CN115142952A - 一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法 - Google Patents

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邵峰
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曹炼博
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Abstract

本发明提供一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法，由于氢气燃烧温度高于普通天然气(主要组分为天然气)，在燃气机组安全裕度范围内通过掺烧氢气可一定程度提升燃机透平前温，同时再通过SCR脱硝等系统调整可在保证机组在氮氧化物达标排放下最大幅度提升机组效率，在达标排放及机组安全的基础上，实现氢气掺烧，并在一定比例的掺氢条件上，通过针对燃料流量、空气流量、燃烧温度、污染物排放、机组振动等数据的测试及控制，实现在特定的掺烧比例下机组的透平前温和排气温度的有效控制，并最大程度的提升联合循环机组的效率。

Description

一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及掺氢燃气机组电厂技术领域，尤其涉及一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法。
背景技术
氢作为自然界储量最丰富且重量最轻的元素，在传统燃料中单位质量的热值最高。氢可以通过化石能源制取，也可利用新能源发电加电解水制取，可在各种应用场景中充当能量载体，其中包括发电、工业、运输。
众所周知，气电较煤电可减少二氧化碳排放约50％，提升气电比例可有效降低我国火电碳排放水平，同时燃气发电效率高、排放低，启停迅速，可为新能源发展提供优质的调峰电源，且燃气轮机掺氢/氨可进一步降低其碳排放。因此发展纯氢/掺氢是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑技术。
但是，燃机掺烧氢气的发电技术还存在火焰温度高、NOx排放高等问题。
燃机中掺烧氢气时，为控制氮氧化物排放，目前主流燃机改造技术是通过改变空燃比，降低火焰温度，降低机组负荷，减少氮氧化物排放，但该技术会影响机燃氢发电组机的效率。以某6FA燃机燃烧室为例，随着燃烧室中过量空气系数的提高，燃烧室出口温度(即透平前温)下降，氮氧化物浓度降低，如下表所示。
Figure BDA0003766947170000011
Figure BDA0003766947170000021
理论情况下，在燃机里面掺烧氢气，在燃料输入热量和空燃比一定的情况下，掺混比例的提高将提高机组的透平前温，进而提高联合循环机组的运行效率，以某6FA机组为例，如下表所示。
Figure BDA0003766947170000022
但实际情况，燃机掺氢会导致机组氮氧化物排放超标，为控制氮氧化物排放，机组需降低燃烧温度，进而导致机组出力和效率降低。以某SGT-800燃机为例，ISO工况下随着掺烧氢气体积比例的增加燃机在100％负荷下的效率下降，如下表所示。
Figure BDA0003766947170000023
因此如何实现使联合循环机组既掺烧氢气可减低二氧化碳排放，同时避免联合机组本身的效率降低，是目前急需解决的技术难题。
发明内容
本发明提供一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法，解决的技术问题是掺烧氢气时，如何在氮氧化物达标和机组安全基础上，避免联合循环机组的效率降低，并使得机组始终运行在该掺氢比例下的效率最高位置。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统，包括燃气机组；
设置在余热锅炉中的SCR脱硝系统；
设置在各检测点的用于检测对应的检测参数的参数检测模块；
以及控制器，在达标排放及机组安全的基础上，实现氢气掺烧，并根据掺氢比例，通过针对燃料流量、空气流量、燃烧温度、污染物排放及机组振动数据的测试及控制，实现在特定的掺烧比例下控制燃气机组的透平前温和排气温度，并得到在当前掺烧比例下燃气机组的最高效率。
优选的，所述参数监测模块包括燃烧室进口压力检测模块、燃烧室空气流量检测模块、燃烧室进口温度检测模块、燃烧室出口温度检测模块、二氧化碳排放浓度检测模块及振动监测模块。
优选的，所述参数监测模块还包括SCR脱硝系统入口氮氧化物浓度检测模块和SCR脱硝系统出口氮氧化物排放浓度检测模块。
一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据实际降碳需求，计算机组需要掺烧氢气的体积百分比；
步骤2、基于掺氢燃气电厂运行数据，进行热平衡数值建模和模型修正；
步骤3、在不同负荷下对该掺氢燃气电厂的燃机氮氧化物排放经验公式进行修正；
步骤4、基于SCR脱硝系统喷氨与脱硝效率关系，计算固定工况下燃机可允许氮氧化物排放浓度；
步骤5、基于修正后掺氢燃机氮氧化物排放经验公式，反推掺氢燃机的透平前温和过量空气系数，燃机调整执行；
步骤6、燃机调整执行后，监测SCR脱硝系统脱硝前后的氮氧化物排放浓度；若实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行；若无法实现达标排放，则逐渐增加SCR脱硝系统喷氨水量，若仍然无法实现原定脱硝效率和达标排放，则回到步骤4。
优选的，所述步骤2中，修正后热平衡模型与实际电厂运行情况在不同负荷下吻合度达到99％。
优选的，在所述步骤4中，在掺氢燃机电厂不同负荷下，调整余热锅炉内部SCR脱硝系统喷氨量，获得在不同负荷下的实际最大SCR脱硝效率，并确保氨逃逸浓度应小于2.5mg/m3。
优选的，所述步骤5中，通过步骤3获得的修正后公式，通过步骤4计算获得的燃机可允许氮氧化物排放浓度，反算透平前温T4与燃烧室的过量空气系数的关。
优选的，上述所述经验公式为
Figure BDA0003766947170000031
Figure BDA0003766947170000041
其中，Pin为燃烧室进口压力，单位为psia；Tin为燃烧室进口温度，单位为勒氏温标；T4为燃烧室出口温度，单位为勒氏温标R；为氮氧化物可允许的排放浓度，单位为mg/m3；Mgas为燃气的相对分子质量；a为燃烧室的过量空气系数；L0为理论空气量，单位为kg/s；MNO为NOX的相对分子质量。
优选的，通过T4选定后，机组的过量空气系数a确定，将该信号数据传导至控制器，实现定燃料流量下燃气机组的过量空气系数调整。
优选的，所述步骤2中，运行数据包括燃烧室进口压力、燃烧室空气质量流量、燃烧室进口温度、燃烧室出口温度及燃空比数据，并油热平衡仿真模型中获得。
与相关技术相比较，本发明提供的XRUX具有如下有益效果：
本发明提供一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法，由于氢气燃烧温度高于普通天然气(主要组分为天然气)，在燃气机组安全裕度范围内通过掺烧氢气可一定程度提升燃机透平前温，同时再通过SCR脱硝等系统调整可在保证机组在氮氧化物达标排放下最大幅度提升机组效率，在达标排放及机组安全的基础上，实现氢气掺烧，并在一定比例的掺氢条件上，通过针对燃料流量、空气流量、燃烧温度、污染物排放、机组振动等数据的测试及控制，实现在特定的掺烧比例下机组的透平前温和排气温度的有效控制，并最大程度的提升联合循环机组的效率。
附图说明
图1为本发明提供的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法的流程图；
图2为氢气体积比与二氧化碳减排比例的关系曲线图；
图3为一种循环机组基本负荷的模拟计算结果图；
图4为氨氮比与脱硝效率的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3和图4，其中，图1为本发明提供的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法的流程图；图2为氢气体积比与二氧化碳减排比例的关系曲线图；图3为一种循环机组基本负荷的模拟计算结果图；图4为氨氮比与脱硝效率的关系曲线图。
一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统，包括燃气机组；
设置在余热锅炉中的SCR脱硝系统；
设置在各检测点的用于检测对应的检测参数的参数检测模块；
以及控制器，在达标排放及机组安全的基础上，实现氢气掺烧，并根据掺氢比例，通过针对燃料流量、空气流量、燃烧温度、污染物排放及机组振动数据的测试及控制，实现在特定的掺烧比例下控制燃气机组的透平前温和排气温度，并得到在当前掺烧比例下燃气机组的最高效率。
所述参数监测模块包括燃烧室进口压力检测模块、燃烧室空气流量检测模块、燃烧室进口温度检测模块、燃烧室出口温度检测模块、二氧化碳排放浓度检测模块及振动监测模块。
所述参数监测模块还包括SCR脱硝系统入口氮氧化物浓度检测模块和SCR脱硝系统出口氮氧化物排放浓度检测模块。
一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据实际降碳需求，计算机组需要掺烧氢气的体积百分比。
首先通过燃气电厂对碳减排的技术要求，对现有燃料掺氢比例进行计算分析：若该机组需要降低10％二氧化碳排放，则需要在燃料中掺混27％体积的氢气。方法过程如下以选取某电厂天然气为例：
组分 CH<sub>4</sub> C<sub>2</sub>H<sub>6</sub> C<sub>3</sub>H<sub>8</sub> H<sub>2</sub> CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>O
摩尔百分比％ 95.9494 0.9075 0.1367 0.0002 3.0000 0.0062
表1天然气组分
Figure BDA0003766947170000051
M(CO2)、M(CH4)和M(C2H6)分别代表这几种组分的摩尔质量；
Figure BDA0003766947170000061
表示甲烷完全燃烧排放的CO2量；
Figure BDA0003766947170000062
表示乙烷完全燃烧排放的CO2量；
则1kg天然气共产生CO2为各种组分排放产生的量的总和2.5874kg；单位低位热值为33.31MJ/m3；密度为0.7225kg/m3，单位低位热值燃料的二氧化碳排放量为56.65t/GJ，在天然气中掺混不同比例的氢气而计算出单位低位热值燃料的二氧化碳量，进而可得出如图2所示氢气体积与二氧化碳减排的比例关系。
通过计算如果天然气中掺混27％体积左右的氢气，单位低位热值燃料的二氧化碳量为50.89t/GJ，可降低10％二氧化碳排放。
在现有机组上燃烧该掺混燃料，需根据如下公式验算低位热值及华白指数是否在可接受范围内。
Figure BDA0003766947170000063
MWI-经温度校正后的华白指数；
LHV-燃料低位发热量，Btu/scft；
Tg-气体绝对温度，兰金温标，单位为°R；
SG-ISO条件下燃料相对空气的比重；
现有燃机华白指数波动一般在±5％范围内，如果在该范围内变化，则该掺氢比例可接受，执行步骤2；如果超过该范围，则需要减少掺氢比例，直到满足±5％范围再执行步骤2。
步骤2、基于掺氢燃气电厂运行数据，进行热平衡数值建模和模型修正。
针对现有掺氢燃气电厂对象，进行压气机+燃烧室+透平+锅炉+汽轮机等热平衡数值建模，并利用电厂运行数据在各个负荷下对模型进行比较修正，确保热平衡模型与实际电厂运行情况在不同负荷下吻合度达到99％。
步骤3、在不同负荷下对该掺氢燃气电厂的燃机氮氧化物排放经验公式进行修正。
在固定负荷下(100％负荷为例)，基于掺氢燃机电厂热平衡仿真模型，选择表3中公式1-3中任意公式(不含修正系数)进行
Figure BDA0003766947170000064
(氮氧化物排放浓度)计算，其中燃烧室进口压力、燃烧室空气质量流量、燃烧室进口温度、燃烧室出口温度、燃空比等数据从掺氢燃机电厂热平衡仿真模型中获得，同时结合该负荷下燃机实际氮氧化物排放数据对以下经验公式(如表2)进行修正，修正后获得的掺氢燃机可允许氮氧化物排放浓度修正公式如下；
Figure BDA0003766947170000071
表2公式表(修正后)
其中，Pin为燃烧室进口压力；
Min为燃烧室空气质量流量，单位kg/s；
Tin为燃烧室进口温度，R；
T4为燃烧室出口温度，R；
f为燃空比；
Figure BDA0003766947170000072
为氮氧化物可允许的排放浓度，单位为mg/m3；
Mgas为燃气的相对分子质量；
MNO为NOx的相对分子质量；
L0为理论空气量，单位为kg/s；
a为燃烧室的过量空气系数；
其它负荷，不同负荷的氮氧化物排放数值利用100％负荷、75％负荷与50％负荷进行内部插值的方法获得。
步骤4、基于SCR脱硝系统喷氨与脱硝效率关系，计算固定工况下燃机可允许氮氧化物排放浓度。
在掺氢燃机电厂不同负荷下，调整余热锅炉内部SCR脱硝系统喷氨量，获得在不同负荷下的实际最大SCR脱硝效率(并确保氨逃逸浓度应小于2.5mg/m3)如图4，之后通过不同脱硝效率反推燃机出口的可允许氮氧化物排放浓度如表3。
Figure BDA0003766947170000081
表3脱硝效率与燃机出口可允许的氮氧化物浓度关系
以基本负荷(100％负荷)为例，该机组的SCR脱硝系统通过喷氨调节氨氮比(确保氨逃逸浓度应小于2.5mg/m3)，最大可实现SCR脱硝效率65％。考虑到喷氨流场不均及氨逃逸等因素，本专利在65％效率上降低5个百分点来进行机组脱硝效率设定(设定为60％脱硝效率)。根据表3，由于当地氮氧化物排放标准为30mg/m3，因此基本负荷下该掺氢燃气轮机的可允许氮氧化物排放浓度可在75mg/m3
步骤5、基于修正后掺氢燃机氮氧化物排放经验公式，反推掺氢燃机的透平前温和过量空气系数，燃机调整执行。
通过步骤3获得的修正后公式，通过步骤4计算获得的燃机可允许氮氧化物排放浓度，反算透平前温T4与燃烧室的过量空气系数a的关系。由于通过步骤1已知道燃料成分是固定的，确定负荷下燃料流量也是确定的，因此根据公式
Figure BDA0003766947170000082
与
Figure BDA0003766947170000083
可反算透平前温T4与燃烧室的过量空气系数a的关系，得到T4与a的关系，为实现机组最大效率，但考虑到机组热端部件耐受温度及锅炉耐受温度，可选择机组最大T4受到Tmax限制——取T4(余热锅炉侧反推)与T4(热端部件耐受)中较小值，其中
Figure BDA0003766947170000091
T4越高，机组联合效率越高。通过T4选定后，机组的过量空气系数a确定，将该信号数据传导至燃机控制系统，实现定燃料流量下机组的过量空气系数调整。
步骤6、燃机调整执行后，监测SCR脱硝系统脱硝前后的氮氧化物排放浓度；若实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行；若无法实现达标排放，则逐渐增加SCR脱硝系统喷氨水量，若仍然无法实现原定脱硝效率和达标排放，则回到步骤4。
在燃气机组过量空气系数调整后，由于燃烧透平前温发生变化，导致燃机出口氮氧化物排放浓度增加(脱硝系统氨氮比发生变化，脱硝效率发生变化)，因此需要同时监测SCR脱硝系统入口和出口氮氧化物排放浓度，来确认现有SCR脱硝装置喷氨是否可实现掺氢机组的达标排放，若可实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行；若无法实现达标排放(由于之前步骤4有5个百分点的脱硝效率裕量预留)，则逐渐增加SCR喷氨水量(但确保氨逃逸浓度小于2.5mg/m3)，若仍然无法实现原定脱硝效率(60％)和达标排放，则回到步骤4：
此时，以基本负荷为例，该燃气机组的SCR脱硝系统通过喷氨调节氨氮比(确保氨逃逸浓度应小于2.5mg/m3)，若最大可实现SCR脱硝效率59％，考虑到喷氨流场不均及氨逃逸等因素本方法在该基础上降低5个百分点来进行机组设定(设定为54％脱硝效率)，因此在该工况下该燃气机组的燃机出口可允许氮氧化物排放浓度设定在65.2mg/m3。再通过步骤5，调整定燃料流量下机组的过量空气系数，此时由于燃烧透平前温发生变化，导致燃机出口氮氧化物排放浓度减少(脱硝系统氨氮比发生变化，脱硝效率发生上升)，因此需要同时监测SCR脱硝系统入口和出口氮氧化物排放浓度，来确认现有SCR脱硝装置喷氨是否可实现掺氢燃气机组的达标排放，若可实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行；若仍然无法实现达标排放(由于之前步骤4有5个百分点的脱硝效率裕量预留)，则逐渐增加SCR喷氨水量(但确保氨逃逸浓度小于2.5mg/m3)，若仍然无法实现原定脱硝效率(54％)和达标排放，则回到步骤4进行调节控制，直到实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行。
考虑到启停机阶段燃机内部燃烧处于不稳定状态，为提高机组安全性，对于机组启停阶段不建议使用本专利控制方法，本专利方法主要适用于掺氢燃气机组运行在50％基本负荷以上。在机组负荷或者燃料组分发生变化时，需要重新从步骤(1)开始调节修正。
本发明提供一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统和方法，由于氢气燃烧温度高于普通天然气(主要组分为天然气)，在燃气机组安全裕度范围内通过掺烧氢气可一定程度提升燃机透平前温，同时再通过SCR脱硝等系统调整可在保证机组在氮氧化物达标排放下最大幅度提升机组效率，并获得同一负荷下的联合循环最高效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统，其特征在于，包括燃气机组；
设置在余热锅炉中的SCR脱硝系统；
设置在各检测点的用于检测对应的检测参数的参数检测模块；
以及控制器，在达标排放及机组安全的基础上，实现氢气掺烧，并根据掺氢比例，通过针对燃料流量、空气流量、燃烧温度、污染物排放及机组振动数据的测试及控制，实现在特定的掺烧比例下控制燃气机组的透平前温和排气温度，并得到在当前掺烧比例下燃气机组的最高效率。
2.根据权利要求1所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统，其特征在于，所述参数监测模块包括燃烧室进口压力检测模块、燃烧室空气流量检测模块、燃烧室进口温度检测模块、燃烧室出口温度检测模块、二氧化碳排放浓度检测模块及振动监测模块。
3.根据权利要求1所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制系统，其特征在于，所述参数监测模块还包括SCR脱硝系统入口氮氧化物浓度检测模块和SCR脱硝系统出口氮氧化物排放浓度检测模块。
4.一种基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据实际降碳需求，计算机组需要掺烧氢气的体积百分比；
步骤2、基于掺氢燃气电厂运行数据，进行热平衡数值建模和模型修正；
步骤3、在不同负荷下对该掺氢燃气电厂的燃机氮氧化物排放经验公式进行修正；
步骤4、基于SCR脱硝系统喷氨与脱硝效率关系，计算固定工况下燃机可允许氮氧化物排放浓度；
步骤5、基于修正后掺氢燃机氮氧化物排放经验公式，反推掺氢燃机的透平前温和过量空气系数，燃机调整执行；
步骤6、燃机调整执行后，监测SCR脱硝系统脱硝前后的氮氧化物排放浓度；若实现排放达标且氨逃逸值满足要求则燃气机组维持现有参数稳定运行；若无法实现达标排放，则逐渐增加SCR脱硝系统喷氨水量，若仍然无法实现原定脱硝效率和达标排放，则回到步骤4。
5.根据权利要求4所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，修正后热平衡模型与实际电厂运行情况在不同负荷下吻合度达到99％。
6.根据权利要求4所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，在所述步骤4中，在掺氢燃机电厂不同负荷下，调整余热锅炉内部SCR脱硝系统喷氨量，获得在不同负荷下的实际最大SCR脱硝效率，并确保氨逃逸浓度应小于2.5mg/m3。
7.根据权利要求4所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，所述步骤5中，通过步骤3获得的修正后公式，通过步骤4计算获得的燃机可允许氮氧化物排放浓度，反算透平前温T4与燃烧室的过量空气系数的关系。
8.根据权利要求7所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，所述经验公式为
Figure FDA0003766947160000021
Figure FDA0003766947160000022
其中，Pin为燃烧室进口压力，单位为psia；Tin为燃烧室进口温度，单位为勒氏温标；T4为燃烧室出口温度，单位为勒氏温标R；为氮氧化物可允许的排放浓度，单位为mg/m3；Mgas为燃气的相对分子质量；a为燃烧室的过量空气系数；L0为理论空气量，单位为kg/s；MNO为NOX的相对分子质量。
9.根据权利要求7所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，通过T4选定后，机组的过量空气系数a确定，将该信号数据传导至控制器，实现定燃料流量下燃气机组的过量空气系数调整。
10.根据权利要求3所述的基于达标排放的掺氢燃气机组提效的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，运行数据包括燃烧室进口压力、燃烧室空气质量流量、燃烧室进口温度、燃烧室出口温度及燃空比数据，并油热平衡仿真模型中获得。
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