科遠SCR分區噴氨控制系統在寧東電廠的成功應用
企業:南京科遠自動化集團股份有限公司 日期:2020-09-11
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南京科遠智慧科技集團股份有限公司自主研發的SCR分區噴氨控制系統,在寧夏京能寧東發電有限責任公司(以下簡稱:寧東電廠)660MW機組建設投運以來,解決了超低排放帶來的噴氨不均、空預器堵塞等問題,效果顯著。

直接經濟效益:按液氨單價2200元/噸計,節氨量為150噸/年,節氨效益為33萬元/年;按空預器阻力下降500Pa計,三大風機電耗約下降約500kW;機組年利用小時數約4000h,每年節約用電量約200萬kW·h;上網電價為0.3元/kW·h,節電效益約為60萬元/年。共創造直接經濟效益93萬元/年。

除直接經濟效益外,投運SCR分區噴氨控制系統還可保持空預器換熱元件清潔以降低運行排煙溫度;避免過量噴氨以延長脫硝催化劑壽命;延緩甚至消除空預器堵塞問題以延長蓄熱元件壽命;減少蒸汽吹灰的消耗量;節省噴氨試驗調整委托費用;節省蓄熱元件高壓水沖洗委托費用等。

1 項目概述

寧東電廠一期為2×660MW燃煤汽輪發電空冷機組,鍋爐為超臨界參數變壓運行螺旋管圈加垂直管直流爐,單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型、室內布置燃煤鍋爐。

機組脫硝系統采用選擇性催化還原(SCR)工藝,脫硝效率按入口NOx濃度為600mg/Nm3、脫硝效率70%設計,催化劑采用1+1層布置,初裝催化劑采用板式催化劑。為滿足超低排放標準,寧東電廠又增加了一層催化劑并進行了催化劑加高處理,采用兩層催化劑同時運行,設計入口NOx濃度≯400mg/Nm3設計脫硝效率87.5%,出口NOx濃度≯50mg/Nm3反應器采用高塵布置工藝,即反應器布置在鍋爐省煤器出口與空預器之間。每套脫硝系統設置兩個反應器,每個反應器內的每層催化劑模塊數為88塊。SCR控制系統接入機組DCS系統。脫硝系統采用聲波吹灰方式,吹灰器裝在每個催化劑層的上方。兩臺機組脫硝系統共用一套液氨儲存與供應系統。

寧東電廠#2機組于2018年5月利用大修機會,安裝南京科遠SCR分區噴氨控制系統,主要在脫硝裝置進口噴氨格柵前、出口增加NOx/O2濃度分布巡測裝置,對原脫硝裝置噴氨管路進行四分區改造,并增加一套外掛控制系統,整個系統能夠獨立運行,對原DCS系統沒有任何影響。運用此套控制系統后,效果顯著。

2 技術介紹

SCR分區噴氨控制系統,單側反應器采用“四分區/四點測量”設計。主要包括三個模塊: SCR進口、出口NOx/O2濃度巡測模塊(模塊一)、分區噴氨管路模塊(模塊二)和控制模塊(模塊三)。其中,模塊一獲取SCR進、出口的NOx濃度分布和O2濃度分布,分別反映噴氨均勻性效果以及低氮燃燒效果,進而確定各分區噴氨偏差調節目標值,作為噴氨優化控制的主信號;模塊二的核心是構建“噴氨總閥+分區調平閥(氣動)+支管調節閥”的三級串聯調節的執行模塊,另除監測噴氨總量外,還實現分區噴氨流量的監測,即在分區調平閥上游增設分區氨空流量計,作為分區調平閥的實時閉環調節信號;模塊三包括整個控制系統的軟、硬件。此外,為保證分區噴氨改造效果,本次改造同步實施脫硝流場的優化改造。

模塊一:SCR進口、出口NOx/O2濃度巡測模塊

SCR進口、出口NOx/O2濃度巡測模塊分別安裝于每側SCR進口、出口水平煙道與空預器進口之間,沿煙道寬度方向單側布置4根多點取樣槍,多點取樣槍采用DN150的鋼管制作,迎風面加裝防磨角鋼,背風面沿鋼管軸線均勻開設6個φ20的取樣孔,為保證多點取樣槍內不積灰,多點取樣槍豎直布置;多點取樣槍實現在脫硝裝置縱深方向取樣,一端封閉,另一端接至煙道外部,經DN50的不銹鋼取樣支管匯集至取樣切換裝置,再進入DN150的不銹鋼取樣母管,取樣母管接至空預器出口負壓煙道,進口利用脫硝裝置和空預器的壓差、出口利用空預器壓差實現自流(相當于建立空預器的煙道小旁路);取樣切換裝置用于控制各取樣支管的通斷,核心部件是適用于高溫、粉塵環境的偏心閥體;在取樣母管上裝設有NOx/O2速分析儀(儀表自身響應時間不超過2s),并配套煙氣預處理裝置,與取樣母管直接相連。

模塊二:分區噴氨管路模塊

分區噴氨管路模塊,將原噴氨母管均勻的虛擬分割成4段分區母管,同時增設一根公徑更大的噴氨母管,以減小各分區噴氨流量調節的耦合性;在每根分區母管下游連接一組原支管手動調節閥,上游增設分區支管,在分區支管上安裝分區調平閥和分區氨空流量計,分區氨空流量計選用適用于在低流速、直管段短、流體介質易冷凝的環境的熱式質量流量計。

模塊三:控制模塊

控制模塊作為脫硝分區噴氨控制系統的大腦,保證SCR出口NOx/O2濃度巡測模塊和分區噴氨管路模塊協調工作。控制模塊以分散控制系統為硬件平臺搭建,作為原DCS的外掛系統,與原DCS實時通訊,從而構建完整的脫硝分區噴氨控制系統。

本工程重點實現分區噴氨的功能,分區調平閥的控制邏輯為:根據模塊一分區巡測結果及內置智能算法得出分區濃度偏差,作為分區調平閥調節目標值,然后對分區調平閥開度進行調整,同時監測調整區域的氨流量變化,將氨流量變化百分比作為分區調平閥控制的反饋量,當氨流量變化百分比與NOx濃度偏差百分比一致時,確定完成分區調平工作。

需要補充說明的是,配置分區氨流量監測,有助于提高分區噴氨控制的品質,具體體現在:(1)調節某一分區的分區調平閥時,整個噴氨管路的流量分配特性改變,其他分區調平閥不動作,但分區氨流量會改變,實現分區氨流量監測后,可通過控制策略自動平衡調節分區調平閥,保證相應分區氨流量保持為目標值;(2)各分區增加或減少噴氨量后,SCR出口NOx濃度并不會立即改變,加之測量系統存在遲滯,SCR出口監測的NOx濃度分布值的總遲滯時間長達5min以上,不適合作為分區調平閥閉環調節信號,而分區氨流量測量的實時性能彌補其不足。

3 效果分析

3.1 節約噴氨量效果

從原有SIS和DCS系統歷史數據庫中選取改造前兩個月的相關數據、改造后SCR分區噴氨控制系統投運兩個月的相關數據進行對比分析,主要選取的參數有機組負荷、SCR兩側噴氨量、煙囪入口NOx度,主要參數匯總如表1所示。

表1 SCR分區噴氨改造前后相關參數對比

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注:表1中,平均脫除NOx濃度=SCR入口兩側平均NOx濃度-煙囪入口NOx濃度。

由表1可以看出:SCR分區噴氨控制系統改造前兩個月內,機組平均負荷為501.5MW,平均脫除NOx濃度為284.1mg/Nm3,對應的兩側平均噴氨量為104.5kg/h;改造后系統投運兩個月內,機組平均負荷為501.7MW,平均脫除NOx濃度為272.4mg/Nm3,對應的兩側平均噴氨量為92.8kg/h,改造后機組負荷一致的情況下,平均脫除NOx濃度下降約4.1%,而總噴氨量下降約11.2%,換算到平均脫除NOx濃度相同的情況下,能節約總噴氨量7.1%。

3.2 SCR分區噴氨控制系統投運前后空預器阻力狀況對比分析

本系統自2018年5月份大修期間安裝,2018年7月23日機組啟機時同步投運分區測量系統,2018年8年月底至9月初進行熱態調試,對原噴氨支管手動閥進行調整,后于2018年9月10日投運控制系統,為分析系統投運效果,特選取系統機組大修后機組運行100天的空預器阻力數據進行分析(其中分區噴氨系統投運時間約50天),如圖1所示。

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圖1 機組大修后投運100天空預器阻力數據趨勢圖

可以看出:

(1)SCR分區噴氨控制系統投運前,機組平均負荷為510MW時,兩側空預器阻力平均值為1.073kPa,且兩側空預器阻力偏差約300Pa(21側空預器阻力高于22側空預器阻力)。

( 2 ) SCR分區噴氨控制系統投運后,機組平均負荷為510MW時兩側空預器阻力平均值為1.019kPa,比系統投運前下降54Pa;兩側空預器阻力偏差僅為50Pa,比系統投運前下降250Pa。

3.3 SCR分區噴氨控制系統投運前后SCR出口與煙囪入口NOx濃度對比分析

為觀察SCR分區噴氨控制系統投運前后SCR出口NOx濃度與煙囪入口NOx濃度狀況,選取SCR出口兩側NOx濃度、煙囪入口NOx濃度變化趨勢,如圖2所示。可以看出:SCR分區噴氨控制系統投運后,SCR出口兩側NOx濃度及煙囪入口NOx濃度波動范圍明顯變小,由此也可以說明SCR分區噴氨控制系統投運后,可以使SCR出口兩側NOx濃度及煙囪入口NOx濃度控制的更為穩定。

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圖2 機組大修后投運100天SCR出口兩側NOx濃度、煙囪出口NOx濃度趨勢圖

3.4 SCR分區噴氨控制系統投運前后SCR出口NOx濃度分布不均勻系數分析

圖3為SCR分區噴氨控制系統投運前后SCR出口NOx濃度分布不均勻系數變化趨勢圖。可以看出:SCR分區噴氨控制系統切除后,SCR出口NOx濃度分布不均勻系數明顯增加高于系統投運時的不均勻系數。同時通過圖3可以斷定,機組工況(如負荷等)發生變化時,SCR出口NOx濃度分布狀況會發生改變,因此增加SCR分區噴氨控制系統是很有必要的。

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圖3 SCR分區噴氨控制系統投運前后SCR出口NOx濃度分布不均勻系數

3.5 新增雙通道NOx快速測量分析儀響應時間分析

圖4為機組分區噴氨控制系統新增NOx快速測量分析儀與原SCR出口CEMS系統NOx濃度變化趨勢對比圖。

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圖4 新增NOx快速分析儀與原CEMS系統NOx濃度變化趨勢對比圖

注:圖中分區噴氨控制系統新增NOx快速測量分析儀數據是經Testo350標定過的數據。

可以看出:(1)新增雙通道NOx快速測量分析儀響應時間較快,比傳統CEMS分析儀響應時間快40~60s;(2)雙通道NOx快速測量分析儀與CEMS測量分析儀測量結果基本一致,儀表可靠性比較高。

摘自《自動化博覽》2020年9月刊

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