基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨格柵調(diào)整方法研究

陳 臻，陳 彪，鄒正偉，童小忠

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121）

0 引言

中國一次能源資源稟賦決定了中國將在較長時(shí)間內(nèi)保持以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)。燃煤發(fā)電廠為社會(huì)生產(chǎn)、生活輸出了絕大部分電力，同時(shí)也向大氣排放煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物。近年來，大氣環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，嚴(yán)重的區(qū)域性霧霾天氣頻發(fā)。為保護(hù)大氣環(huán)境，國家出臺(tái)了GB 13223—2011《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》和《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》等一系列法律法規(guī)，要求對(duì)燃煤發(fā)電廠排放的污染物開展深度控制[1]。NOX（氮氧化物）是燃煤火電排放的主要污染物之一，開展NOX深度控制和減排，對(duì)于改善發(fā)電廠周邊大氣環(huán)境質(zhì)量有重要作用。

燃煤火電企業(yè)通常采用低氮燃燒技術(shù)并結(jié)合煙氣脫硝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)NOX深度控制。燃煤發(fā)電廠主流的脫硝工藝包括SCR（選擇性催化還原）法和SNCR（選擇性非催化還原）法，兩者的原理都是利用還原劑，將煙氣中NOX還原為氮?dú)?。比較而言，SCR 技術(shù)成熟度好、脫硝效率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在各大發(fā)電廠中應(yīng)用較廣。然而在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，SCR 系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)存在一些問題，如SCR 出口與煙囪在線監(jiān)測值相差較大、SCR 進(jìn)口兩側(cè)濃度值相差較大、局部氨逃逸過大等，上述問題根源在于脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨還原劑分配不均，即反應(yīng)器內(nèi)部分區(qū)域供氨量與其NOX濃度不匹配[2]。

常見的SCR 脫硝控制系統(tǒng)包括兩種：其一是根據(jù)測試的SCR 反應(yīng)器入口煙氣量、NOX濃度，采用固定的氨氮摩爾比確定氨氣流量；其二是根據(jù)SCR 入口和出口的NOX濃度確定所需的氨氣流量[3]。以上兩種方式都需要準(zhǔn)確測量入口的速度場和NOX濃度場。燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，通常會(huì)借助CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）流場模擬和物理模型試驗(yàn)對(duì)煙道流場進(jìn)行優(yōu)化，以保證SCR入口截面的煙氣流速和NOX分布均勻[4-5]。但是在實(shí)際安裝和運(yùn)行過程中，多種因素會(huì)導(dǎo)致煙氣流速和NOX分布性不佳，如：調(diào)試階段對(duì)噴氨格柵的優(yōu)化調(diào)整不夠重視，未能實(shí)現(xiàn)良好的流場優(yōu)化及噴氨量和煙氣中NOX質(zhì)量流量的良好對(duì)應(yīng)；高塵環(huán)境下，導(dǎo)流板磨損導(dǎo)致流場均勻性變化；機(jī)組負(fù)荷變化、磨煤機(jī)組合切換、SOFA（分離燃盡風(fēng)）風(fēng)量調(diào)整等運(yùn)行工況變化導(dǎo)致SCR 進(jìn)口流場改變等[6]。若在上述情況下，噴氨模式不發(fā)生對(duì)應(yīng)性改變，則會(huì)導(dǎo)致部分工況實(shí)際運(yùn)行過程中SCR 出口截面NOX分布偏差較大，局部氨逃逸超過設(shè)計(jì)保證值，影響脫硝系統(tǒng)整體效果，且增加下游設(shè)備空氣預(yù)熱器的硫酸氫銨腐蝕和堵塞風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[7]?；诖耍瑢?duì)SCR 脫硝系統(tǒng)進(jìn)行定期性的噴氨優(yōu)化調(diào)整十分必要。

1 基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨格柵調(diào)整方法

1.1 原理分析

傳統(tǒng)的噴氨格柵調(diào)整工作流程見圖1。其基本過程如下：

（1）依據(jù)SCR 噴氨格柵布置圖和采樣格柵布置圖，獲得各噴氨支管與SCR 分區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）記錄各噴氨格柵當(dāng)前閥門開度（或噴氨量），測試脫硝入口流場分布及NOX濃度分布，測試脫硝出口NOX濃度場分布。

（3）依據(jù)格柵與SCR 分區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)脫硝出口NOX濃度場分布，計(jì)算變異系數(shù)Cv 和各噴氨格柵點(diǎn)的供氨比例，調(diào)整噴氨格柵閥門開度并記錄，穩(wěn)定0.5 h 以上，測試脫硝出口NOX濃度場分布。

（4）重復(fù)步驟（2）和（3），直至脫硝效率及氨逃逸率均滿足要求，SCR 單側(cè)出口NOX變異系數(shù)小于規(guī)定值（一般為30%）。

圖1 傳統(tǒng)噴氨格柵調(diào)整工作流程

變異系數(shù)Cv 值反應(yīng)了SCR 脫硝內(nèi)部流場各個(gè)測試點(diǎn)與截面平均值之間相互接近的程度，Cv值越小，說明測點(diǎn)的測定值越接近，即流場越均勻。其計(jì)算模型為：

式中：n 為測點(diǎn)個(gè)數(shù)；xi為各測點(diǎn)的實(shí)測值；為所有測點(diǎn)的平均值；SD 為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

傳統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整過程中，SCR 脫硝出口NOX濃度的Cv≤30%時(shí)，一般認(rèn)為濃度基本分布均勻。針對(duì)單一工況，通過調(diào)整，一般可實(shí)現(xiàn)變異系數(shù)小于20%。但當(dāng)負(fù)荷、磨煤機(jī)組合等工況發(fā)生變動(dòng)時(shí)，一種噴氨策略則不能滿足要求。噴氨分區(qū)是提升多工況脫硝噴氨系統(tǒng)工作性能的有效手段[8]，其方法是將煙道截面劃分成等面積的不同小區(qū)域，各區(qū)域進(jìn)出口加裝NOX測試儀表，同時(shí)對(duì)各區(qū)域內(nèi)的噴氨支管閥門進(jìn)行自動(dòng)化改造。運(yùn)行中，每個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行NOX濃度測試和噴氨，實(shí)現(xiàn)整個(gè)煙道斷面NOX和噴氨量的匹配。由于新增大量儀表和閥門，應(yīng)用這種方法的投資成本高、維護(hù)工作量大，部分發(fā)電廠可能沒有資金或條件實(shí)施改造。尋找合適的方法，在不大幅增加投入及維護(hù)工作量的前提下，實(shí)現(xiàn)變動(dòng)負(fù)荷、工況下的脫硝系統(tǒng)有效控制，具有重要意義。

1.2 工作流程

在鍋爐燃燒領(lǐng)域，軟測量技術(shù)被廣泛使用。軟測量技術(shù)原理是間接測量的思路，利用一些易于實(shí)施測量的與被測變量密切相關(guān)的二次變量，通過在線分析來估計(jì)不可測或難測量變量[9-10]。研究顯示，機(jī)組負(fù)荷、磨煤機(jī)組合與脫硝系統(tǒng)NOX的濃度場及流場顯著相關(guān)[11]。低負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)，為確保爐膛穩(wěn)定燃燒，往往采用配備了等離子點(diǎn)火設(shè)備的下層磨煤機(jī)；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升，原有模式的下層磨煤機(jī)組合無法滿足給煤量的高需，故需要投入上層磨煤機(jī)，引起爐膛火焰中心明顯上移，燃燒器中OFA（燃盡風(fēng)）和SOFA 風(fēng)量調(diào)整，從而引發(fā)脫硝進(jìn)口煙氣流場、脫硝出口NOX濃度場發(fā)生相應(yīng)改變。結(jié)合典型負(fù)荷、磨煤機(jī)組合數(shù)據(jù)，可對(duì)SCR 進(jìn)口的流場、NOX濃度場等進(jìn)行“軟測量”。根據(jù)不同負(fù)荷、磨煤機(jī)組合出現(xiàn)的幾率，可加權(quán)計(jì)算一種適合多種工況的最優(yōu)化的噴氨控制策略。圖2 顯示了基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨格柵調(diào)整工作流程。

（1）統(tǒng)計(jì)各負(fù)荷段常用磨煤機(jī)組合，并計(jì)算各負(fù)荷出現(xiàn)的概率。

（2）測試典型負(fù)荷、磨煤機(jī)組合下的SCR 進(jìn)口的流場及NOX濃度場。

（3）計(jì)算加權(quán)了磨煤機(jī)組合概率的脫硝出口NOX濃度分布和調(diào)整預(yù)期值，調(diào)整預(yù)期值即加權(quán)磨煤機(jī)組合下各測點(diǎn)濃度的平均值。

（4）結(jié)合SCR 進(jìn)口流場、各噴氨支管流量來調(diào)整SCR 出口濃度趨近預(yù)期值。

（5）調(diào)整完畢后，測試典型磨煤機(jī)組合下SCR出口NOX濃度場，計(jì)算變異系數(shù)，與調(diào)整前作對(duì)比。若變異系數(shù)大于規(guī)定值，則反復(fù)調(diào)整支管開度，在確保脫硝效率達(dá)標(biāo)和單側(cè)氨逃逸不超標(biāo)的情況下，減小變異系數(shù)。通過上述過程，可實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷的噴氨系統(tǒng)優(yōu)化。

圖2 基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨控制技術(shù)工作流程

2 基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨格柵調(diào)整方法試驗(yàn)研究

2.1 典型負(fù)荷、磨煤機(jī)組合運(yùn)行工況統(tǒng)計(jì)

某發(fā)電廠一期1 000 MW 機(jī)組的1 號(hào)鍋爐為東方鍋爐廠提供的超超臨界變壓運(yùn)行本生直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒方式的Ⅱ型鍋爐，共布置A-F6 臺(tái)3 層磨煤，其中AD 為下層、BE 為中層、CF 為上層。脫硝系統(tǒng)采用SCR 脫硝工藝，催化劑共3 層，層數(shù)按“2+1”模式布置，備用層在下層。脫硝控制系統(tǒng)采用出口濃度控制模式，在BMCR（鍋爐最大出力）工況下，按脫硝裝置進(jìn)口NOX排放濃度350 mg/m3（已換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，以下同）計(jì)算，確保脫硝效率不小于86%，脫硝出口NOX濃度不高于50 mg/m3。

統(tǒng)計(jì)該發(fā)電廠運(yùn)行期間連續(xù)6 個(gè)月的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)（有效負(fù)荷、各臺(tái)磨煤機(jī)啟停情況），從中選出其中最典型的磨煤機(jī)組合，計(jì)算出各種搭配所占的運(yùn)行時(shí)間比。如表1 所示，試驗(yàn)所在燃煤電廠以中低負(fù)荷運(yùn)行為主，最常用的4 種負(fù)荷磨煤機(jī)組合方式為：50%～60%BMCR 4 磨ABDE，70%～80% BMCR 4 磨ABDE，95%～100% BMCR 5 磨ABCDE，95%～100% BMCR 5 磨ABDEF，其運(yùn)行時(shí)間占比大致為1∶4∶1∶1。

2.2 各組合下的NOX濃度場摸底

該機(jī)組煙氣脫硝裝置布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間，單側(cè)SCR 脫硝反應(yīng)器出口煙道截面尺寸為16.6 m×6.4 m，水平方向布置了16 個(gè)測孔，選擇了其中等間隔的8 個(gè)測孔。采樣布點(diǎn)規(guī)則參照GB 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》中的網(wǎng)格布點(diǎn)法。每個(gè)測孔在豎直方向上平均分布了3 個(gè)深度的測點(diǎn)，大致將采樣斷面分為深（5.4 m）、中（3.2 m）、淺（1.1 m）3 個(gè)深度。采樣儀器采用Testo350 煙氣分析儀，其測量范圍和精度為NO（0～400 mg/m3，±5%），O2（0%～25%，±0.2%）。測試過程中，當(dāng)儀器完成校準(zhǔn)及讀數(shù)穩(wěn)定、取樣槍布置到位后，每隔30 s記錄一次當(dāng)前測孔某一深度測點(diǎn)的濃度，依次記錄3 次，取其平均值作為該測點(diǎn)的濃度實(shí)測值，后續(xù)折算至標(biāo)準(zhǔn)工況干煙氣6%氧量下的NOX排放數(shù)值。

噴氨格柵調(diào)整前，保持各噴氨支管開度一致，測試50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE 運(yùn)行工況下，脫硝SCR 出口NOX濃度場。如表1 所示，出口斷面NOX濃度平均值為42.13 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差10.93 mg/m3，變異系數(shù)Cv 值25.95%，小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的30%，NOX濃度場呈現(xiàn)爐膛中間高，煙道側(cè)低的趨勢，兩側(cè)濃度差值最大可達(dá)35 mg/m3左右。

表1 調(diào)整前50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE 工況脫硝出口NOX 濃度分布

表2 顯示調(diào)整前95%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE 工況脫硝出口NOX的濃度分布。出口斷面NOX濃度平均值為40.18 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差20.32 mg/m3，變異系數(shù)Cv 值50.55%。NOX濃度場分布趨勢與50%～60%BMCR 4 磨ABDE 運(yùn)行工況大致相同，但兩側(cè)濃度差值最大達(dá)60 mg/m3左右，均勻性較差，煙道側(cè)濃度過低，可以判斷局部氨逃逸指標(biāo)可能超標(biāo)。其余2 種工況70%～80%BMCR 4 磨ABDE，95%～100%BMCR 5 磨ABDEF煙氣組分分布趨勢也大致相同，不做贅述。

表2 調(diào)整前95%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE 工況脫硝出口NOX 濃度分布

圖3、圖4 顯示摸底試驗(yàn)不同負(fù)荷、磨煤機(jī)組合工況下，SCR 出口NOX濃度場分布情況?？梢姴煌r下，在不改變各支管噴氨比例條件時(shí)，脫硝出口斷面NOX濃度差有差異，但趨勢總體相同。部分工況（50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE）滿足Cv 值控制目標(biāo)，其余工況不滿足。若只以均勻性最差的95%～100% BMCR 5 磨ABCDE 工況作為基準(zhǔn)，調(diào)整噴氨格柵并達(dá)到該工況下最優(yōu)化，可能導(dǎo)致其他變化工況下的Cv 值進(jìn)一步拉大，不是全局的最佳策略。因此需要建立一種策略，以不同工況的運(yùn)行時(shí)間比重為依據(jù)，對(duì)脫硝出口濃度場測試數(shù)值進(jìn)行加權(quán)處理，理論上可以使調(diào)整后各工況都滿足Cv 控制目標(biāo)。

圖3 調(diào)整前脫硝出口濃度場等值線（50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE）

圖4 調(diào)整前脫硝出口濃度場等值線（95%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE）

2.3 計(jì)算調(diào)整預(yù)期值

根據(jù)摸底情況，加權(quán)計(jì)算了NOX調(diào)整預(yù)期值。令加權(quán)后1 號(hào)孔深測點(diǎn)NOX濃度為c（A1），1號(hào)孔中測點(diǎn)NOX濃度為c（A2），以此類推可以得到c（A1）—c（A24）。c（A1）計(jì)算方法為：

式中：A（1），A（2），A（3），A（4）分別為試驗(yàn)4 種工況下1 號(hào)孔深測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NOX濃度，同理可計(jì)算得到c（A1）—c（A24）。

式中：n 為加權(quán)后數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)，根據(jù)所選測孔數(shù)和深度，此處n=24。

結(jié)合SCR 進(jìn)口流場、各噴氨支管流量、噴氨支管排布圖紙等對(duì)加權(quán)組合方式NOX濃度場進(jìn)行調(diào)整，使其趨近預(yù)期值。

2.4 驗(yàn)證結(jié)果

在噴氨格柵調(diào)整結(jié)束后，對(duì)4 個(gè)組合下NOX濃度場進(jìn)行驗(yàn)證測試。表3 顯示調(diào)整后50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE 工況脫硝出口NOX濃度分布。斷面NOX濃度平均值為40.19 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差6.65 mg/m3，變異系數(shù)Cv 值16.55%，小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的30%。調(diào)整后NOX濃度分布較為均勻，兩側(cè)濃度差值最大20 mg/m3左右，爐膛中間高煙道側(cè)低的現(xiàn)象得到消除，調(diào)整效果良好。

表3 調(diào)整后50%～60%負(fù)荷、四磨ABDE 工況脫硝出口NOX 濃度分布

表4 為調(diào)整后90%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE工況脫硝出口NOX濃度分布。斷面NOX濃度平均值為37.45 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差11.11 mg/m3，變異系數(shù)Cv 值29.66%，小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的30%。調(diào)整后爐膛靠近中間側(cè)局部區(qū)域NOX濃度超過超低排放標(biāo)準(zhǔn)（50 mg/m3），濃度分布趨勢沒有大幅改變，但均勻性已經(jīng)得到較大改善，兩側(cè)濃度差值由最大55 mg/m3左右下降至30 mg/m3左右。

表4 調(diào)整后90%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE 工況脫硝出口NOX 濃度分布

圖5、圖6 顯示調(diào)整后不同負(fù)荷、磨煤機(jī)組合工況下，SCR 出口NOX濃度場分布情況。經(jīng)過調(diào)整試驗(yàn)，部分工況下NOX濃度場依然存在局部區(qū)域偏差較大的現(xiàn)象。盡管以犧牲其他工況均勻性來繼續(xù)進(jìn)行單一工況的噴氨格柵調(diào)整試驗(yàn)，降低該工況下的Cv 值，但不符合噴氨調(diào)整的全局最優(yōu)策略。與調(diào)整前相比，4 種工況下變異系數(shù)相應(yīng)減小且都小于規(guī)定值30%，濃度場均勻性皆得到了不同程度的改善，達(dá)到了預(yù)期的調(diào)整效果。

圖5 調(diào)整后脫硝出口濃度場等值線（50%～60%負(fù)荷、4 磨ABDE）

圖6 調(diào)整后脫硝出口濃度場等值線（95%～100%負(fù)荷、5 磨ABCDE）

3 結(jié)語

本文研究了基于加權(quán)磨煤機(jī)組合工況下的噴氨格柵調(diào)整方法，并在某燃煤機(jī)組上進(jìn)行了工程試驗(yàn)，并取得了較好的效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)噴氨格柵調(diào)法，選擇加權(quán)磨煤機(jī)組合工況的噴氨策略，可在不增加測試儀表、不對(duì)噴氨手動(dòng)閥進(jìn)行改造的前提下，使脫硝系統(tǒng)濃度場同時(shí)在多個(gè)磨煤機(jī)組合、機(jī)組負(fù)荷下達(dá)到均勻分布的程度且Cv 值均小于30%，實(shí)現(xiàn)噴氨量與煙氣中NOX的良好對(duì)應(yīng)。

對(duì)于沒有條件或資金實(shí)施噴氨分區(qū)改造的機(jī)組，在滿足國家環(huán)保要求的情況下，不應(yīng)追求單個(gè)負(fù)荷、工況下過高的脫硝效率，應(yīng)從全局考慮，建立適應(yīng)大多數(shù)工況的全局最優(yōu)化噴氨策略，以降低脫硝成本和控制氨逃逸量，提高脫硝工藝的適應(yīng)性。