科远SCR分区喷氨控制系统在宁东电厂的成功应用--控制网



科远SCR分区喷氨控制系统在宁东电厂的成功应用
企业:南京科远自动化集团股份有限公司 日期:2020-09-11
领域: 点击数:149

南京科远智慧科技集团股份有限公司自主研发的SCR分区喷氨控制系统,在宁夏京能宁东发电有限责任公司(以下简称:宁东电厂)660MW机组建设投运以来,解决了超低排放带来的喷氨不均、空预器堵塞等问题,效果显著。

直接经济效益:按液氨单价2200元/吨计,节氨量为150吨/年,节氨效益为33万元/年;按空预器阻力下降500Pa计,三大风机电耗约下降约500kW;机组年利用小时数约4000h,每年节约用电量约200万kW·h;上网电价为0.3元/kW·h,节电效益约为60万元/年。共创造直接经济效益93万元/年。

除直接经济效益外,投运SCR分区喷氨控制系统还可保持空预器换热元件清洁以降低运行排烟温度;避免过量喷氨以延长脱硝催化剂寿命;延缓甚至消除空预器堵塞问题以延长蓄热元件寿命;减少蒸汽吹灰的消耗量;节省喷氨试验调整委托费用;节省蓄热元件高压水冲洗委托费用等。

1 项目概述

宁东电厂一期为2×660MW燃煤汽轮发电空冷机组,锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈加垂直管直流炉,单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型、室内布置燃煤锅炉。

机组脱硝系统采用选择性催化还原(SCR)工艺,脱硝效率按入口NOx浓度为600mg/Nm3、脱硝效率70%设计,催化剂采用1+1层布置,初装催化剂采用板式催化剂。为满足超低排放标准,宁东电厂又增加了一层催化剂并进行了催化剂加高处理,采用两层催化剂同时运行,设计入口NOx浓度≯400mg/Nm3设计脱硝效率87.5%,出口NOx浓度≯50mg/Nm3反应器采用高尘布置工艺,即反应器布置在锅炉省煤器出口与空预器之间。每套脱硝系统设置两个反应器,每个反应器内的每层催化剂模块数为88块。SCR控制系统接入机组DCS系统。脱硝系统采用声波吹灰方式,吹灰器装在每个催化剂层的上方。两台机组脱硝系统共用一套液氨储存与供应系统。

宁东电厂#2机组于2018年5月利用大修机会,安装南京科远SCR分区喷氨控制系统,主要在脱硝装置进口喷氨格栅前、出口增加NOx/O2浓度分布巡测装置,对原脱硝装置喷氨管路进行四分区改造,并增加一套外挂控制系统,整个系统能够独立运行,对原DCS系统没有任何影响。运用此套控制系统后,效果显著。

2 技术介绍

SCR分区喷氨控制系统,单侧反应器采用“四分区/四点测量”设计。主要包括三个模块: SCR进口、出口NOx/O2浓度巡测模块(模块一)、分区喷氨管路模块(模块二)和控制模块(模块三)。其中,模块一获取SCR进、出口的NOx浓度分布和O2浓度分布,分别反映喷氨均匀性效果以及低氮燃烧效果,进而确定各分区喷氨偏差调节目标值,作为喷氨优化控制的主信号;模块二的核心是构建“喷氨总阀+分区调平阀(气动)+支管调节阀”的三级串联调节的执行模块,另除监测喷氨总量外,还实现分区喷氨流量的监测,即在分区调平阀上游增设分区氨空流量计,作为分区调平阀的实时闭环调节信号;模块三包括整个控制系统的软、硬件。此外,为保证分区喷氨改造效果,本次改造同步实施脱硝流场的优化改造。

模块一:SCR进口、出口NOx/O2浓度巡测模块

SCR进口、出口NOx/O2浓度巡测模块分别安装于每侧SCR进口、出口水平烟道与空预器进口之间,沿烟道宽度方向单侧布置4根多点取样枪,多点取样枪采用DN150的钢管制作,迎风面加装防磨角钢,背风面沿钢管轴线均匀开设6个φ20的取样孔,为保证多点取样枪内不积灰,多点取样枪竖直布置;多点取样枪实现在脱硝装置纵深方向取样,一端封闭,另一端接至烟道外部,经DN50的不锈钢取样支管汇集至取样切换装置,再进入DN150的不锈钢取样母管,取样母管接至空预器出口负压烟道,进口利用脱硝装置和空预器的压差、出口利用空预器压差实现自流(相当于建立空预器的烟道小旁路);取样切换装置用于控制各取样支管的通断,核心部件是适用于高温、粉尘环境的偏心阀体;在取样母管上装设有NOx/O2速分析仪(仪表自身响应时间不超过2s),并配套烟气预处理装置,与取样母管直接相连。

模块二:分区喷氨管路模块

分区喷氨管路模块,将原喷氨母管均匀的虚拟分割成4段分区母管,同时增设一根公径更大的喷氨母管,以减小各分区喷氨流量调节的耦合性;在每根分区母管下游连接一组原支管手动调节阀,上游增设分区支管,在分区支管上安装分区调平阀和分区氨空流量计,分区氨空流量计选用适用于在低流速、直管段短、流体介质易冷凝的环境的热式质量流量计。

模块三:控制模块

控制模块作为脱硝分区喷氨控制系统的大脑,保证SCR出口NOx/O2浓度巡测模块和分区喷氨管路模块协调工作。控制模块以分散控制系统为硬件平台搭建,作为原DCS的外挂系统,与原DCS实时通讯,从而构建完整的脱硝分区喷氨控制系统。

本工程重点实现分区喷氨的功能,分区调平阀的控制逻辑为:根据模块一分区巡测结果及内置智能算法得出分区浓度偏差,作为分区调平阀调节目标值,然后对分区调平阀开度进行调整,同时监测调整区域的氨流量变化,将氨流量变化百分比作为分区调平阀控制的反馈量,当氨流量变化百分比与NOx浓度偏差百分比一致时,确定完成分区调平工作。

需要补充说明的是,配置分区氨流量监测,有助于提高分区喷氨控制的品质,具体体现在:(1)调节某一分区的分区调平阀时,整个喷氨管路的流量分配特性改变,其他分区调平阀不动作,但分区氨流量会改变,实现分区氨流量监测后,可通过控制策略自动平衡调节分区调平阀,保证相应分区氨流量保持为目标值;(2)各分区增加或减少喷氨量后,SCR出口NOx浓度并不会立即改变,加之测量系统存在迟滞,SCR出口监测的NOx浓度分布值的总迟滞时间长达5min以上,不适合作为分区调平阀闭环调节信号,而分区氨流量测量的实时性能弥补其不足。

3 效果分析

3.1 节约喷氨量效果

从原有SIS和DCS系统历史数据库中选取改造前两个月的相关数据、改造后SCR分区喷氨控制系统投运两个月的相关数据进行对比分析,主要选取的参数有机组负荷、SCR两侧喷氨量、烟囱入口NOx度,主要参数汇总如表1所示。

表1 SCR分区喷氨改造前后相关参数对比

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注:表1中,平均脱除NOx浓度=SCR入口两侧平均NOx浓度-烟囱入口NOx浓度。

由表1可以看出:SCR分区喷氨控制系统改造前两个月内,机组平均负荷为501.5MW,平均脱除NOx浓度为284.1mg/Nm3,对应的两侧平均喷氨量为104.5kg/h;改造后系统投运两个月内,机组平均负荷为501.7MW,平均脱除NOx浓度为272.4mg/Nm3,对应的两侧平均喷氨量为92.8kg/h,改造后机组负荷一致的情况下,平均脱除NOx浓度下降约4.1%,而总喷氨量下降约11.2%,换算到平均脱除NOx浓度相同的情况下,能节约总喷氨量7.1%。

3.2 SCR分区喷氨控制系统投运前后空预器阻力状况对比分析

本系统自2018年5月份大修期间安装,2018年7月23日机组启机时同步投运分区测量系统,2018年8年月底至9月初进行热态调试,对原喷氨支管手动阀进行调整,后于2018年9月10日投运控制系统,为分析系统投运效果,特选取系统机组大修后机组运行100天的空预器阻力数据进行分析(其中分区喷氨系统投运时间约50天),如图1所示。

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图1 机组大修后投运100天空预器阻力数据趋势图

可以看出:

(1)SCR分区喷氨控制系统投运前,机组平均负荷为510MW时,两侧空预器阻力平均值为1.073kPa,且两侧空预器阻力偏差约300Pa(21侧空预器阻力高于22侧空预器阻力)。

( 2 ) SCR分区喷氨控制系统投运后,机组平均负荷为510MW时两侧空预器阻力平均值为1.019kPa,比系统投运前下降54Pa;两侧空预器阻力偏差仅为50Pa,比系统投运前下降250Pa。

3.3 SCR分区喷氨控制系统投运前后SCR出口与烟囱入口NOx浓度对比分析

为观察SCR分区喷氨控制系统投运前后SCR出口NOx浓度与烟囱入口NOx浓度状况,选取SCR出口两侧NOx浓度、烟囱入口NOx浓度变化趋势,如图2所示。可以看出:SCR分区喷氨控制系统投运后,SCR出口两侧NOx浓度及烟囱入口NOx浓度波动范围明显变小,由此也可以说明SCR分区喷氨控制系统投运后,可以使SCR出口两侧NOx浓度及烟囱入口NOx浓度控制的更为稳定。

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图2 机组大修后投运100天SCR出口两侧NOx浓度、烟囱出口NOx浓度趋势图

3.4 SCR分区喷氨控制系统投运前后SCR出口NOx浓度分布不均匀系数分析

图3为SCR分区喷氨控制系统投运前后SCR出口NOx浓度分布不均匀系数变化趋势图。可以看出:SCR分区喷氨控制系统切除后,SCR出口NOx浓度分布不均匀系数明显增加高于系统投运时的不均匀系数。同时通过图3可以断定,机组工况(如负荷等)发生变化时,SCR出口NOx浓度分布状况会发生改变,因此增加SCR分区喷氨控制系统是很有必要的。

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图3 SCR分区喷氨控制系统投运前后SCR出口NOx浓度分布不均匀系数

3.5 新增双通道NOx快速测量分析仪响应时间分析

图4为机组分区喷氨控制系统新增NOx快速测量分析仪与原SCR出口CEMS系统NOx浓度变化趋势对比图。

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图4 新增NOx快速分析仪与原CEMS系统NOx浓度变化趋势对比图

注:图中分区喷氨控制系统新增NOx快速测量分析仪数据是经Testo350标定过的数据。

可以看出:(1)新增双通道NOx快速测量分析仪响应时间较快,比传统CEMS分析仪响应时间快40~60s;(2)双通道NOx快速测量分析仪与CEMS测量分析仪测量结果基本一致,仪表可靠性比较高。

摘自《自动化博览》2020年9月刊

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