加控制系统的稳定性;再比如采用SCR入口NOx测点设计前馈时,该信号对出口NOx的影响最为直接。

            因此,其前馈作用在控制系统中权重占比可较大,但该信号需要定期的标定和校准,存在信号失真的情况而失去提前作用,则此时其它前馈信号在控制系统中的权重占比可以适当放大,以降低该情况对控制系统的影响。

            由于机组参与调峰,启停磨较为频繁,该过程中往

            往会对NOx产生较大的扰动,长时间难以恢复稳定。在这种工况下仅采用上述负荷指令、入口NOx等前馈信号难以克服启停磨过程中的扰动,易出现NOx超标或过低的现象发生,并引发调节振荡。针对这种情况,进行了多次的启停磨试验,在此基础上根据不同磨组运行台数和组合、启停上下层不同的磨组时对脱硝系统的影响规律,设计了启停磨喷氨智能调节前馈信号,有效地抑制了启停磨过程中NOx的波动范围,使得控制系统可以更快地恢复稳定。

            3)各种判断条件的设置

            优化后的脱硝系统根据机组运行的实时参数,不断对各NOx测量仪表的数值进行在线评估,比如某一时刻A侧的SCR出口NOx浓度测点吹扫保持,系统一方面会根据脱硝系统模型,采用模型软测量技术计算出该测点的评估值,使得控制系统在仍可以通过评估值按照正确的方向进行调节;另一方面,系统会适当地减小该测点在整个控制回路中所占的权重系数,以将测量值失真给控制系统造成的影响降至最低,从而保证脱硝控制系统的长期可靠运行。

            4 应用效果

            基于先进控制技术的脱硝控制系统于20173月在某电厂1000MW机组成功投入运行,机组的脱硝控制水平在稳态和动态性能上均有了明显地提高。具体情况如下:

            1)经济性效果对比

            单位电量耗氨明显减少,#3(已投入系统)#4(未投入系统)的单位电量用氨对比,期间#3#4炉负荷、磨煤机运行方式、掺配煤种、脱硝入口NOx浓度基本一致,可排除其它影响NOx浓度的因素。已投入系统的#3炉单位电量用氨明显要少于#4炉,统计期间,单位电量用氨减少0.03g/kwh,按照全年4台机组总发电量120亿,1吨液氨3000元计算,节省费用=0.03×12000000000/1000000×3000=104.497(万元)

            2)控制NOx排放超标效果对比

            未投入系统时,运行人员操作量很大,经常需要手动调整喷氨调门的开度,脱硫出口NOx浓度波动相对频繁,波动幅度也相对较大,脱硫出口NOx浓度最大为+55.3mg/Nm 3 ,经常出现超标情况。

            为了环保考核,通常将整体NOx浓度控制得较低,喷氨量较大,造成经济性下降的同时也容易造成空预器堵塞;在投入系统后,脱硫出口及SCR出口NOx浓度波动明显降低,稳态偏差大部分时间均控制在±10mg/Nm 3 以内,在变负荷及启停制粉系统等扰动工况下的动态偏差也控制在±15mg/Nm 3 以内,最大NOx浓度为+45mg/Nm 3 ,系统整体控制效果较为稳定,环保超标的风险也相对降低。

            3)提高机组安全性效果对比

            系统投入后,在控制入炉煤硫分的前提下,自动调节品质明显改善,NOx浓度控制值明显提高,喷氨量减少,氨逃逸率也明显下降,使得空预器差压上涨趋势变缓,提高了锅炉运行的安全性。系统投入后,机组全年的脱硫吸收塔出口NOx浓度自33.3mg/Nm 3 提高至38.9mg/Nm 3 ,液氨耗量由0.23g/kwh降至0.19g/kwh,最终使空预器差压由2.8kPa降至2.2kPa,空预器堵塞程度明显减缓,对降低风机单耗、锅炉排烟温度等热力指标等均有不同程度的作用。

            5 结语

            本文研究的基于先进控制技术脱硝控制系统,可明显改善脱硝系统的控制品质。实际应用表明:该方案可有效改善脱硝系统的运行性能,大大减少了NOx浓度的波动,有效减少了氨气使用量,取得了良好的经济效益。