燃气-蒸汽联合循环机组脱硝系统参数预警优化_肖黎明.pdf

41电力安全技术第24卷(2022年第12期)燃气-蒸汽联合循环机组脱硝系统参数预警优化肖黎明1，刘德进1，潘超宇2，蔡 文2，曾令大2，刘荣辉2(1.中国华电集团发电运营有限公司，北京 100031；2.天津军粮城发电有限公司，天津 300300)Parameter Early-warning Optimization of Denitration System for Gas-steam Combined Cycle UnitXIAO Liming1,LIU Dejin1,PAN Chaoyu2,CAI Wen2,ZENG Lingda2,LIU Ronghui2(1.CHD Power Plant Operation Co.,Ltd.,Beijing 100031;2.Tianjin Junliangcheng Power Generation Co.,Ltd.,Tianjin 300300)摘 要 烟气污染物排放浓度一直是发电机组重要的环保监控参数，特别是在机组启停等复杂工况下，监控难度大，易出现数据超标情况。为提升燃气-蒸汽联合循环机组排放控制水平，构建了 NOX小时均值计算预警算法，并优化了 DCS 监视与控制。应用表明，该算法在机组启停和运行期间皆可实现对 NOX排放的有效监控与预警，便于人员监视和操作，确保排放不超标，为 DCS 环保参数的优化提供了参考。关键词 燃气-蒸汽联合循环；DCS 优化；脱硝系统；NOX小时均值计算；参数预警Abstract:The emission concentration of flue gas pollutants has always been an important environmental monitoring parameter for power generation units,especially under complex operating conditions such as unit startup and shutdown,which is difficult to monitor and prone to data exceeding the standard.In order to improve the emission control level of gas-steam combined cycle units,an early-warning algorithm for NOX hourly mean value calculation is constructed,and the DCS monitoring and control is optimized.The application shows that the algorithm is available to realize effective monitoring and early-warning of NOX emission during unit startup,shutdown and operation,facilitate personnel monitoring and operation,and ensure that the emission does not exceed the standard,which can be regarded as a reference for the optimization of DCS environmental protection parameters.Key words:Gas-steam combined cycle;DCS optimization;denitration system;calculation of NOX hourly mean value;parameter early-warning中图分类号:TM621.8 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2022)12-0041-040引言在“碳达峰碳中和”战略目标的背景下，进一步加强节能减排工作，实现生产运营的绿色清洁化，对于发电企业意义重大。燃气机组作为新型发电机组，在提供电能、热能的同时也排放出氮氧化物1-2。目前，发电机组氮氧化物排放标准日趋严苛，除了国家相关控排标准外，各地又相继出台了更为严格的排放标准3。燃气发电企业应在确保机组平基金项目：国家质量基础的共性技术研究与应用重点专项(2019YF F0216101)。第24卷(2022年第12期)电力安全技术42稳运行的基础上，推动技术改进和设备升级，以满足排放标准要求。目前，机组烟气净化系统的监控大都集成在 DCS 系统，但在实际操作中，还存在一些问题，如自动控制水平不高，需手动操作辅助；控制逻辑与现场匹配度不高；报警系统不完善，操作人员无法快速识别异常工况等4-5。因此，以某电厂燃气-蒸汽联合循环机组为例对 DCS 中脱硝系统进行优化，通过构建计算环保参数小时实时均值的算法和环保排放数据预警策略，保证机组环保指标得到有效控制的同时方便人员监测与操作。1机组脱硝系统概述该电厂燃气-蒸汽联合循环机组主要由 1台燃气轮机(GE 9HA 燃气轮机)、1 台余热锅炉、1 台汽轮机以及相关辅助系统和设备组成。机组 DCS 系统燃气轮机与汽轮机部分为 Mark VIe系统，余热锅炉部分为 max DNA 系统，脱硝系统采用选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)，设计脱硝效率 65%，保证效率不低于 50%，脱硝层数 1 层。SCR 主要由氨气输送计量系统、热风循环系统、AIG 喷氨格栅系统、催化剂系统组成。热风循环系统抽取锅炉约 350 的烟气，利用离心风机加压并加入氨气；氨气和原烟气混合后通过喷氨格栅进入上游烟道中，系统流程如图 1 所示。图 1机组脱硝系统流程喷氨格栅前安装烟气在线检测仪，用于检测省煤器与空气预热器间烟道内 NOX，O2以及烟气温度、压力等；锅炉尾部安装氨逃逸检测仪，用于检测未反应的氨气逃逸量，保证氨(NH3)逃逸率不超过 3%。脱硝系统纳入机组 DCS，完成数据采集、顺序控制和调节控制功能，人员可通过 DCS 完成对脱硝系统的启/停控制、运行监视与调整以及异常工况的处理和故障诊断等。2脱硝系统监控中的问题燃气机组因启动迅速、响应负荷速度快的特性，被充当电网中的调峰机组使用。通用 DCS 系统在机组启停等复杂工况下监控难度大，且环保指标控制精准度低，氨气用量大，经济性差。如燃气机组在 29 月期间总启停次数达 76 次，指标超标小时数达 94 h，脱硝效果不佳。烟气脱硝效率与 NH3逃逸率是脱硝系统的两个重要指标，复杂恶劣的脱硝环境会导致局部氨逃逸超标以及出口 NOX浓度分布不均等问题的出现。影响 NOX排放浓度的因素很多，如燃烧方式、燃料温度和压力、空气温度和湿度等，特别在燃机启停和低负荷运行时，因主燃料较少，易造成 NOX浓度高；燃气轮机通流间隙、密封间隙过大会改变空燃比，也会影响 NOX的生成量；燃烧调整方式和不同运行水平的人员也会对 NOX排放产生一定的影响。3脱硝系统参数预警优化3.1NOX小时均值计算对于脱硝 NOX小时均值，可按照 DB 12/8102018火电厂大气污染物排放标准中“新建燃气发电机组氮氧化物排放浓度须低于 30 mg/m3排放限值”的要求进行计算。污染物小时均值定义为烟气排放连续监测系统(continuous emission monitoring system，CEMS)第n小时测量污染物排放干基标态质量浓度平均值，污染物干基标态浓度是指烟气在去除水分、冷却到接近 0、压力在1 个标准大气压下的浓度。(1)污染物质量浓度分钟数据(计算区间为1 min)按公式(1)计算：式中：CQj为 CEMS 第j分钟测量污染物干基标态质量浓度的平均值，mg/m3；CQi为 CEMS 最CQj=(1)ni=1CQinSCR催化剂模块受热面模块受热面模块受热面模块受热面模块受热面模块受热面模块喷氨格栅氨/空混合器氨气调节门电动门加压风机循环热烟气燃机排气烟囱43第24卷(2022年第12期)电力安全技术大间隔 5 s 采集测量污染物干基标态质量浓度的瞬时值，mg/mm3；n为该分钟内 CEMS 采集到的有效测量瞬时值个数。(2)污染物质量浓度分钟数据(计算区间为1 h)按公式(2)计算：式中：CQh为 CEMS 在 1 h 内测量污染物干基标态质量浓度平均值，mg/m3；CQj为 CEMS 第j分钟测量污染物干基标态质量浓度的平均值，mg/m3；k为 CEMS 在该小时内有效测量的分钟均值个数。(3)污染物质量浓度小时数据可根据公式(1)、公式(2)推导得出：式中：CQh为 CEMS 在 1 h 内测量污染物干基标态质量浓度平均值，mg/m3；CQi为 CEMS 最大间隔 5 s 采集测量污染物干基标态质量浓度的瞬时值，mg/m3；m为 CEMS 在 1 h 内有效测量的瞬时值个数。在机组启动初期，为及时精确投入脱硝系统，通过 DCS 逻辑计算得出小时实时均值数据，实现实时计算该小时段的 NOX排放均值。按照 HJ762017固定污染源烟气(SO2，NOX、颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法中 NOX示值误差需满足：当满量程大于等于 410 mg/m3时，示值误差不超过 5%；当满量程小于 410 mg/m3时，示值误差不超过 2.5%以及系统响应时间小于等于 200 s 的要求。为确保数据准确性，循环周期与 CEMS 采集周期相同均为 1 s。计算过程可实现计时、基本计算、复位清零和累计计算等，见图 2。3.2NOX小时均值计算优化脱硝设备操作基于 max DNA 系统实现，可实时显示 NOX小时均值，以确保相关监测值处于预警值以下。除计算功能外，该系统还可通过相关功能模块的选用，进行逻辑搭建，实现 NOX小时均值的计算优化，计算逻辑见图 3。(1)将实时的 NOX数值按 1 s 间隔进行累加，再用累加值除以累计数据的个数，得到 NOX均值。为得到 NOX小时均值，计算得到的数值需每小时复位清零一次，然后进入下一个小时周期，重新计算。若按秒级频次计算，每小时则可得3 600个数据。注：a为脱硝 NOX瞬时有效值；n为计数值；b为脱硝NOX小时均值。图 2小时实时均值计算流程 图 3计算逻辑(2)功能块搭建中，使用了 ALRMCLCK 模块。该模块可理解为时钟块，可输出实时的时钟、分钟以及秒钟。基于此模块的不同特性，可计算出体现实时性的多个参数值。例如通过 TOTL 累计块，用来累计计算 NOX瞬时值；使用 MUL 乘法块，可将分钟数换算为秒数；借助 ADD 加法块，可得到总秒数；利用 DIV 除法块，可计算均值等。(3)经过试验测试，该逻辑可正确实现 NOX小时均值的计算功能。(4)NOX均值计算方法可推广至含氧量和颗粒物等参数计算，但只能计算出小时均值，不具备数据超标预判和超标原因影响源分析功能。3.3环保数据监视画面优化按照 HJ762017 要求监测的信息包括 NOX相关数据、CO 相关数据、含氧量、烟温、流速、压力以及脱硝效率等。然而在机组运行的实时监测CQh=(2)kj=1CQjkCQh=(3)mi=1CQim开始否是输出n=1sum=0n 3 600sum=sum+ab=sum/nn=n+1累计块乘法块时钟块加法块除法块TOTLMULADDDIVALRMCLCK输入输入输入 1输入 1输入 2输入 2复位输出输出输出输出输出分秒第24卷(2022年第12期)电力安全技术44中，因参数多、数据量庞大，容易发生超标的数据捕捉不及时等问题，因此，为方便现场监控，可从 DCS 环保相关数据中，筛选出关键参数，制作数据汇总表并增设专用监视画面。汇总表主要包含脱硝出口 NOX含量(折算)以及烟囱出口烟尘含量(折算)、O2含量、CO 含量、CO2含量、NOX含量、流速、标杆