燃煤機(jī)組超低排放系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行策略研究

國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司 申正遠(yuǎn)

電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，在我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中扮演了舉足輕重的角色。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)，我國探明可直接利用的煤炭?jī)?chǔ)量為1886億t。另外，包括3317億t 基礎(chǔ)儲(chǔ)量和6872億t 資源量共計(jì)1萬億t 的資源，可以留待后人勘探開發(fā)，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量占世界煤炭?jī)?chǔ)量的12.6%，可采量位居第三，產(chǎn)量位居世界首位。正是由于我國是一個(gè)富煤的國度，因此以動(dòng)力煤為燃料的火力發(fā)電機(jī)組成為我國現(xiàn)役發(fā)電機(jī)組的主力，在我國煤炭總消費(fèi)的四成以上由火電機(jī)組消納。

我國政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越高，對(duì)大氣污染物排放的要求和標(biāo)準(zhǔn)也日益完善，對(duì)未來環(huán)境保護(hù)的規(guī)劃也制定了綱領(lǐng)性文件。我國環(huán)保部門早在2011年就頒布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011），全面對(duì)燃煤電廠的大氣排放物做出了詳細(xì)的要求，例如要求重點(diǎn)地區(qū)燃煤電廠的粉塵顆粒、硫化物、氮氧化物分別不超過20、50、100mg/m3。在之后的十幾年中，環(huán)保部門對(duì)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求日益提高。根據(jù)2021年頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》），國家對(duì)環(huán)境保護(hù)工作提到了歷史新高度。《規(guī)劃》提出了至2035年基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化遠(yuǎn)景目標(biāo)，廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，碳達(dá)峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國建設(shè)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，生態(tài)安全屏障更加牢固。

在燃煤火電機(jī)組排放的大氣污染物中，主要是氮氧化物、二氧化硫和固體顆粒物。目前，國內(nèi)主流的燃煤火電機(jī)組大氣污染物減排流程如下文所述：鍋爐省煤器后煙氣首先經(jīng)由噴氨脫硝裝置（SCR），再經(jīng)由靜電除塵裝置（ESP）送至引風(fēng)機(jī)，最后通過脫硫系統(tǒng)進(jìn)入煙囪。

1 控制系統(tǒng)分析

下文以主流廣泛應(yīng)用的選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)、靜電除塵系統(tǒng)、石灰石-石膏濕法脫硫?yàn)榇磉M(jìn)行燃煤火電機(jī)組超低排放系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)分析。工業(yè)中常見的脫硝技術(shù)主要包括選擇性催化還原技術(shù)、選擇性非催化還原技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)等，其中選擇性催化還原技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用的較為成熟，且生產(chǎn)效率高、成本低；常見的煙氣除塵技術(shù)包括靜電除塵技術(shù)、布袋式除塵技術(shù)、旋風(fēng)除塵等，全國超過七成的燃煤電廠均采用靜電除塵技術(shù)；在脫硫技術(shù)中，有石灰石-石膏濕法脫硫、海水脫硫、雙堿脫硫法等，其中較為廣泛應(yīng)用和技術(shù)最為成熟的是石灰石-石膏濕法脫硫，超過90%的燃煤火電機(jī)組均采用這種工藝。

1.1 脫硝控制系統(tǒng)

選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)是通過將液氨噴入煙氣中，利用氨與氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原理。由于，該化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度有一定的要求，因此脫硝系統(tǒng)布置在鍋爐省煤器之后，在煙道的這一區(qū)域，煙氣的溫度能滿足氮氧化物與氨氣的化學(xué)反應(yīng)需要的條件。噴氨脫硝系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示[1]。

以SCR 催化還原為例，煙氣中氮氧化物與氨氣在催化劑層的化學(xué)反應(yīng)式如式（1）所示：

SCR 脫硝技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟和完善了，影響其脫硝效率的因素主要有以下幾方面。一是來自催化劑的影響，不同的催化劑、催化劑分布以及煙氣中重金屬對(duì)催化劑性能的影響會(huì)間接影響脫硝效率。二是脫硝反應(yīng)區(qū)的溫度對(duì)脫硝效率的影響。三是氨氮摩爾比，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)氨氮摩爾比控制在1.0時(shí)，脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率能保持在95%以上。四是煙氣中的含氧量和煙氣流速都會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響。

1.2 靜電除塵控制系統(tǒng)

目前，國內(nèi)主流的干式靜電除塵系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示，其主要分為3個(gè)步驟：電離、收集和振達(dá)。

圖2 靜電除塵系統(tǒng)流程圖

以干式靜電除塵系統(tǒng)為例，其工作原理如下所述：一是利用高電壓擊穿除塵器中氣體，從而使除塵器中氣體電離；二是氣體電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子吸附在灰塵上，即粉塵荷電；三是帶電后的粉塵在電場(chǎng)的作用下開始吸附在電場(chǎng)極板上；四是通過振動(dòng)裝置將吸附在極板上的粉塵收集起來。影響經(jīng)典除塵效率的因素主要如下所述：首先，電源電壓越高、則除塵效率越高，但對(duì)元器件壽命以及節(jié)能同樣有影響；其次，煙氣流速、粉塵屬性、振達(dá)周期、煙氣溫度同樣會(huì)對(duì)除塵效率造成直接或間接的影響。

1.3 濕法脫硫控制系統(tǒng)

由于石灰石-石膏濕法脫硫工藝可靠性較高且成本較低，因此目前現(xiàn)役機(jī)組脫硫系統(tǒng)主流采用石灰石-石膏濕法脫硫方式，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 脫硫系統(tǒng)工藝流程圖

由圖3可以看出，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)工藝流程可分為4個(gè)環(huán)節(jié)：二氧化硫吸收過程、石灰石粉末溶解過程以及氧化過程、硫酸鈣結(jié)晶過程，其過程總反應(yīng)化學(xué)式如式（2）所示：

根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)以及理論研究表明，影響脫硫系統(tǒng)運(yùn)行效率的因素主要如下：石灰石漿液pH 值、硫鈣比、液氣比對(duì)系統(tǒng)脫硫的效率影響最為明顯[2]。

2 多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行策略

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前大氣污染物減排水平已經(jīng)得到了較大的提升，SCR 脫硝效率基本達(dá)到80%以上，濕法脫硫裝置的脫硫效率達(dá)到97%以上，靜電除塵效率能達(dá)到99%以上。但國內(nèi)外研究很少把脫硝、脫硫、電除塵三者作為一個(gè)整體進(jìn)行煙氣污染物綜合研究進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。相較于單一污染物減排控制，將三者作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，則整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部亦存在變量耦合，給運(yùn)行優(yōu)化帶來了較大挑戰(zhàn)。本文提出多污染物協(xié)同運(yùn)行框架如圖4所示。

圖4 多目標(biāo)協(xié)同運(yùn)行框架流程圖

部分氮氧化物在脫硫吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)式如式（3）所示：

而且，絕大部分粉塵都在靜電除塵裝置內(nèi)被吸附，但煙氣中殘留的粉塵還會(huì)在脫硫塔內(nèi)通過石灰石漿液時(shí)被脫硫系統(tǒng)吸收。由于在運(yùn)行過程中，勢(shì)必要考慮經(jīng)濟(jì)成本，通過上述分析，如果將三個(gè)子系統(tǒng)考慮成一個(gè)整體進(jìn)行全局優(yōu)化，勢(shì)必給系統(tǒng)建模帶來較大困難，而且難以在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

以經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，同時(shí)滿足大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠的大氣污染物排放環(huán)節(jié)的整體優(yōu)化問題可以描述為：

目前，國內(nèi)燃煤電廠普遍是將上述三個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，或者在單個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化策略的研究，較少的文獻(xiàn)或者學(xué)者將三者統(tǒng)一納入一個(gè)整體進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要原因是：三者被控對(duì)象均為鍋爐煙氣，同時(shí)各環(huán)節(jié)的調(diào)控參數(shù)均存在耦合情況，給理論分析帶來了較大困難。同時(shí)，將三者視為一個(gè)整體系統(tǒng)后，需要優(yōu)化的目標(biāo)超過了兩個(gè)，屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題，而且系統(tǒng)具有非線性強(qiáng)、遲延時(shí)間大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的尋優(yōu)方法，例如線性規(guī)劃、梯度下降法等均難以應(yīng)對(duì)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來涌現(xiàn)出啟發(fā)式群集智能優(yōu)化算法給此類問題帶來了新的解決途徑。

多目標(biāo)優(yōu)化算法是近年來新興的群集智能優(yōu)化算法，能夠在面對(duì)多目標(biāo)約束時(shí)不必花費(fèi)高昂的代價(jià)去處理各種約束間耦合的關(guān)系，直接去求解帶約束問題的非支配解集，其中又以多目標(biāo)粒子群算法為典型代表。粒子群優(yōu)化（PSO）是由Kennedy 和Eberhart 等人于1995年提出的，該算法通過模擬鳥群和魚群的社會(huì)合作和個(gè)人競(jìng)爭(zhēng)行為，其根據(jù)群體最優(yōu)、個(gè)體最優(yōu)、慣性速度三者來引導(dǎo)粒子群進(jìn)化到全局最優(yōu)，因此該算法具有控制參數(shù)少且收斂速度快的特點(diǎn)[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，將多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用至燃煤機(jī)組大氣污染物排放綜合優(yōu)化問題中，每一個(gè)粒子包含4個(gè)變量：噴氨量、除塵器電場(chǎng)電壓、石灰石漿液pH 值、漿液循環(huán)泵運(yùn)行數(shù)量，同時(shí)多目標(biāo)優(yōu)化問題受各個(gè)污染物排放指標(biāo)的約束。由于整體系統(tǒng)變量間耦合的復(fù)雜性，決定了計(jì)算復(fù)雜度的提高，基于本文論述，應(yīng)用群集智能優(yōu)化算法來解決燃煤火電機(jī)組超低排放系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行是一種可取的途徑，針對(duì)工業(yè)過程的整體復(fù)雜程度的提升，采用協(xié)同優(yōu)化策略，將先進(jìn)的控制理念和策略應(yīng)用到傳統(tǒng)火電系統(tǒng)中，從而為電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供更多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。