CN104474896B - 基于cfd的燃煤电站scr脱硝系统的优化调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，是针对上述存在的技术问题，从工程设计要求出发，结合CFD模型技术，把分析数据引入DCS内进行修正来提高脱硝效率，有效降低氨逃逸。（1）通过将CFD脱硝数据引入DCS中，利用数学模型更好的监视反应器内反应物混合与均流的变化。（2）在机组变工况时（例如AGC），有效地防止机组出口NOx浓度超范围，进一步提高SCR脱硝系统的整体运行效率。（3）实时性好，减少大滞后性，便于现场工程，大大提高了机组运行的安全性和经济性，且控制效果不依赖于运行人员的技术水平。
Description
技术领域：
本发明属于火力发电机组的热工控制技术领域，尤其涉及一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，具体地说是一种高效SCR脱硝氨/烟气混合控制的方法。
背景技术：
我国目前大气污染物的主要来源于煤燃烧产生的排放物。煤炭在工业领域的应用中，在给国民经济带来大发展的同时，也带来了严重的环境污染。燃煤电站燃烧产生的烟气，烟气中的NOx是人为NOx源的主要来源之一。了解燃煤电站NOx的现状，掌握其产生的机理，有效控制燃煤电站产生的NOx的排放量是落实有关科学发展观精神的具体实践，同时，也是实现国家减排任务的重要工作，进而是实现燃煤电站成为“环境空气及地面水环境”达到国家有关质量标准(双达标)的绿色企业、环保企业的有效手段。因此，对大型火电站而言，提高发电效率和降低污染排放是降低生产成本、提高竞争能力的重要措施。
选择性催化还原(SCR)法是国际上应用最多、技术最成熟的一种烟气脱硝技术。该法的优点是：使用了催化剂，故反应温度较低；净化率高，可达85％以上；工艺设备紧凑，运行可靠；还原后的氮气放空，无二次污染。
采用NH3作为还原剂，还原NOx的化学反应方程式主要为：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O
6NH3+6NO→5N2+6H2O
8NH3+6NO→7N2+12H2O
脱硝系统工艺流程中，脱硝模拟量调节系统中最为重要和核心的控制为SCR反应器氨气流量控制。目前脱硝喷氨系统控制通常采用两种方式：固定摩尔比控制方式和出口NOX定值控制方式。两者主控制回路相同，出口NOX定值控制方式是保持出口NOX恒定，仅是将摩尔比作为变量。
近些年众多研究机构从不同角度对SCR脱硝系统进行了分析研究。中国专利“烟气脱硝的喷氨量控制方法和装置”，专利申请号201210112475.0，获取脱硝效率的偏差值；计算脱硝效率的偏差值对应的第一喷氨系数；计算氨逃逸量的偏差值对应的第二喷氨系数，提高烟气脱硝所需液氨量的精确度。中国专利“SCR脱硝流场模拟系统与方法”，专利申请号201010609417.X，利用模型通过流场模拟来确定SCR脱硝反应器内部构件，为脱硝反应器内部构件及优化提供参考数据。中国专利“烟气脱硝系统中喷氨与烟气流场匹配的喷氨装置参数优化方法”，专利申请号201110209347.3，提出构建氨/氮相对浓度偏差与喷氨装置几何设计参数的函数关系，建立优化模型计算以获得最小浓度偏差时的喷氨装置几何参数，与优化技术相结合开发更加高效、可行的喷氨装置。例如《控制工程》的《面向NO_x脱除率优化的烟气脱硝CFD仿真研究》和《火电SCR脱硝系统混合与均流CFD仿真》，仿真结果展出SCR系统AIG前截面烟气速度分布云图，根据云图分布分析系统结构进行改进，改变导流板分布来要求AIG各组喷嘴的喷氨量与烟气速度分布相匹配。指出影响SCR效率的因素较多，但本质上主要为两个方面：反应器结构和反应物不均匀性。反应器结构是系统固化成型的，改善的手段通过改变混合器和导流板的变化；反应物不均匀性的效果与机组燃烧有很大的关系，主要的解决手段是通过燃烧调整来解决。
上述专利及文献均是从提高反应器结构的分布、构建实时监测与评价系统的角度开展研究，但这些研究没有为电厂运行人员提供了可靠的参考依据，无法代替运行人员在DCS中完成对脱硝效率的有效控制。当发生锅炉燃烧异常情况时，不可避免地对脱硝系统主要参数带来扰动，必要时需要人为干预。由于脱硝系统的非线性和滞后性，当人为干预时会受到时间、空间与能量上的限制，脱硝效率也会受到严重的影响，此时控制效果只能依赖于运行人员的技术水平。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其目的是解决传统方法所存在的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：该方法利用CFD模拟数据分析反应器混合物的变化，针对非线性和滞后性的影响，提高喷氨控制的效果，对组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制系统内，作为前馈信号作用在预喷氨控制回路中。
该方法步骤如下：
第一步：在DCS内增加CFD脱硝数据监视接口，对实时模拟数据进行组态处理；
第二步：将组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，对脱硝喷氨控制回路进行逻辑组态；
第三步：脱硝控制系统投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定喷氨控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果。
CFD脱硝数据利用FLUENT软件采用标准κ-ε双方程，模型对SCR反应器及连接烟道进行三维数值模拟，通过接口将模拟数值引入在DCS内监视。
实时模拟数据选用基于压力的FLUENT求解器，湍流模型选Realizablek-s模型，κ为湍动能，ε为湍动耗散率，利用DCS将模拟数据进行组态处理。
模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，作为喷氨流量的前馈信号，喷氨流量在DCS数据库中采集，直接取用。
将系统投入实际运行，根据机组控制运行曲线和喷氨控制流量曲线，反复在线整定相关参数，保证机组在稳定负荷和变动负荷时，将SCR喷氨控制在合理范围内。
CFD主要分析项目有流速、NH3浓度、角度、压力、流场，从模型数据库中读取，CFD的分析要点如表1
CFD研究最低规范标准如表2：
优点及效果：本发明提出了一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，是针对上述存在的技术问题，从工程设计要求出发，结合CFD模型技术，把分析数据引入DCS内进行修正来提高脱硝效率，有效降低氨逃逸。
本发明的具体有益效果是：
(1)通过将CFD脱硝数据引入DCS中，利用数学模型更好的监视反应器内反应物混合与均流的变化。
(2)在机组变工况时(例如AGC)，有效地防止机组出口NOx浓度超范围，进一步提高SCR脱硝系统的整体运行效率。
(3)实时性好，减少大滞后性，便于现场工程，大大提高了机组运行的安全性和经济性，且控制效果不依赖于运行人员的技术水平。
附图说明：
图1是本发明算法逻辑图；
图2是本发明的工作流程图。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明提供一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，本发明的核心思想是利用CFD模拟数据分析反应器混合物的变化，主要针对非线性和滞后性的影响，提高喷氨控制的效果。因此对组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制系统内，作为前馈信号作用在预喷氨控制回路中。
该方法步骤如下：
第一步：在DCS内增加CFD脱硝数据监视接口，对实时模拟数据进行组态处理；
第二步：将组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，对脱硝喷氨控制回路进行逻辑组态；
第三步：脱硝控制系统投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定喷氨控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果。
CFD脱硝数据利用FLUENT软件采用标准κ-ε双方程，模型对SCR反应器及连接烟道进行三维数值模拟，通过接口将模拟数值引入在DCS内监视。
实时模拟数据选用基于压力的FLUENT求解器，湍流模型选Realizablek-s模型，κ为湍动能，ε为湍动耗散率，利用DCS将模拟数据进行组态处理。
模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，作为喷氨流量的前馈信号，喷氨流量在DCS数据库中采集，直接取用。将系统投入实际运行，根据机组控制运行曲线和喷氨控制流量曲线，反复在线整定相关参数，保证机组在稳定负荷和变动负荷时，将SCR喷氨控制在合理范围内。
本发明中CFD主要分析项目有流速、NH3浓度、角度、压力、流场等.如表1中的分析要点。表1中，如ν1，ν2，...，νn等，从模型数据库中读取。CFD研究的标准如表2所示。喷氨流量等参数DCS实时数据库中有采集，可直接取用。图1中，f1(x)为非线性函数发生器，其输入为对应的CFD模拟数据组态处理后的参数，输出为喷氨流量信号作用在前馈中；f2(x)非线性函数发生器，其输入为对应的CFD模拟数据组态处理后的综合补偿信号，输出为喷氨流量补偿需求信号。f1(x)与f2(x)的参数可根据实时曲线在线整定，整定的原则是通过现有DCS脱硝控制系统，自动兼顾超临界燃煤机组主要参数与出口NOx的控制。
表1CFD的分析要点
表2CFD研究最低规范标准
下面以某1000MW超超临界燃煤机组为例，介绍设计数据及主要设备内容，如表3所示。表3设计数据表及主要设备
机组概况：该1000MW超超临界机组锅炉由东方锅炉股份有限公司、BHK、BHDB制造，汽轮机由东方汽轮机厂、日立制造，发电机由东方电机股份有限公司、日立制造。该机组锅炉为高效超超临界参数变压直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构П型锅炉。制粉系统采用正压直吹式，配有6台磨煤机；设有两台50％容量的动叶可调轴流式一次风机提供一次热、冷风输送煤粉；采用两台静叶可调引风机和两台动叶可调送风机提供二次风量。控制系统采用的是西门子技术，喷氨控制系统采用以出口NOX定值控制方式，在此基础上把模拟数据以非线性函数发生器方式引入控制回路中。表4～7为脱硝系统相关数据参数，这些数据作为模拟数据组态的依据。
表4脱硝入口浓度分布
表5脱硝入口流场分布
表6根据流场分布试验，得出脱硝入口的烟气量
表7脱硝出口氮氧化物浓度分布
f1(x)对应的CFD模拟数据组态处理后的前馈信号；f2(x)对应的CFD模拟数据组态处理后的综合补偿信号；喷氨流量信号可直接从DCS实时数据库中读取；完成CFD模拟数据逻辑组态，并将其输出引入到喷氨控制回路接口中作为氨需求的前馈信号后，将系统投入实际运行，根据机组控制运行曲线和喷氨流量控制曲线，反复在线整定f1(x)、f2(x)相应参数，保证机组主要参数响应快速稳定的同时，自动将出口NOx控制在合理范围。达到实时性好，减少大滞后性，进一步提高SCR脱硝系统的整体运行效率。有效降低了运行人员的劳动强度；现场调试过程简单，便于工程实现，大大提高了机组运行的安全性和经济性。表8为机组脱硝启动试运行期间脱硝运行指标。
表8机组脱硝启动试运行期间脱硝运行指标
Claims (6)
1.一种基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：该方法利用CFD模拟数据分析反应器混合物的变化，针对非线性和滞后性的影响，提高喷氨控制的效果，对组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制系统内，作为前馈信号作用在预喷氨控制回路中；
该方法步骤如下：
第一步：在DCS内增加CFD脱硝数据监视接口，对实时模拟数据进行组态处理；
第二步：将组态处理后的模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，对脱硝喷氨控制回路进行逻辑组态；
第三步：脱硝控制系统投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定喷氨控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果。
2.根据权利要求1所述的基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：CFD脱硝数据利用FLUENT软件采用标准κ-ε双方程，模型对SCR反应器及连接烟道进行三维数值模拟，通过接口将模拟数值引入在DCS内监视。
3.根据权利要求1所述的基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：实时模拟数据选用基于压力的FLUENT求解器，湍流模型选Realizablek-s模型，κ为湍动能，ε为湍动耗散率，利用DCS将模拟数据进行组态处理。
4.根据权利要求2所述的基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：模拟数据引入脱硝喷氨控制回路内，作为喷氨流量的前馈信号，喷氨流量在DCS数据库中采集，直接取用。
5.根据权利要求3所述的基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：将系统投入实际运行，根据机组控制运行曲线和喷氨控制流量曲线，反复在线整定相关参数，保证机组在稳定负荷和变动负荷时，将SCR喷氨控制在合理范围内。
6.据权利要求1所述的基于CFD的燃煤电站SCR脱硝系统的优化调整方法，其特征在于：CFD主要分析项目有流速、NH3浓度、角度、压力、流场，从模型数据库中读取，CFD的分析要点如表1
CFD研究最低规范标准如表2：
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |