燃氣-蒸汽聯合循環機組脫硝系統參數預警優化

肖黎明，劉德進，潘超宇，蔡 文，曾令大，劉榮輝

(1.中國華電集團發電運營有限公司，北京 100031；2.天津軍糧城發電有限公司，天津 300300)

0 引言

在“碳達峰·碳中和”戰略目標的背景下，進一步加強節能減排工作，實現生產運營的綠色清潔化，對于發電企業意義重大。燃氣機組作為新型發電機組，在提供電能、熱能的同時也排放出氮氧化物[1-2]。目前，發電機組氮氧化物排放標準日趨嚴苛，除了國家相關控排標準外，各地又相繼出臺了更為嚴格的排放標準[3]。燃氣發電企業應在確保機組平穩運行的基礎上，推動技術改進和設備升級，以滿足排放標準要求。目前，機組煙氣凈化系統的監控大都集成在DCS系統，但在實際操作中，還存在一些問題，如自動控制水平不高，需手動操作輔助；控制邏輯與現場匹配度不高；報警系統不完善，操作人員無法快速識別異常工況等[4-5]。因此，以某電廠燃氣-蒸汽聯合循環機組為例對DCS中脫硝系統進行優化，通過構建計算環保參數小時實時均值的算法和環保排放數據預警策略，保證機組環保指標得到有效控制的同時方便人員監測與操作。

1 機組脫硝系統概述

該電廠燃氣-蒸汽聯合循環機組主要由1臺燃氣輪機(GE 9HA燃氣輪機)、1臺余熱鍋爐、1臺汽輪機以及相關輔助系統和設備組成。機組DCS系統燃氣輪機與汽輪機部分為Mark VIe系統，余熱鍋爐部分為max DNA系統，脫硝系統采用選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)，設計脫硝效率65 %，保證效率不低于50 %，脫硝層數1層。

SCR主要由氨氣輸送計量系統、熱風循環系統、AIG噴氨格柵系統、催化劑系統組成。熱風循環系統抽取鍋爐約350 ℃的煙氣，利用離心風機加壓并加入氨氣；氨氣和原煙氣混合后通過噴氨格柵進入上游煙道中，系統流程如圖1所示。

圖1 機組脫硝系統流程

噴氨格柵前安裝煙氣在線檢測儀，用于檢測省煤器與空氣預熱器間煙道內NOX，O2以及煙氣溫度、壓力等；鍋爐尾部安裝氨逃逸檢測儀，用于檢測未反應的氨氣逃逸量，保證氨(NH3)逃逸率不超過3 %。脫硝系統納入機組DCS，完成數據采集、順序控制和調節控制功能，人員可通過DCS完成對脫硝系統的啟/停控制、運行監視與調整以及異常工況的處理和故障診斷等。

2 脫硝系統監控中的問題

燃氣機組因啟動迅速、響應負荷速度快的特性，被充當電網中的調峰機組使用。通用DCS系統在機組啟停等復雜工況下監控難度大，且環保指標控制精準度低，氨氣用量大，經濟性差。如燃氣機組在2—9月期間總啟停次數達76次，指標超標小時數達94 h，脫硝效果不佳。

煙氣脫硝效率與NH3逃逸率是脫硝系統的兩個重要指標，復雜惡劣的脫硝環境會導致局部氨逃逸超標以及出口NOX濃度分布不均等問題的出現。影響NOX排放濃度的因素很多，如燃燒方式、燃料溫度和壓力、空氣溫度和濕度等，特別在燃機啟停和低負荷運行時，因主燃料較少，易造成NOX濃度高；燃氣輪機通流間隙、密封間隙過大會改變空燃比，也會影響NOX的生成量；燃燒調整方式和不同運行水平的人員也會對NOX排放產生一定的影響。

3 脫硝系統參數預警優化

3.1 NOX小時均值計算

對于脫硝NOX小時均值，可按照DB 12/810—2018《火電廠大氣污染物排放標準》中“新建燃氣發電機組氮氧化物排放濃度須低于30 mg/m3排放限值”的要求進行計算。污染物小時均值定義為煙氣排放連續監測系統(continuous emission monitoring system，CEMS)第n小時測量污染物排放干基標態質量濃度平均值，污染物干基標態濃度是指煙氣在去除水分、冷卻到接近0 ℃、壓力在1個標準大氣壓下的濃度。

(1) 污染物質量濃度分鐘數據(計算區間為1 min)按公式(1)計算：

式中：CQj為CEMS第j分鐘測量污染物干基標態質量濃度的平均值，mg/m3；CQi為CEMS最大間隔5 s采集測量污染物干基標態質量濃度的瞬時值，mg/mm3；n為該分鐘內CEMS采集到的有效測量瞬時值個數。

(2) 污染物質量濃度分鐘數據(計算區間為1 h)按公式(2)計算：

式中：CQh為CEMS在1 h內測量污染物干基標態質量濃度平均值，mg/m3；CQj為CEMS第j分鐘測量污染物干基標態質量濃度的平均值，mg/m3；k為CEMS在該小時內有效測量的分鐘均值個數。

(3) 污染物質量濃度小時數據可根據公式(1)、公式(2)推導得出：

式中：CQh為CEMS在1 h內測量污染物干基標態質量濃度平均值，mg/m3；CQi為CEMS最大間隔5 s采集測量污染物干基標態質量濃度的瞬時值，mg/m3；m為CEMS在1 h內有效測量的瞬時值個數。

在機組啟動初期，為及時精確投入脫硝系統，通過DCS邏輯計算得出小時實時均值數據，實現實時計算該小時段的NOX排放均值。按照HJ76—2017《固定污染源煙氣(SO2，NOX、顆粒物)排放連續監測系統技術要求及檢測方法》中NOX示值誤差需滿足：當滿量程大于等于410 mg/m3時，示值誤差不超過±5 %；當滿量程小于410 mg/m3時，示值誤差不超過±2.5 %以及系統響應時間小于等于200 s的要求。為確保數據準確性，循環周期與CEMS采集周期相同均為1 s。計算過程可實現計時、基本計算、復位清零和累計計算等，見圖2。

圖2 小時實時均值計算流程

3.2 NOX小時均值計算優化

脫硝設備操作基于max DNA系統實現，可實時顯示NOX小時均值，以確保相關監測值處于預警值以下。除計算功能外，該系統還可通過相關功能模塊的選用，進行邏輯搭建，實現NOX小時均值的計算優化，計算邏輯見圖3。

圖3 計算邏輯

(1) 將實時的NOX數值按1 s間隔進行累加，再用累加值除以累計數據的個數，得到NOX均值。為得到NOX小時均值，計算得到的數值需每小時復位清零一次，然后進入下一個小時周期，重新計算。若按秒級頻次計算，每小時則可得3 600個數據。

(2) 功能塊搭建中，使用了ALRMCLCK模塊。該模塊可理解為時鐘塊，可輸出實時的時鐘、分鐘以及秒鐘。基于此模塊的不同特性，可計算出體現實時性的多個參數值。例如通過TOTL累計塊，用來累計計算NOX瞬時值；使用MUL乘法塊，可將分鐘數換算為秒數；借助ADD加法塊，可得到總秒數；利用DIV除法塊，可計算均值等。

(3) 經過試驗測試，該邏輯可正確實現NOX小時均值的計算功能。

(4) NOX均值計算方法可推廣至含氧量和顆粒物等參數計算，但只能計算出小時均值，不具備數據超標預判和超標原因影響源分析功能。

3.3 環保數據監視畫面優化

按照HJ76—2017要求監測的信息包括NOX相關數據、CO相關數據、含氧量、煙溫、流速、壓力以及脫硝效率等。然而在機組運行的實時監測中，因參數多、數據量龐大，容易發生超標的數據捕捉不及時等問題，因此，為方便現場監控，可從DCS環保相關數據中，篩選出關鍵參數，制作數據匯總表并增設專用監視畫面。匯總表主要包含脫硝出口NOX含量(折算)以及煙囪出口煙塵含量(折算)、O2含量、CO含量、CO2含量、NOX含量、流速、標桿流速、溫度、濕度、壓力以及脫硝效率等數據和相關排放標準限值。同時，專用監視畫面也可將NOX小時均值等參數納入監視范圍，以方便運行參數調節，提高控排能力。

重要參數超標通過設置預警區來顯示報警，如脫硝出口NOX含量報警閾值設為25 mg/m3，當監測數據超過該值后，數值顯示開始紅標閃爍，以提示操作人員注意及時調整。預警區的增設，為發電運行監控人員提供了風險預控、應急處理的緩沖區，留出必要的處理時間。

4 優化前后效果對比與討論

4.1 技術優越性

根據預警技術優化前后的反饋信息，其技術優越性主要體現在以下方面。

(1) 控排效果。對比優化前后的數據，機組冷態啟動過程中，氮氧化物排放次均超標小時數下降38 %，污染物排放控制效果顯著。

(2) 經濟性。在滿足瞬時氮氧化物達標排放的基礎上，每次啟動過程氨氣均用量下降54 %，小時氨氣均用量降低12.5 %。

(3) 操作性。從氮氧化物超標產生原因、小時均值計算和監控畫面優化等各方面展開，優化后系統可在氮氧化物出現超標后立即預警，為運行監控人員提供警示信息。

4.2 后續展望

(1) 適用性。結合發電企業機組特性，預警系統可推廣至CO，CO2，SO2等數據的預警監控，為污染物排放、末端治理提供有效依據，實現減污降碳、協同增效的有效監管。

(2) 智能化。預警系統實現數據顯示、預警、運行趨勢判斷等功能。下一步，可通過數據分析、邏輯判斷、模型預警實現綜合預警；還可通過判斷模塊查找相應的故障源，使運行操作人員精準調控，實現快速消缺，提升安全保障。

5 結束語

有效實施環保數據在線監測與預警，是落實發電機組執行環保標準的可靠保證。通過增加排放指標預警信號、建立預警系統、設置預警閾值等對DCS進行優化，使排污監測系統顯示的直觀性、精確可控性進一步提升，為操作人員監視和操作提供方便，保證了排放參數不超標，降低因污染物排放超標造成的環保處罰的概率，也為同類型機組DCS環保參數優化提供參考。