CN112275133A - 基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于燃煤机组烟气混合性调节的脱硝控制系统及方法，利用SCR反应器前部烟道的氮氧化物浓度多测点测量，并综合机组负荷变化、磨组状态、SCR出口氮氧化物浓度、氨逃逸等机组运行参数，实时评估当前SCR入口烟气中氮氧化物浓度分布的均匀特性优劣。当发现SCR反应器前端氮氧化物浓度不均时，通过改变烟气混合器的两层共四个挡板与烟道截面的角度来调节烟道内的烟气流向分布，调节烟道内烟气气流的自混合，提高氮氧化物浓度分布均匀性，从而优化烟气中氮氧化物与还原剂氨气的有效接触，保证SCR反应器中脱硝反应的良好进行。本发明可有效解决因烟气流场不均而出现的SCR系统局部喷氨不足或过喷，减少因此出现的氮氧化物排放超标和氨逃逸过高的问题。

Description

基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统及方法
技术领域
本发明属于火电站自动控制技术领域，具体涉及一种基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统及方法。
背景技术
工业活动产生的氮氧化物污染物对空排放后会产生光化学烟雾和酸雨，是各国环保治理的重点。在我国，大气中的氮氧化物污染物主要来源于煤炭的燃烧，其中火力发电厂燃煤发电所产生的氮氧化物排放量占据同年全国氮氧化物排放量的一半以上。自环保部门于2010年出台氮氧化物治理政策以来，我国火电厂氮氧化物排放已参照世界最严格标准管理，《火电厂大气污染物排放标准》规定，燃煤电厂氮氧化物小时均值的排放限值为50mg/Nm3，重点地区不能超过30mg/Nm3，要求火电厂的实际脱硝效率要达90％以上，这给机组的脱硝系统带来了巨大的挑战。
在多种烟气脱硝技术中，SCR脱硝工艺以其效率高，无二次污染，运行成本低等优势，是目前我国燃煤电厂中应用最普遍的技术。其原理是，向SCR反应器喷入脱硝还原剂氨气与烟道中的烟气充分混合，在脱硝催化剂(V2O5-WO3(MoO3)/TiO2)的作用下，将烟气中的NOx还原为N2，实现脱除氮氧化物污染物的目的。由于电厂内设备布局紧凑，多有管道转向、变径等结构，烟道布置空间严重受限，烟气混合距离过短，加之实际运行机组煤质、配风多变，易造成SCR反应器入口烟气流速不均、烟道截面氮氧化物浓度分布不均的现象，使得脱硝反应中氨气与氮氧化物混合均匀性较差，造成实际脱硝效率降低、环保氮氧化物浓度点超或局部氨逃逸增大等问题，严重影响了脱硝系统的控制效果。
为了改善烟道中气流的空气场动力场特性，目前往往在烟道中布置某种静态烟气混合器，通过改变空间结构促使烟气形成流场的自扰动，加强烟气的自混合，改善流场均匀性，从而促进还原剂与烟气充分混合后再进入SCR系统进行反应。静态混合器的设计种类繁多，原理都是通过设计一个或者多个特定形状结构的钝体放置入烟道，形成静态的混合单元干扰烟气流向，产生流场混沌效应强化烟气混合效果。静态混合器的设计通常基于物理热力学原理，往往采用仿真模拟软件进行离线效果预估。静态混合器形状固定，加装在烟道后，不具备调节功能。
当前的许多燃煤电站实际运行中由于煤质多变、调度负荷频繁变化，相应磨组方式及配风方式也会随之变化，经常造成烟气流量、流场分布及氮氧化物生成量的大幅波动，加装的静态混合器无法根据工况进行当前烟气自混合效果调节。当烟气流场分布均匀性较差时，烟气中的氮氧化物浓度分布不均，从而影响了其与氨气的混合，大大影响了脱硝系统的实际脱硝效率。此外，SCR脱硝系统的入口和出口处的氮氧化物浓度测点大多为单点CEMS测量，无法反馈烟道截面氮氧化物浓度的真实分布，对脱硝系统的精确控制调节造成了很大干扰。由于以上原因，在实际运行中，尤其当煤质变化或负荷剧烈波动时，机组氮氧化物排放飙升或局部氨逃逸过大的现象常有发生。
发明内容
鉴于以上存在的问题，本发明提出了一种基于燃煤机组烟气混合性调节的脱硝控制系统及方法。利用SCR反应器前部烟道的氮氧化物浓度多测点测量，并综合机组负荷变化、磨组状态、SCR出口氮氧化物浓度、氨逃逸等机组运行参数，实时评估当前SCR入口烟气中氮氧化物浓度分布的均匀特性优劣。当发现SCR反应器前端氮氧化物浓度不均时，通过改变烟气混合器的两层共四个挡板与烟道截面的角度来调节烟道内的烟气流向分布，调节烟道内烟气气流的自混合，提高氮氧化物浓度分布均匀性，从而优化烟气中氮氧化物与还原剂氨气的有效接触，保证SCR反应器中脱硝反应的良好进行。该系统可有效解决因烟气流场不均而出现的SCR系统局部喷氨不足或过喷，减少因此出现的氮氧化物排放超标和氨逃逸过高的问题，有助于提高机组全工况下脱硝系统的运行特性及实际控制性能。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，包括制氨系统、稀释风机、氨气/空气混合器、省煤器和烟气烟道；其中，
烟气烟道呈π型，省煤器出口连通至烟气烟道进口，且烟气烟道进口处设置有双层动态烟气混合器，烟气烟道的垂直上升段自下而上依次设置有氮氧化物多测点均匀性测量装置和喷氨格栅，垂直上升段与水平段的拐角处均设置有烟气静态导流板，烟气烟道的垂直下降段由内至外依次设置有SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置、脱硝系统SCR反应器和SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置，烟气烟道出口处设置有氨逃逸测量装置；
制氨系统出口通过氨量调节阀门连通至氨气/空气混合器的氨气进口，稀释风机出口连通至氨气/空气混合器的空气进口，至氨气/空气混合器的出口连通至喷氨格栅；氮氧化物多测点均匀性测量装置、SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置、SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置以及氨逃逸测量装置的输出端均连接至机组DCS控制系统的输入端，机组DCS控制系统连接NOx均匀性计算模块，机组DCS控制系统的输出端连接氨量调节阀门及双层动态烟气混合器的控制端。
本发明进一步的改进在于，烟气静态导流板在烟气烟道的拐角处均朝向内侧设置。
本发明进一步的改进在于，双层动态烟气混合器通过挡板转轴设置有四个挡板V1、V2、V3和V4，根据指令调节挡板转轴的角度来改变局部烟气混合特性。
本发明进一步的改进在于，四个挡板V1、V2、V3和V4分别在烟气烟道内前后各设置有两个。
本发明进一步的改进在于，脱硝系统SCR反应器(11)中设置有脱硝催化剂V2O5-WO3(MoO3)/TiO2。
本发明进一步的改进在于，烟气中氮氧化物浓度的分布均匀性调整作为脱硝控制系统的第一级调节回路，执行机构为动态烟气混合器的双层挡板；脱硝控制系统出口NOx浓度值作为第二级调节回路，执行机构为氨量调节阀门。
基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制方法，该方法基于所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，包括：
氮氧化物多测点均匀性测量装置沿烟道截面方向布置4×4测点网格，共布置有16个测点，测得的氮氧化物浓度计为S1，S2，···S16，将测点数值送入NOx均匀性计算模块，统计氮氧化物测点组的均方差，评估其分布均匀性。
本发明进一步的改进在于，具体计算步骤如下：
将16个测点按照纵、横、斜分为6组，其中测点S1、S5、S9、S13为A组；测点S1、S2、S3、S4为B组；测点S1、S6、S11、S16为C组；测点S4、S8、S12、S16为D组；测点S13、S14、S15、S16为E组；测点S4、S7、S10、S13为F组；
对各组数值进行算数平均数和均方差计算：
Figure BDA0002775048800000041
Figure BDA0002775048800000042
Figure BDA0002775048800000043
Figure BDA0002775048800000044
Figure BDA0002775048800000045
Figure BDA0002775048800000046
Figure BDA0002775048800000047
Figure BDA0002775048800000048
Figure BDA0002775048800000051
Figure BDA0002775048800000052
Figure BDA0002775048800000053
Figure BDA0002775048800000054
设定氮氧化物浓度均匀性均方差的阈值为σK，当σA、σB、σC、σD、σE、σF中有三个及以上的数值大于阈值σK，则表示当前烟道截面的氮氧化物浓度均匀性较差，此时，NOx均匀性计算模块将输出调整指令至DCS控制器；反之，则表示此时浓度分布稳定，无需进一步调整。
相比现有技术，本发明至少具有以下的优点：
1.本发明在烟道中布置了氮氧化物多测点均匀性测量装置，不同于常规的单点采样，均匀采集烟道截面上多个测点的氮氧化物浓度数据，并传输至DCS系统。在此基础上，利用NOx均匀性计算模块，测算并评估烟道中氮氧化物生成浓度的截面分布特性，预估机组脱硝系统的潜在运行压力。评估结果亦传输回DCS系统中进行实时显示。
2.区别于常规形状固定的静态烟气混合器，本发明采用的双层烟气混合器，必要时通过改变双层挡板与烟道的角度，动态灵活调节烟气流向，提高局部烟气的自混合效果，实时改善SCR脱硝反应器前端烟气中生成NOx浓度的截面分布的均匀性，从本体结构上提升了火电机组的脱硝运行特性。
3.本发明将氮氧化物生成浓度的均匀性作为重要被调量引入脱硝控制系统。当评估得到的原烟气中生成氮氧化物浓度均匀性较差时，利用双层动态烟气混合器，实现烟气流场的均匀性实时动态调节，加强烟气的自混合效果，确保在原烟气进入SCR脱硝反应器之前，氮氧化物的生成浓度截面分布特性满足脱硝控制的要求，显著改善因SCR入口NOx浓度不均而造成排放超标、局部氨逃逸大等脱硝调节问题，全面提升机组全工况脱硝系统的运行特性及实际控制性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为双层动态烟气混合器的局部细节图。
图3为双层动态烟气混合器装载的4个挡板俯视示意图。
图4为氮氧化物多测点均匀性测量装置的测点分布图。
附图标记说明：
1为制氨系统，2为稀释风机，3为氨气/空气混合器，4为氨量调节阀门，5为省煤器，6为烟气烟道，7为烟气静态导流板，8为氮氧化物多测点均匀性测量装置，9为喷氨格栅，10为SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置，11为脱硝系统SCR反应器，12为SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置，13为氨逃逸测量装置，14为NOx均匀性计算模块，15为机组DCS控制系统，16为脉冲控制信号增量指令，17为双层动态烟气混合器，V1，V2，V3，V4为其四个挡板，18为挡板转轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的一种基于燃煤机组烟气混合性调节的脱硝控制系统如附图1所示。脱硝系统的还原剂氨气来源于制氨系统1，由稀释风机2供应的空气对氨气在氨气/空气混合器3中进行稀释。氨量调节阀门4负责控制进入脱硝系统的氨量大小。从省煤器5出来的烟气顺着烟气烟道6，先经过布置的双层动态烟气混合器17，再经过烟道拐角处的烟气静态导流板7后，进入竖直烟道。氮氧化物多测点均匀性测量装置8测量此刻烟气中烟道截面上多点的氮氧化物浓度分布数据，并传输回机组DCS控制系统15。氮氧化物多测点均匀性测量装置8沿烟道截面方向布置4×4测点网格，氮氧化物多测点均匀性测量装置8测点布置如图4所示，共16个测点，测得的氮氧化物浓度计为S1，S2，···S16。将测点数值送入NOx均匀性计算模块14，统计氮氧化物测点组的均方差，评估其分布均匀性。具体计算步骤如下：
1)将16个测点按照纵、横、斜分为6组，其中测点S1、S5、S9、S13为A组；测点S1、S2、S3、S4为B组；测点S1、S6、S11、S16为C组；测点S4、S8、S12、S16为D组；测点S13、S14、S15、S16为E组；测点S4、S7、S10、S13为F组；
2)对各组数值进行算数平均数和均方差计算：
Figure BDA0002775048800000071
Figure BDA0002775048800000072
Figure BDA00027750488000000712
Figure BDA0002775048800000073
Figure BDA0002775048800000074
Figure BDA0002775048800000075
Figure BDA0002775048800000076
Figure BDA0002775048800000077
Figure BDA0002775048800000078
Figure BDA0002775048800000079
Figure BDA00027750488000000710
Figure BDA00027750488000000711
3)设定氮氧化物浓度均匀性均方差的阈值为σK，当σA、σB、σC、σD、σE、σF中有三个及以上的数值大于阈值σK，则表示当前烟道截面的氮氧化物浓度均匀性较差，此时，NOx均匀性计算模块14将输出调整指令至DCS控制器；反之，则表示此时浓度分布稳定，无需进一步调整。
烟气与喷氨格栅9喷入烟道的氨气混合后，经烟气静态导流板7，进入脱硝系统SCR反应器11在脱硝催化剂(V2O5-WO3(MoO3)/TiO2)作用下完成脱硝反应后，烟气继续向下游流动。SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置10，SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置12，氨逃逸测量装置13都将实时测量的数据返送回DCS系统15。DCS系统将装置8的测量数据及机组的运行数据传输至NOx均匀性计算模块14，由模块14对喷氨格栅9前端烟气中氮氧化物浓度的分布均匀性进行评估，并计算当前需要调节的挡板开度指令反送回机组DCS控制系统15，由机组DCS控制系统15发出脉冲控制信号增量指令16作用到双层动态烟气混合器17的挡板转轴18上，通过调节挡板转轴18的开度改变局部烟气混合特性，实现烟气流场的均匀性实时动态调节。同时，机组DCS控制系统15中的脱硝控制回路根据脱硝系统的测量参数及机组运行参数，核算当前的氨需求量，并向氨量调节阀门4发送实时指令控制实际氨气流量，完成脱硝系统的反馈闭环调节。
本发明突破燃煤机组常规静态烟气混合器的限制，在烟道中布置可调节的双层动态烟气混合器，可实时通过控制指令改变双层挡板与烟道的角度，动态调节局部烟气流向，灵活调节烟气的自混合效果。
本发明在SCR脱硝反应器前部烟道中，加装氮氧化物多测点均匀性测量装置，可直接多点测量烟气截面中的氮氧化物浓度的分布特性，并将测量结果实时传输至机组DCS控制系统记录和显示，便于进行数据分析及二次开发。
本发明通过利用NOx均匀性计算模块，对SCR前部烟道截面上的氮氧化物浓度多测点测量数据进行分析计算，实现对烟气中氮氧化物浓度的分布均匀性的评估，评估结果可在DCS控制系统中实时显示。
本发明将烟气中氮氧化物浓度的分布均匀性调整作为SCR脱硝控制系统的第一级调节回路，执行机构为动态烟气混合器的双层挡板。SCR出口NOx浓度值作为第二级调节回路，执行机构为氨量调节阀门。

Claims (8)

1.基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，包括制氨系统(1)、稀释风机(2)、氨气/空气混合器(3)、省煤器(5)和烟气烟道(6)；其中，
烟气烟道(6)呈π型，省煤器(5)出口连通至烟气烟道(6)进口，且烟气烟道(6)进口处设置有双层动态烟气混合器(17)，烟气烟道(6)的垂直上升段自下而上依次设置有氮氧化物多测点均匀性测量装置(8)和喷氨格栅(9)，垂直上升段与水平段的拐角处均设置有烟气静态导流板(7)，烟气烟道(6)的垂直下降段由内至外依次设置有SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置(10)、脱硝系统SCR反应器(11)和SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置(12)，烟气烟道(6)出口处设置有氨逃逸测量装置(13)；
制氨系统(1)出口通过氨量调节阀门(4)连通至氨气/空气混合器(3)的氨气进口，稀释风机(2)出口连通至氨气/空气混合器(3)的空气进口，至氨气/空气混合器(3)的出口连通至喷氨格栅(9)；氮氧化物多测点均匀性测量装置(8)、SCR入口氮氧化物浓度CEMS测量装置(10)、SCR出口氮氧化物浓度CEMS测量装置(12)以及氨逃逸测量装置(13)的输出端均连接至机组DCS控制系统(15)的输入端，机组DCS控制系统(15)连接NOx均匀性计算模块(14)，机组DCS控制系统(15)的输出端连接氨量调节阀门(4)及双层动态烟气混合器(17)的控制端。
2.根据权利要求1所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，烟气静态导流板(7)在烟气烟道(6)的拐角处均朝向内侧设置。
3.根据权利要求1所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，双层动态烟气混合器(17)通过挡板转轴(18)设置有四个挡板V1、V2、V3和V4，根据指令调节挡板转轴(18)的角度来改变局部烟气混合特性。
4.根据权利要求3所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，四个挡板V1、V2、V3和V4分别在烟气烟道(6)内前后各设置有两个。
5.根据权利要求1所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，脱硝系统SCR反应器(11)中设置有脱硝催化剂V2O5-WO3(MoO3)/TiO2。
6.根据权利要求1所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，其特征在于，烟气中氮氧化物浓度的分布均匀性调整作为脱硝控制系统的第一级调节回路，执行机构为动态烟气混合器的双层挡板；脱硝控制系统出口NOx浓度值作为第二级调节回路，执行机构为氨量调节阀门。
7.基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至7中任一项所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制系统，包括：
氮氧化物多测点均匀性测量装置(8)沿烟道截面方向布置4×4测点网格，共布置有16个测点，测得的氮氧化物浓度计为S1，S2，···S16，将测点数值送入NOx均匀性计算模块(14)，统计氮氧化物测点组的均方差，评估其分布均匀性。
8.根据权利要求7所述的基于燃煤机组烟气混合均匀性调节的脱硝控制方法，其特征在于，具体计算步骤如下：
将16个测点按照纵、横、斜分为6组，其中测点S1、S5、S9、S13为A组；测点S1、S2、S3、S4为B组；测点S1、S6、S11、S16为C组；测点S4、S8、S12、S16为D组；测点S13、S14、S15、S16为E组；测点S4、S7、S10、S13为F组；
对各组数值进行算数平均数和均方差计算：
Figure FDA0002775048790000021
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设定氮氧化物浓度均匀性均方差的阈值为σK，当σA、σB、σC、σD、σE、σF中有三个及以上的数值大于阈值σK，则表示当前烟道截面的氮氧化物浓度均匀性较差，此时，NOx均匀性计算模块(14)将输出调整指令至DCS控制器；反之，则表示此时浓度分布稳定，无需进一步调整。
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