CN113657683A - 一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，催化剂活性性能预测模块根据催化剂的失活方程计算出单位时间内的第i层催化剂活性Ki、第i层催化剂潜能RPi以及SCR脱销反应器总潜能RP；计算结果可视化单元将催化剂活性性能预测模块的计算结果在显示出第i层催化剂活性随时间变化的预测曲线图、第i层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图；由于采用了指数型失活方程的解为基础，结合催化剂面速度指标计算催化剂的活性和潜能，并将预测结果进行可视化处理，实时性强、计算精度高，为燃煤电厂开展催化剂更换和再生提供了重要的基础数据，克服了传统方法无法对催化剂性能实时准确预测的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及脱硝系统管理平台领域，尤其涉及的是一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台。
背景技术
现有SCR脱硝技术的工艺原理是：一定温度下的氨/空气混合物注射入烟气通道中，与一定温度下的锅炉烟气充分混合；混合物通过SCR反应器里设置的催化剂层，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与氨在催化剂的表面发生充分的化学还原反应，生成N2和H2O。
SCR系统的主要化学反应如下：
富氧状态下：4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O；
6NO2+8NH3=7N2+12H2O；
缺氧状态下：NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O；
2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O；
上述化学反应中，第1个反应是最主要的；据统计，在煤燃烧产生的NOx产物中，NO占90%以上；若在催化剂不参与的情况下，该反应只在980℃左右的较窄温度范围内发生，并不适合火电厂实际操作；而在合适催化剂的参与下，该反应温度能够降低至290-430℃之间，非常适合火电厂实际操作。
在SCR脱硝过程中，还会有2个主要的次要化学反应发生，即SO2被氧化成SO3以及SO3与逃逸的NH3发生反应生成NH4HSO4；而NH4HSO4的凝结温度在270-320℃之间，液态的NH4HSO4会吸附在催化剂的表面使其失去活性，同时也能腐蚀空气预热器，降低其传热性能和增大压降。
目前，大多数燃煤电厂都使用钒钨钛系催化剂，其SCR脱硝反应器进口的最低安全喷氨温度为290℃，为了防止SCR脱硝反应器入口处NH4HSO4发生凝结，SCR脱硝反应器的进口温度大都会上调至330℃以上，同时为了确保最佳的催化反应，SCR脱硝反应器进口温度最好控制在350-390℃之间。
但是，操作人员很难实时了解SCR脱硝反应器内的催化剂的活性和潜能的变化，大都会通过监测SCR脱硝反应器出口处的NOx气体含量，并以此来大致判断SCR脱硝反应器内的催化剂是否失去活性，以及大致判断还剩多少潜能，更无法合理预测催化剂的准确更换时间，实时性差，准确度低，导致整个SCR脱销系统的维护成本较高，无法实现效益最大化。
因此，现有技术尚有待改进和发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，原理简单有效，维护成本更低，效益可最大化，适合指导SCR脱销系统的正常运行。
本发明的技术方案如下：一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，包括：数据收集单元、SIS数据库、数据接入单元、催化剂活性性能预测模块、计算结果可视化单元；
数据收集单元用于实时收集SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi数据，并结合催化剂初始活性k0数据建立SIS数据库；
数据接入单元从SIS数据库中实时获取SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi和催化剂初始活性k0数据，并输入催化剂活性性能预测模块；
催化剂活性性能预测模块根据SCR烟气脱硝催化剂的失活方程计算出单位时间内的第i层催化剂活性Ki、第i层催化剂潜能RPi以及SCR脱销反应器总潜能RP，其中，
第i层催化剂活性Ki = k0*exp(-Ai*t)，t代表催化剂与反应物的累计接触时间；
第i层催化剂潜能RPi = Ai*Ki / Vi；
SCR脱销反应器总潜能RP =ΣRPi；
计算结果可视化单元将催化剂活性性能预测模块的计算结果在显示出第i层催化剂活性随时间变化的预测曲线图、第i层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图，用于指导SCR脱销系统优化运行。
所述的燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，其中：所述数据接入单元将最近4个同类型数据的平均值作为计算参数，并将获取的计算参数写入influxDB时序数据库。
本发明所提供的一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，由于采用了指数型失活方程的解为基础，结合催化剂面速度指标计算催化剂的活性和潜能，并将预测结果进行可视化处理，实时性强、计算精度高，根据现场数据预测SCR脱硝系统活性，为燃煤电厂开展催化剂更换和再生提供了重要的基础数据，克服了传统方法无法对催化剂性能实时准确预测的缺陷，且原理简单有效，维护成本更低，效益可最大化，对指导SCR脱销系统的正常运行具有重要的经济价值。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而非意图以任何方式来限制本发明公开的范围；图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并非是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸；本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台的系统框图；
图2是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台实施例所用3层催化剂活性随时间变化的预测曲线图；
图3是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台实施例所用3层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图；
图中各标号汇总：数据收集单元110、SIS数据库120、数据接入单元130、催化剂活性性能预测模块140、计算结果可视化单元150。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
如图1所示，图1是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台的系统框图，该燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台包括数据收集单元110、SIS(SupervisoryInformation System in Plant Level，厂级监控信息系统)数据库120、数据接入单元130、催化剂活性性能预测模块140、计算结果可视化单元150；其中，
数据收集单元110用于实时收集SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi数据，并结合催化剂初始活性k0数据建立SIS数据库120；
数据接入单元130从SIS数据库120中实时获取SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi和催化剂初始活性k0数据，并输入催化剂活性性能预测模块140；
催化剂活性性能预测模块140根据SCR烟气脱硝催化剂的失活方程计算出单位时间内的第i层催化剂活性Ki、第i层催化剂潜能RPi以及SCR脱销反应器总潜能RP；
计算结果可视化单元150将催化剂活性性能预测模块140的计算结果在显示出第i层催化剂活性随时间变化的预测曲线图、第i层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图，用于指导SCR脱销系统优化运行。
具体的，根据相关工程测量数据，对于商业SCR烟气脱硝催化剂，其失活方程一般都具有指数型特征，假设催化剂比表面积A为常数，单位m2，比表面积指的是单位质量物质所具有的总面积，包括外表面积和内表面积，该指数型失活方程可描述如下：
rk = -dk / dt = A*k，rk代表催化剂的失活速率，k代表催化剂活性，单位Nm/h，dk代表k的微分，t代表催化剂与反应物的累计接触时间，单位h，dt代表t的微分；
上述指数型失活方程的解k = k0*exp(-A*t)，k0代表催化剂初始活性，单位Nm/h，exp(-A*t)代表以常数A为底的时间t的指数函数；
由此，第i层催化剂活性Ki = k0*exp(-Ai*t)，Ki代表第i层催化剂活性，单位Nm/h，Ai代表第i层催化剂比表面积，单位m2；
而AVi代表第i层催化剂面速度，单位Nm/h，AVi = Vi / Ai，Vi代表第i层催化剂进口烟气流量，单位Nm3/h；
由此，第i层催化剂潜能RPi = Ki / AVi = Ai*Ki / Vi；
SCR脱销反应器总潜能RP等于所有层催化剂潜能之和，即RP =ΣRPi。
在本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台的具体实施方式中，以3层催化剂为例，3层催化剂的比表面积A1=A2=A3=56630m2，3层催化剂的初始活性k0=72.04Nm/h，3层催化剂的进口烟气流量V1=V2=V3==500000Nm3/h；数据接入单元130可以从SIS数据库120中获取实时的计算参数，并定时的从SIS数据库120中获取新的数据；数据接入单元130在获取数据时，将最近4个同类型数据的平均值作为计算参数，并将获取的计算参数写入influxDB时序数据库，InfluxDB时序数据库是一个开源分布式时序、事件和指标数据库，更便于后续的分析处理；本实施例中，催化剂活性性能预测模块140计算后的输出参数包括在将来120个单位时间内的：第1层催化剂活性、第2层催化剂活性、第3层催化剂活性、第1层催化剂潜能、第2层催化剂潜能、第3层催化剂潜能、所有催化剂潜能，并将计算的结果输出给计算结果可视化单元150绘制出可视化的预测曲线图，以供操作人员参考。
结合图2所示，图2是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台实施例所用3层催化剂活性随时间变化的预测曲线图，横坐标代表时间，单位h，纵坐标代表催化剂活性，单位Nm/h，曲线K1代表第1层催化剂活性随时间变化的预测曲线，曲线K2代表第2层催化剂活性随时间变化的预测曲线，曲线K3代表第3层催化剂活性随时间变化的预测曲线，曲线Ks代表催化剂活性基准线，本实施例中，根据供应商提供的催化剂活性指标，设定Ks=43Nm/h，基准线Ks以上表明该层催化剂还有活性，基准线Ks以下表明该层催化剂活性开始失效；从图2就可以清楚直观地预测出，第1层催化剂的活性K1在连续使用到约22603h(即约942天)之后开始失效，第2层催化剂的活性K2在连续使用到约36120h(即约1505天)之后开始失效，第3层催化剂的活性K3在连续使用到约70690h(即约2945天)之后开始失效。
结合图3所示，图3是本发明燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台实施例所用3层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图，横坐标代表时间，单位h，纵坐标代表催化剂潜能，无单位，曲线RP1代表第1层催化剂潜能随时间变化的预测曲线，曲线RP2代表第2层催化剂潜能随时间变化的预测曲线，曲线RP3代表第3层催化剂潜能随时间变化的预测曲线，曲线RP代表SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线，曲线RPs代表催化剂潜能基准线，根据供应商提供的催化剂潜能指标，设定RPs=5，基准线RPs以上表明该层催化剂还有潜能，基准线RPs以下表明该层催化剂潜能开始下降；从图3就可以清楚直观地预测出，第1层催化剂的潜能RP1也是在连续使用到约22603h(即约942天)之后开始下降，第2层催化剂的潜能RP2是在连续使用到约35678h(即约1486天)之后开始下降，第3层催化剂的潜能RP3在连续使用到约70912h(即约2955天)之后开始下降，而SCR脱销反应器总潜能RP从使用之初的24逐渐下降到连续使用约68696h(即约2862天)之前都会维持在10以上。
通过图2和图3对SCR脱销催化剂活性和潜能的可视化预测图表，操作人员就能够判断哪一层的催化剂在连续使用多长时间后进行更换较为划算，以上述实施例为例，预计每隔942天左右可更换一次第1层催化剂，预计每隔1500天左右可更换一次第2层催化剂，等等，由此通过采用这些优化措施来指导SCR脱销系统的正常运行，就可以花费最小的维护成本而获得最大化的效能。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域普通技术人员公知的现有技术。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，其特征在于，包括：数据收集单元、SIS数据库、数据接入单元、催化剂活性性能预测模块、计算结果可视化单元；
数据收集单元用于实时收集SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi数据，并结合催化剂初始活性k0数据建立SIS数据库；
数据接入单元从SIS数据库中实时获取SCR脱销反应器中的第i层催化剂比表面积Ai、第i层催化剂进口烟气流量Vi和催化剂初始活性k0数据，并输入催化剂活性性能预测模块；
催化剂活性性能预测模块根据SCR烟气脱硝催化剂的失活方程计算出单位时间内的第i层催化剂活性Ki、第i层催化剂潜能RPi以及SCR脱销反应器总潜能RP，其中，
第i层催化剂活性Ki = k0*exp(-Ai*t)，t代表催化剂与反应物的累计接触时间；
第i层催化剂潜能RPi = Ai*Ki / Vi；
SCR脱销反应器总潜能RP =ΣRPi；
计算结果可视化单元将催化剂活性性能预测模块的计算结果在显示出第i层催化剂活性随时间变化的预测曲线图、第i层催化剂潜能和SCR脱销反应器总潜能随时间变化的预测曲线图，用于指导SCR脱销系统优化运行。
2.根据权利要求1所述的燃煤电厂火电机组脱硝系统管理优化平台，其特征在于：所述数据接入单元将最近4个同类型数据的平均值作为计算参数，并将获取的计算参数写入influxDB时序数据库。
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2021
- 2021-08-24 CN CN202110976442.XA patent/CN113657683A/zh active Pending
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