CN105126616B - 一种基于权重阀调控的scr脱硝系统喷氨优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，该方法共分为烟气流场特性测量、烟气流场分区域流动特性解析、喷氨权重阀确定及喷氨阀门开度针对性调整四个步骤。该方法首先测量定负荷条件下SCR脱硝系统喷氨格栅前烟道横向截面处的烟气流场特性；然后结合喷氨格栅的喷嘴分布情况，解析与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场区域流动连续分布特性；根据各负荷条件下的烟气流场分区域流动特性，获得喷氨阀门的权重；最后依据阀的权重差异对各阀门开度进行调整，同时借助烟气分析仪在SCR脱硝系统出口截面进行NOx出口浓度测量，及时反馈喷氨阀门开度调整效果。本发明可保证良好的氨氮混合当量比，有效提高脱硝效率，减少氨逃逸及降低氨用量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，属于燃煤锅炉大气污染物控制技术领域。
背景技术
大气污染物氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一，它是导致酸雨、光化学烟雾、雾霾、臭氧层空洞等环境问题的重要原因，近年以来，国家对各行业NOx排放量的调控力度不断加强。选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术以技术成熟高、脱硝率高、可靠性好以及二次污染小等优势，已经成为国内外燃煤锅炉最广泛应用的烟气脱硝技术。SCR烟气脱硝反应的脱硝效率直接取决于烟气中NH3与NOx的混合匹配度(达到合理当量比)，即氨氮混合匹配度高则反应完全，否则将造成脱硝效率低或是NH3的过剩而形成氨逃逸，这对SCR脱硝系统甚至整个锅炉系统都是不利的。
为有效降低首层催化剂入口处氨氮混合当量比的不均匀性，可开发高效的喷氨装置。喷氨格栅(AIG)是广泛应用的喷氨装置之一，大致可分为三种类型：涡流静态混合式喷氨格栅、线性控制式喷氨隔栅和分区控制式喷氨隔栅。其中，涡流静态混合式喷氨格栅技术喷氨嘴个数与静态混合器的片数一致，且喷嘴直径较大，数量较少，在还原剂氨喷入的初始阶段，与烟气的混合效果极差，氨氮混合当量比极其不均匀；线性控制式喷氨隔栅技术在其烟道处布置若干根喷管，而每根喷管上又设置了若干喷嘴，且各喷管的流量是能够分开调节的；分区控制式喷氨隔栅技术则是将烟道截面分为若干个大小相同的区域，分区的数量根据烟道尺寸和脱硝效率而定，多分为20～30个，每个区域内又设置有若干喷氨喷嘴，各个分区内喷嘴的流速和角度单独可调。后两种AIG技术在还原剂氨喷入的初始阶段，氨氮混合相对比较均匀。
除开发高效的喷氨装置外，采用科学合理的喷氨控制方法对于降低氨氮混合当量比的不均匀性也尤为关键。当前国内主流的喷氨控制方法中，喷氨量大多采用总烟气量乘以SCR脱硝系统入口NOx浓度再乘以氨氮摩尔比的计算方法得到，并均匀分配给各喷氨支管。然而由于受SCR脱硝系统入口烟气流动特性的不均匀性、锅炉负荷波动等其他原因的综合影响，各喷氨喷嘴所对应区域的NOx流通量是不均匀的，显然各喷氨支管均匀分配喷氨量的方法是不合理的。同时，SCR脱硝系统长期运行一段时间后其内部流场特性及其随负荷的波动特性均会有所变动，因此有必要定期测试烟道内的流场特性，及时调整各喷氨口阀门开度，以最大限度地保证SCR反应器内持续良好的氨氮混合当量比。
综上所示，在不改变现有燃煤锅炉SCR脱硝系统喷氨装置结构的前提下，可通过采取科学合理的喷氨控制方法来保证良好的氨氮混合当量比。因此，本发明在总结现有SCR脱硝系统喷氨控制方法的基础上，提出了一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，该方法能够保证系统烟道内良好的氨氮混合当量比，进而有效提高脱硝效率，减少氨逃逸及氨用量，降低下游空预器受损几率及电厂SCR脱硝系统运行成本。
发明内容
技术问题：为解决当前SCR脱硝系统喷氨控制技术存在的不足，本发明公开了一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，实现了基于锅炉负荷波动的各喷氨口控制烟道流域流场分布特性与所需喷氨量的精确匹配，可有效解决当前均匀喷氨所导致的氨氮当量混合均匀性较差、喷氨量偏高、氨逃逸超标、脱硝效率较低等问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明所公开的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法共分为烟气流场特性测量、烟气流场分区域流动特性解析、喷氨权重阀确定及喷氨阀门开度调整四个步骤。
所述方法的具体步骤为：
1)烟气流场特性测量：利用测量设备测量定负荷工况下SCR脱硝系统喷氨格栅前烟道横向截面内离散测点处的烟气流场特性；
2)烟气流场分区域流动特性解析：利用函数内插方法，结合喷氨格栅的喷嘴分布情况，解析获得与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场区域连续分布特性；
3)喷氨权重阀确定：根据预先设定的喷氨阀门权重确定方法，综合各负荷条件下的烟气流场分区域流动特性，获得各喷氨阀门的综合权重；
4)喷氨阀门开度调整：依据喷氨权重阀的权重差异对各阀门开度进行调整，同时在SCR脱硝系统出口截面进行NOx出口浓度测量，及时反馈喷氨阀门开度调整效果。
该方法适用于SCR脱硝系统首次运行时喷氨阀门的开度确定或后期运行期间喷氨阀门开度的优化调整。所述喷氨阀门指SCR脱硝系统喷氨格栅前端具体控制各模块喷氨量的各喷氨支管阀门。
所述烟气流场特性测量需在不同定负荷条件下进行，所布离散测点间距应小于1米，每个离散测点测量单次测量时间不少于5s，重复测量次数不少于3次。
所述烟气流场分区域流动特性解析，解析烟气流场分区域分布特性云图时，定义烟道壁面烟气速度为0，基于Matlab软件利用A截面内离散测点上的流场数据获得该截面内的烟气流场分区域连续分布特性，并求得分区域及整个截面内的烟气速度数值。
所述预先设定的喷氨阀门权重的确定方法具体如下：
其中：vsingle指单个阀门所控制烟道区域内的速度均值；
vmean指整个A截面的烟气速度均值；
若某喷氨阀门权重为负，则表示该喷氨阀门开度应小于平均开度水平，反之，则表示该喷氨阀门开度应大于平均开度水平，阀门权重绝对值的大小代表了阀门调节幅度的大小。
所述依据喷氨权重阀的权重差异对各阀门开度进行针对性调整，应事先根据最大权重阀与最小权重阀的权重差异及原开度差异获得单位开度对应的权重差异，随后需将最大权重阀的开度定义为最大开度，最后根据各阀门与最大权重阀的权重差异获得各阀门的应有开度；对于首次运行的SCR脱硝系统，最大权重阀与最小权重阀的原开度差异定义为1个单位。
所述在SCR脱硝系统出口截面进行NOx出口浓度测量，需保证调节喷氨口所处位置与SCR脱硝系统出口位置的空间对应性，并以集控室实时NOx出口浓度显示值为重要阀门开度调节反馈量。
有益效果：与现有的SCR脱硝系统喷氨控制方法相比，本发明具有的优点：
1)现有SCR脱硝系统的喷氨控制方法大多采用各喷氨支管均匀分配喷氨量的方法，由于受SCR脱硝系统入口烟气流动特性的不均匀性、锅炉负荷波动等其他原因的综合影响，此类方法可能导致系统内某局部喷氨区实际喷氨量过高，导致氨逃逸，也可能导致某局部喷氨区实际喷氨量偏低，导致脱硝效率不达标，即烟道内氨烟混合均匀性较差。本发明所公布的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，综合考虑了喷氨格栅前烟道横向截面内烟气流场特性及其随负荷的波动特性，解析获得了与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场分区域分布特性云图，进而按照设定的阀门权重确定方法得到对应喷氨阀门的权重，从而实现了喷氨阀门开度的针对性调整，该喷氨控制方法最终实现了基于锅炉负荷波动的各喷氨口控制烟道流域流场分布特性与所需喷氨量的精确匹配，可有效解决当前均匀喷氨所导致的氨烟混合均匀性较差、喷氨量偏高、氨逃逸超标、脱硝效率较低等问题。
2)SCR脱硝系统各喷氨支管阀门多采用手动阀门，当前采用非均匀喷氨的SCR脱硝系统各喷氨支管手动阀门自始至终处于其初始开度卡位，然而SCR脱硝系统长期运行一段时间后其内部流场特性及其随负荷的波动特性均会有所变动。本发明所公布的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，可应用于此类SCR脱硝系统喷氨控制的定期维护。通过定期开展SCR系统内烟气流场特性测量、烟气流场分区域流动特性解析等技术工作，获取最新的基于锅炉负荷波动的各喷氨口控制烟道流域流场分布特性与所需喷氨量的精确匹配规律，从而最大限度地保证SCR反应器内持续良好的氨氮混合当量比，有效提高脱硝效率，减少氨逃逸及氨用量，降低下游空预器受损几率及电厂SCR脱硝系统运行成本。
附图说明
图1为本发明实施案例的SCR脱硝系统整体结构示意图，
其中包括：SCR脱硝系统入口1、连接烟道2、前端导流板组3、喷氨格栅前烟道截面4、分区控制式喷氨隔栅5、AIG混合管6、后端导流板组7、反应器顶棚8、整流格栅9、催化剂层10、SCR反应器出口截面11、SCR脱硝系统出口12。
图2为本发明实施案例的SCR脱硝系统分区控制式喷氨隔栅结构示意图。
图3为本发明实施案例的600MW定负荷工况下SCR脱硝系统A截面与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场区域连续分布特性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，本实施案例在以本技术方案为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述的实施案例。
本实施案例针对某电厂660MW超超临界燃煤发电机组进行SCR脱硝系统喷氨优化控制，其整体结构示意图如附图1所示。该喷氨系统共由1个总阀、2个自动调节阀(分别控制A、B侧喷氨量)、48个手动蝶阀(单侧各24个)等部件协同控制喷氨量。下面以该SCR脱硝系统B侧喷氨优化控制为例进行叙述，具体实施步骤如下：
1)烟气流场特性测量
利用测量设备，得到600MW定负荷工况下SCR脱硝系统A截面内离散测点处的烟气流场特性。SCR脱硝系统烟道A截面内所布离散测点横向间距依次为60mm、60mm、60mm、50mm(合计4个离散测点)，锅炉深度方向所布离散测点间距均为880mm，其中两侧近壁面处间距为450mm(合计16个离散测点)，因此理论上共可获得4×16个离散测点上的流场特性数据，但由于现场空间条件限制，11#测试孔的测试工作不能正常开展，因此实际共可获得60个离散测点上的流场特性数据。本实施案例中每个离散测点均重复测量3次数据，并取3次测量数据的平均值作为喷氨优化控制具体实施的输入数据，且单次测量时间均大于5s。
表1：600MW定负荷工况下SCR脱硝系统A截面流场分布特性(单位：m/s)
基于上述方法所得600MW定负荷工况下该机组SCR脱硝系统A截面的流场分布特性(如表1所示)。同时值得说明的是，本实施案例中仅对600MW定负荷工况下的喷氨优化控制方法进行了阐述，具体实施时应尽量多选取定负荷工况，以获取流场分布特性与喷氨量的最佳匹配规律。
2)烟气流场分区域流动特性解析
基于Matlab软件的4格点样条函数内插方法，进行Matlab编程，通过所布离散测点上的流场特性数据解析获得整个A截面内烟气流场连续分布特性，其中对于因现场空间条件限制导致测点数据缺失的情况，可间接通过相邻测试点的流场特性数据基于差值方法获得，烟道壁面处的烟气速度默认为0。
同时结合喷氨格栅的喷嘴分布情况(如附图2所示)，解析获得该负荷条件下与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场区域连续分布特性云图(如附图3所示)，并得到整个A截面内各分区域内的烟气具体流速(如表2所示)。
表2：600MW定负荷工况下SCR脱硝系统A截面各分区域内烟气流速(单位：m/s)
3)喷氨权重阀确定
根据预先设定的喷氨阀门权重确定方法，即＝(vsingle-vmean)/vmean，确定600MW定负荷工况下与烟气流场分区域分布特性相匹配的各喷氨支管阀门权重(如表3所示)。
表3：600MW定负荷工况下SCR脱硝系统各喷氨支管阀门权重
本实施案例中仅对600MW定负荷工况下的喷氨优化控制方法进行了阐述，而具体实施时应尽量多选取定负荷工况，并按照加权平均的方法(暂取各定负荷工况权重相同)获得基于多定负荷工况的各喷氨支管阀门综合权重，所获喷氨阀门综合权重是进行阀门开度针对性调整的重要依据。显然在本实施案例中，所获各喷氨支管阀门综合权重即为600MW定负荷工况下的各喷氨支管的阀门权重(如表4所示)。
表4：综合负荷下SCR脱硝系统各喷氨支管阀门综合权重
4)喷氨阀门开度针对性调整
因本实施案例是对该660MW超超临界燃煤发电机组进行SCR脱硝系统喷氨优化控制，故选择在各喷氨支管阀门原有阀门开度的基础上进行喷氨优化控制调节。该喷氨系统所用喷氨手动蝶阀共有10个卡位，可实现阀门开度间隔为10％的精确流量控制，为方便阀门调整，将手动蝶阀的开度状况按照表5中的规则进行定义，即阀门开度代码越小，手动蝶阀的实际开度越大。在此定义规则的指导下，机组SCR脱硝系统手动蝶阀的原有开度情况如表6所示。
表5：喷氨手动蝶阀开度代码定义规则
| 阀门开度代码 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 手动蝶阀实际开度 | 100％ | 90％ | 80％ | 70％ | 60％ |
| 阀门开度代码 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 手动蝶阀实际开度 | 50％ | 40％ | 30％ | 20％ | 10％ |
表6：SCR脱硝系统24个喷氨支管阀门(手动蝶阀)原有开度
通过表4和表6可以看出，最大权重阀为10号阀门，对应阀门权重为0.51，其原有开度为2；最小权重阀为24号阀门，对应阀门权重为-1.24，其原有开度为5。由此可以得到单位阀门开度所对应的权重差异约为0.6。
同时，将最大权重阀10号阀门的调节后开度定义为2，即为所有喷氨支管阀门的最大开度。基于单位阀门开度所对应的权重差异及各喷氨阀门与10号阀门的权重差异，获得24个喷氨支管阀门的应有开度(如表7所示)及各喷氨支管阀门开度调节量(如表8所示)，其中调节量为负表示减小喷氨阀门开度，反之为增大喷氨阀门开度。
表7：SCR脱硝系统24个喷氨支管阀门(手动蝶阀)应有开度
表8：SCR脱硝系统24个喷氨支管阀门(手动蝶阀)开度调节量
在具体进行各喷氨支管阀门开度调整过程中，在SCR脱硝系统出口截面进行出口NOx浓度测量，并保证调节喷氨口所处位置与出口截面测点位置的空间对应性，以实地出口NOx浓度测量结果与集控室实时NOx出口浓度显示值作为评价喷氨阀门优化控制效果的重要反馈量。
本实施案例中，对比喷氨优化控制前后运行数据，该SCR脱硝系统在喷氨量一定的前提下，脱硝效率可提升约4％，在脱硝效率一定的前提下，氨流量减少约5m3/h(出口NOx排放水平满足排放要求)。由此可见喷氨阀门优化控制的顺利实施，可有效提升SCR脱硝系统内氨氮混合当量比的均匀性，减少氨逃逸及氨用量，降低下游空预器受损几率及电厂SCR脱硝系统运行成本。
通过本实施案例可以说明，本发明所公开的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法可有效解决当前SCR脱硝系统均匀喷氨所导致的氨烟混合均匀性较差、喷氨量偏高、氨逃逸超标、脱硝效率较低等问题，本发明也可有效应用于非均匀喷氨SCR脱硝系统的定期维护，以及时获取最新的基于锅炉负荷波动的各喷氨口控制烟道流域流场分布特性与所需喷氨量的精确匹配规律，这对于实现SCR脱硝系统的高效、长周期、低能耗优化运行具有重要意义。
如上所述，尽管结合具体实施案例及附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但其不得解释为对本发明自身的限制。在本发明的技术方案的基础上，任何单位和个人不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或者变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
1)烟气流场特性测量：利用测量设备测量定负荷工况下SCR脱硝系统喷氨格栅前烟道横向截面内离散测点处的烟气流场特性；
2)烟气流场分区域流动特性解析：利用函数内插方法，结合喷氨格栅的喷嘴分布情况，解析获得与喷氨喷嘴分布相匹配的烟气流场区域连续分布特性；
3)喷氨权重阀确定：根据预先设定的喷氨阀门权重确定方法，综合各负荷条件下的烟气流场分区域流动特性，获得各喷氨阀门的综合权重；
所述预先设定的喷氨阀门权重的确定方法具体如下：
其中：vsingle指单个阀门所控制烟道区域内的速度均值；
vmean指整个A截面的烟气速度均值；
若某喷氨阀门权重为负，则表示该喷氨阀门开度应小于平均开度水平，反之，则表示该喷氨阀门开度应大于平均开度水平，阀门权重绝对值的大小代表了阀门调节幅度的大小；
4)喷氨阀门开度调整：依据喷氨权重阀的权重差异对各阀门开度进行调整，同时在SCR脱硝系统出口截面进行NOx出口浓度测量，及时反馈喷氨阀门开度调整效果；
所述依据喷氨权重阀的权重差异对各阀门开度进行针对性调整，应事先根据最大权重阀与最小权重阀的权重差异及原开度差异获得单位开度对应的权重差异，随后需将最大权重阀的开度定义为最大开度，最后根据各阀门与最大权重阀的权重差异获得各阀门的应有开度；对于首次运行的SCR脱硝系统，最大权重阀与最小权重阀的原开度差异定义为1个单位。
2.根据权利要求1所述的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，其特征在于，所述基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法适用于SCR脱硝系统首次运行时喷氨阀门的开度确定或后期运行期间喷氨阀门开度的优化调整；所述喷氨阀门指SCR脱硝系统喷氨格栅前端具体控制各模块喷氨量的各喷氨支管阀门。
3.根据权利要求1所述的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，其特征在于，所述烟气流场特性测量需在不同定负荷条件下进行，所布离散测点间距应小于1米，每个离散测点测量单次测量时间不少于5s，重复测量次数不少于3次。
4.根据权利要求1所述的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，其特征在于，所述烟气流场分区域流动特性解析，解析烟气流场分区域分布特性云图时，定义烟道壁面烟气速度为0，基于Matlab软件利用A截面内离散测点上的流场数据获得该截面内的烟气流场分区域连续分布特性，并求得分区域及整个截面内的烟气速度数值。
5.根据权利要求1所述的一种基于权重阀调控的SCR脱硝系统喷氨优化方法，其特征在于，所述在SCR脱硝系统出口截面进行NOx出口浓度测量，需保证调节喷氨口所处位置与SCR脱硝系统出口位置的空间对应性，并以集控室实时NOx出口浓度显示值为重要阀门开度调节反馈量。
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