目前環(huán)保政策要求電站鍋爐NOx濃度排放合格的標準是控制小時均值，未對排放的實時值提出要求。為進一步減小電站鍋爐NOx的排放濃度，提高脫硝系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，最大限度發(fā)揮脫硝系統(tǒng)的潛力，通過研究和優(yōu)化電站鍋爐影響NOx生成和脫除的各影響因素，實現(xiàn)了NOx排放濃度實時值均達標，同時提高了鍋爐熱效率。在鍋爐升降負荷的變工況時段避免了短時超標的現(xiàn)象，在系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟性方面取得了良好的效果，并大大降低了運行人員日常操作調(diào)整的工作量。
某電廠1號、2號機組為國產(chǎn)1000MW超超臨界壓力燃煤發(fā)電機組，鍋爐采用上海鍋爐廠引進ALSTOM技術(shù)制造的超超臨界、一次中間再熱、全鋼結(jié)構(gòu)、露天布置、雙切圓八角噴燃、平衡通風、固態(tài)排渣螺旋管圈、Π型鍋爐。設(shè)計煤種為內(nèi)蒙古準格爾煤和印尼煤按1∶1配比的混煤，校核煤種為印尼煤。
煙氣脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原法(SCR)，系統(tǒng)布置于省煤器之后，空預器之前，屬于高塵布置方式。共布置3層催化劑，其中上面2層為板式催化劑，第3層為蜂窩式催化劑。在設(shè)計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下脫硝裝置脫硝率保證值大于80%。
針對該廠1號、2號鍋爐的技術(shù)特點和細微特性差別，通過對運行參數(shù)和邏輯進行大量的研究和優(yōu)化，實現(xiàn)了煙囪NOx排放濃度實時值均達標，為了提高脫硝系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，最大限度發(fā)揮脫硝系統(tǒng)的潛力，同時詳細分析了設(shè)備指標、優(yōu)化研究情況及效益。
1運行氧量、風量及配風優(yōu)化
在燃燒過程中，生成NOx的途徑有3種:空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生，稱為熱力型NOx;由于燃料揮發(fā)物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基與空氣中N2反應生成HCN和N自由基，再進一步與O2作用以極快的速度生成NOx，稱為快速型NOx;燃料中含氮化合物在燃燒中氧化生成NOx，稱為燃料型NOx。在鍋爐燃燒過程中，燃料型NOx是生成NOx的主要來源，占65%～85%。燃料型NOx的形成與煤的熱解產(chǎn)物和火焰中的O2濃度密切相關(guān)，其中O2濃度及其分布狀況對NOx的產(chǎn)生起決定性作用。如果在主燃燒區(qū)延遲煤粉與O2的混合，造成燃燒中心缺氧，可使絕大部分氣相氮和部分焦炭氮轉(zhuǎn)化為N2。另外，煤中的揮發(fā)性成分，特別是還原性成分的增加，會對NOx濃度的降低產(chǎn)生積極的作用。但是，運行氧量過低，又會導致煤粉燃燒的過量空氣系數(shù)不足，造成飛灰含碳量升高，增加鍋爐的未燃盡損失。另外，過低的運行氧量還可能會引起爐膛因還原性氣氛增加而加重鍋爐受熱面的結(jié)焦或高溫腐蝕。
因此，運行氧量的確定對于鍋爐的安全、環(huán)保、經(jīng)濟運行至關(guān)重要。結(jié)合長期的運行經(jīng)驗并經(jīng)過大量的試驗后，對運行氧量、風量及配風進行優(yōu)化。
1.1運行氧量優(yōu)化
目前2臺鍋爐不同負荷下的燃料設(shè)定值如表1所示。經(jīng)過長期運行發(fā)現(xiàn)此燃料控制邏輯存在2個問題:
1)實際燃料量與該燃料設(shè)定值相除后的系數(shù)函數(shù)作為運行氧量的修正系數(shù)，因燃料設(shè)定值不同，而所燒煤種基本相同，導致450～500MW低負荷時2號鍋爐運行氧量高于1號鍋爐;
2)568～680MW時因2號鍋爐燃料量比1號鍋爐高，導致升降負荷時后墻水冷壁懸吊管易超溫，從正常運行的433℃升至505℃左右(報警值為498℃)。
表1優(yōu)化前后2臺鍋爐的燃料設(shè)定值與負荷的關(guān)系
燃料設(shè)定值修改為與1號鍋爐相同(表1)
2臺鍋爐燃料設(shè)定值對應的運行氧量如表2所示。在運行中主要的問題是1號鍋爐滿負荷時，因運行氧量過低，導致尾部煙道CO濃度偏高，實測最高值可達1191mg/m3。1000MW負荷時，因運行氧量設(shè)置偏高，導致相同負荷下，2號鍋爐SCＲ系統(tǒng)入口NOx濃度高于1號鍋爐，對于2號鍋爐環(huán)保運行不利。經(jīng)過綜合比較，將2號鍋爐不同負荷下的，且就地調(diào)整燃盡風水平擺角，減少燃燒偏斜。同時，將1號鍋爐燃料設(shè)定值400t/h對應的運行氧量由2.5%升至2.6%，2號鍋爐由2.8%降至2.6%，188～250t/h對應的燃料設(shè)定值下調(diào)，其余各燃料設(shè)定值對應的運行氧量不變(表2)。
表2優(yōu)化前后燃料設(shè)定值與運行氧量的關(guān)系
1.2風煤比曲線優(yōu)化
在變負荷階段，系統(tǒng)按風煤比曲線進行控制，當鍋爐負荷穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為運行氧量控制，因優(yōu)化前的風煤比曲線設(shè)置不合理，風量偏大，且未考慮2臺鍋爐的細微差異，風煤比曲線相同，鍋爐變負荷過程中的風量比穩(wěn)定負荷時高，700MW以下低負荷時，隨著負荷的增加風量偏差逐漸增大，在500MW時甚至達到20%以上，導致400～700MW變負荷過程中鍋爐運行氧量偏高，造成爐膛出口NOx濃度偏高。同時，鍋爐總風量升高，增加排煙損失，降低了鍋爐熱效率。因此，對1號、2號鍋爐原風煤比曲線進行調(diào)整，以穩(wěn)定工況下的風量為標準，根據(jù)1號、2號鍋爐的細微特性差別，適當增加風量優(yōu)化變負荷時的工況，調(diào)整前后風煤比如表3所示。
表3風煤比曲線優(yōu)化
通過調(diào)整風煤比，將鍋爐升降負荷時的風量設(shè)定曲線設(shè)置為接近穩(wěn)定運行時的風量，并根據(jù)2臺鍋爐的運行特性做局部差別優(yōu)化，重點降低320～700MW的風量設(shè)定曲線，500MW時1號和2號鍋爐的風量由1776t/h分別降至1422和1482t/h，降低了354和294t/h，降低比例為19.9%和16.6%。調(diào)整后SCR系統(tǒng)入口的NOx濃度大幅降低，在400～600MW負荷內(nèi)從200mg/m3降至110mg/m3，降低45%左右，效果明顯。
1.3燃燒區(qū)域配風優(yōu)化
燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，煤粉燃燒器布置在四角和前后墻中間、雙切圓燃燒。主燃燒器分6層布置，共48只煤粉噴口，燃盡風噴嘴共7層56個，分為2層CCOFA(close-coupledoverfireair)風和5層SOFA(separatedoverfireair)。LNCFS系統(tǒng)控制NOx濃度的主要方法是建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)，將燃燒所需要的空氣量分成兩級送入，一級所用的過量空氣系數(shù)燒煤時為0.8～0.9，其余空氣在燃燒器上方以燃盡風的形式送入，使燃燒分兩級完成。但在降負荷及低負荷運行時，根據(jù)現(xiàn)有的控制邏輯，為了維持二次風箱壓力，會減小各燃盡風門開度，燃盡風量過小，不利于空氣分級燃燒，導致爐膛內(nèi)生成的NOx濃度大幅上升。因此，設(shè)置SOFA、CCOFA風門的最小開度限值，在降負荷時，各燃盡風門自動關(guān)至最小開度限值，維持各層二次風量的分配比例，保障燃燒時有充足的燃盡風來抑制熱力型NOx的生成。各風門最小開度限值如表4所示。
表4燃盡風門最小開度限值
1.4優(yōu)化效果
1.4.1降低SCＲ系統(tǒng)入口NOx濃度
經(jīng)運行氧量優(yōu)化及燃燒區(qū)域配風調(diào)整，在燃燒器區(qū)域內(nèi)，由于缺氧，燃燒處于貧氧狀態(tài)，燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NOx的生成。另外燃燒生成的CO和NO以及燃料中N分解成的中間產(chǎn)物相互作用，同樣也抑制了燃料型NOx的生成。優(yōu)化后的近2個月，1號、2號鍋爐SCR系統(tǒng)入口NOx濃度和去年同期同負荷下的NOx濃度如表5所示。在線監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，1號、2號鍋爐各負荷對應的SCR系統(tǒng)入口NOx濃度都比優(yōu)化前下降，平均下降40.9mg/m3，平均下降率為22%，尤其在低負荷時下降率較大，降低了鍋爐運行的環(huán)保壓力，有利于減少SCR系統(tǒng)噴氨量。
表5優(yōu)化前后SCＲ系統(tǒng)入口NOx濃度對比
1.4.2提高鍋爐熱效率
經(jīng)過風煤比曲線優(yōu)化，降低了變負荷過程中的風量突增，在不提高飛灰可燃物含量的情況下降低了鍋爐總風量，減少了鍋爐排煙損失;同時，由于燃燒區(qū)域配風調(diào)整，在燃盡風區(qū)域中將足夠的空氣以二次空氣的形式送入，使未燃盡的碳氫化合物進一步燃盡，從而提高了鍋爐熱效率。以1號鍋爐為例，經(jīng)過運行氧量、風量優(yōu)化及配風優(yōu)化后，不同負荷下鍋爐熱效率對比如圖1所示。從圖1可以看出，400MW時鍋爐熱效率從94.72%升至94.95%。
圖1優(yōu)化前后鍋爐效率對比
通過運行氧量、風量優(yōu)化及配風調(diào)整，降低SCR系統(tǒng)入口NOx濃度的同時提高了鍋爐熱效率。經(jīng)核算，平均提高鍋爐熱效率0.2%，折合降低發(fā)電煤耗0.6g/(kW·h)。
2 SCR系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化
2.1增加變負荷及出口NOx濃度變化時的預控邏輯
在鍋爐負荷降低過程中，SCR系統(tǒng)入口NOx濃度會快速上升，因SCR系統(tǒng)內(nèi)化學反應較慢，噴氨調(diào)節(jié)閥調(diào)整滯后，導致鍋爐降負荷過程中NOx排放濃度波動，可能會引起瞬時值超標。
增加1號、2號鍋爐低負荷期間降負荷時的脫硝效率自動偏置設(shè)定:
1)動作條件。鍋爐負荷低于650MW并處于降負荷過程中，自動增加A、B側(cè)SCＲ效率設(shè)定值5%。
2)自動復位條件。降負荷過程結(jié)束并且A、B側(cè)SCＲ系統(tǒng)出口NOx濃度均不大于50mg/m3。
增加1號、2號鍋爐SCR氨氣調(diào)節(jié)閥的前饋控制邏輯，防止調(diào)節(jié)閥動作滯后而引起NOx排放濃度大幅波動。SCR系統(tǒng)入口或出口NOx濃度上升速度較快時〔NOx上升速度不小于5mg/(m3·min)〕，提前開大氨氣調(diào)節(jié)閥的開度，SCR系統(tǒng)入口或出口NOx濃度變化速率與氨氣調(diào)節(jié)閥開度偏置關(guān)系如圖2所示。
圖2NOx變化速率與調(diào)節(jié)閥開度偏置對應曲線
2.2設(shè)置SCR系統(tǒng)進出口及煙囪出口NOx濃度過高的保護邏輯
增加SCR系統(tǒng)出口NOx濃度過高時的氨氣調(diào)節(jié)閥邏輯:脫硝系統(tǒng)CEMS(continuousemissionmonitoringsystem)儀表吹掃后延時5min，A側(cè)或B側(cè)SCR系統(tǒng)出口NOx濃度不小于60mg/m3時，對應側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加10%，脈沖30s;NOx濃度不小于75mg/m3時，對應側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加30%，脈沖50s，然后恢復PID(比例-積分-微分控制器)自動調(diào)節(jié)。
鍋爐負荷不大于650MW，鍋爐降負荷過程中，增加SCR系統(tǒng)入口NOx濃度過高時的氨氣調(diào)節(jié)閥邏輯:SCR系統(tǒng)入口NOx濃度不小于200mg/m3，對應側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加10%，脈沖30s;SCＲ系統(tǒng)入口NOx濃度不小于250mg/m3，對應側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加20%，脈沖40s;SCR系統(tǒng)入口NOx濃度不小于300mg/m3，對應側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加30%，脈沖50s。
煙囪出口NOx濃度折算值不小于65mg/m3時，A、B側(cè)氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加5%，脈沖15s。
2.3設(shè)置調(diào)節(jié)閥自動狀態(tài)的最小開度，防止低負荷噴氨過多
目前脫硝系統(tǒng)通過大量的邏輯優(yōu)化和運行調(diào)整工作已基本可以保證NOx排放濃度瞬時值不超標，脫硝平均效率可以達到大于80%的要求，但在低負荷階段存在脫硝效率偏高的問題。原因是噴氨調(diào)節(jié)閥設(shè)計裕量偏大，鍋爐負荷降至500MW以下，保持最小開度5%左右時，噴氨調(diào)節(jié)閥偏大，低開度時噴氨量特性不佳。以2B噴氨調(diào)節(jié)閥為例，鍋爐負荷降至500MW以下，5%開度時噴氨量為7.1m3/h，流量不足，而6%開度時，噴氨量為24m3/h，流量過大。經(jīng)過試驗，調(diào)節(jié)閥開度與噴氨量的對應關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，調(diào)節(jié)閥開度大于5%時，噴氨量急劇上升，易導致噴氨過量。
圖3噴氨調(diào)節(jié)閥開度與流量對應曲線
為解決上述問題，設(shè)置噴氨調(diào)節(jié)閥自動狀態(tài)的最小開度，SCR效率偏差控制PID的下限由－0.7調(diào)至－0.8，減緩低開度時調(diào)節(jié)閥的響應速度，實現(xiàn)了低開度時穩(wěn)定噴氨，避免了脫硝系統(tǒng)的波動。
2.4CEMS儀表吹掃進行時的控制邏輯優(yōu)化
因CEMS儀表在定期自動吹掃時，測量值會維持當前值，如果此時鍋爐運行工況波動，待吹掃結(jié)束后，NOx濃度測量值會突變，引起脫硝系統(tǒng)工況劇烈波動。為解決此問題，將噴氨調(diào)節(jié)閥邏輯進行修改:A側(cè)CEMS儀表吹掃狀態(tài)時，A噴氨調(diào)節(jié)閥開度=A噴氨調(diào)節(jié)閥當前開度+B噴氨調(diào)節(jié)閥開度的正變化量;B側(cè)CEMS儀表吹掃狀態(tài)時，B噴氨調(diào)節(jié)閥開度=B噴氨調(diào)節(jié)閥當前開度+A噴氨調(diào)節(jié)閥開度的正變化量。
2.5增加空預器、SCR催化劑差壓高動態(tài)報警
鍋爐尾部煙氣脫硝后形成的硫酸氫氨容易粘附在SCR催化劑及空預器換熱元件表面，硫酸氫氨沉積后與煙氣中的灰形成堅硬的灰塊，容易引起SCＲ催化劑及空預器堵塞。目前鍋爐空預器、SCR系統(tǒng)僅有1個鍋爐滿負荷時的報警值，而鍋爐在長期低負荷運行時，無法監(jiān)測系統(tǒng)的差壓是否有上升趨勢，無法及時提醒運行人員，隨負荷變化的適應性較差。為預防空預器、SCR催化劑堵塞，提醒運行人員提前調(diào)整，增加了1號、2號鍋爐空預器和SCR催化劑在不同鍋爐負荷下的報警值，當差壓達到該報警值后延時30s分別發(fā)“空預器差壓高”、“SCR差壓高”三級報警，如圖4所示。
圖4空預器與SCＲ催化劑差壓高變量報警設(shè)定曲線
2.6優(yōu)化效果
2.6.1降低SCR系統(tǒng)噴氨量
通過SCR系統(tǒng)大量邏輯優(yōu)化，在變負荷及SCR系統(tǒng)進出口NOx濃度變化時進行預控，低負荷時降低效率偏差控制PID的下限，降低最小噴氨量。另外，運行氧量、風量及配風優(yōu)化使SCR系統(tǒng)入口NOx濃度降低。優(yōu)化前后1號、2號鍋爐SCR系統(tǒng)噴氨量統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。由表6可知，各負荷下優(yōu)化后SCR系統(tǒng)噴氨量都有所降低，尤其低負荷時噴氨量降幅較大。SCR系統(tǒng)噴氨量平均降低28.2m3/h。
表6優(yōu)化前后SCＲ系統(tǒng)噴氨量對比
2.6.2降低NOx排放濃度，保證實時值達標
優(yōu)化前后各月NOx排放濃度如圖5所示。其中2016年8—12月為優(yōu)化前，2017年1—2月為優(yōu)化中，3—8月為優(yōu)化后。由于1號鍋爐11月進行檢修，該月無排放數(shù)值。從圖5可以看出，2月之前，1號、2號鍋爐NOx月平均排放濃度為47.3～72.8mg/m3;2月之后經(jīng)過邏輯優(yōu)化等精細化調(diào)整，NOx月平均排放濃度大幅降低，為30.3～46.4mg/m3，優(yōu)化效果顯著。
圖5優(yōu)化前后NOx月平均排放濃度對比
2.6.3降低空預器進出口差壓，防止堵塞
優(yōu)化前后各月的日平均負荷為500～700MW，1號鍋爐該負荷段空預器煙氣差壓統(tǒng)計如圖6所示，其中2016年8—12月為優(yōu)化前，2017年1—2月為優(yōu)化中，3—8月為優(yōu)化后。從圖6可知，經(jīng)運行氧量優(yōu)化及噴氨量調(diào)整后，空預器煙氣差壓有所降低。
圖6優(yōu)化前后空預器差壓對比
3效益分析
針對鍋爐及SCR系統(tǒng)的運行情況，經(jīng)運行氧量、風量、配風優(yōu)化及SCR系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化等精細化調(diào)整，實現(xiàn)了控制NOx排放濃度實時值合格的目標，取得了良好的效果。單臺鍋爐降低發(fā)電煤耗0.6g/(kW·h)，平均降低噴氨量為28.2m3/h，提高了鍋爐的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。
單臺鍋爐按利用時間5000h/a計算，發(fā)電量為50億kW·h/a，可節(jié)約標準煤3000t/a，全廠2臺鍋爐可節(jié)約標準煤6000t/a。每臺鍋爐每年降低噴氨量為387.5t/a，2臺鍋爐可節(jié)省噴氨量775.0t/a，減少NOx排放量307.8t。
4結(jié)論
(1)優(yōu)化不同負荷下的燃料設(shè)定值，避免煤量過小引起的運行氧量偏高，同時優(yōu)化運行氧量設(shè)定曲線，降低了400～700MW負荷時的NOx生成量和1000MW負荷時的CO濃度。
(2)根據(jù)1號、2號鍋爐細微特性的差別，對原風煤比曲線進行調(diào)整，降低變負荷工況時的運行氧量和NOx生成量。
(3)設(shè)置SOFA、CCOFA風門的最小開度限值，在降負荷時，維持各層二次風量的分配比例，保障燃燒時有充足的燃盡風來抑制熱力型NOx的生成。
(4)增加變負荷及出口NOx濃度變化時的預控邏輯，根據(jù)NOx濃度變化速率提前開大氨氣調(diào)節(jié)閥的開度。
(5)增加SCR出口NOx濃度過高時的氨氣調(diào)節(jié)閥開度增加的邏輯，控制NOx排放濃度達標。
(6)設(shè)置噴氨調(diào)節(jié)閥自動狀態(tài)的最小開度，減緩低開度時調(diào)節(jié)閥的響應速度，實現(xiàn)了低開度時穩(wěn)定噴氨。
(7)優(yōu)化CEMS儀表吹掃進行時的控制邏輯，避免儀表自動吹掃時鍋爐工況變化引起的脫硝系統(tǒng)工況劇烈波動。
(8)增加空預器、SCR催化劑差壓高動態(tài)報警，在中低負荷設(shè)備差壓升高時，提醒運行人員提前調(diào)整。
