1000MW燃煤机组烟尘浓度低排放控制模型研究

随着中国工业进程的进一步推进，各类能源化工类企业兴建，经济建设发展的同时也带来了高能耗和高污染，燃煤机组烟气排放对现在愈演愈烈的“雾霾天”同样也有着密切关联。为进一步响应国家节能环保号召，浙江省所有大型机组计划逐步展开低排放改造，通过多污染物协同控制技术，使燃煤机组的大气主要污染物排放标准达到天然气燃气机组的排放标准。 
　　嘉兴三期#7、#8机组为*台低排放示范改造的1000MW临界燃煤机组，分别于2011年6月、10月建成投运，同步配套建有SCR脱硝装置、干式静电除尘器及石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统，改造前机组稳定运行。通过对脱硫、除尘及脱硝系统进行改造，以期达到以下排放标准： 
　　本文主要针对改造后的低低温电除尘工作特点对新增的管式GGH系统工作原理和电除尘进口烟气温度控制思路进行阐述，结合管式GGH厂家资料对电除尘进口烟气温度控制模型进行研究，实现机组烟尘浓度低排放。 
　　一、系统构成 
　　嘉兴三期低排放改造项目主要增加管式GGH系统、湿式电除尘系统，并对现有脱硫系统和脱硝系统进行改造，降低污染物的排放，消除电厂烟囱冒白烟现象，实现机组环保运行。机组改造前后系统结构对比如图1所示。改造后的系统中电除尘本体除尘功能进一步提升，并通过增加的管式GGH系统调节电除尘进口烟气温度，充分发挥电除尘工作能力。 
　　1、除尘改造 
　　通过结构对比可以看出机组整个烟气通道增加了管式GGH的冷却器、加热器以及湿式电除尘。为终排放烟尘含量，还专门针对干式电除尘进行改造，主要包括： 
　　（1）将原有工频电源改造为高频电源，可有效防止电场内反电晕的产生，在节能的同时可以提高除尘效率； 
　　（2）绝缘加热部分进行改造，增加热风吹扫装置，增强绝缘子加热效果，正常运行时只投入热风吹扫即可满足要求，可有效降低电耗； 
　　（3）灰斗加热器改造，拆除原有的电加热，所有灰斗全部更换为辅助蒸汽加热，可有效降低电耗。 
　　由于在干式电除尘入口处增加GGH烟气冷却器，降低进入电除尘本体烟气温度，因此在改造后的系统中被命名为低低温电除尘。降低低低温电除尘进口烟气温度，可以有效防止电除尘器发生电晕；温度降低后烟气流速也相应减小，在电除尘器内的停留时间有所增加，电除尘装置可以更有效地对烟尘进行捕获，从而达到更好的除尘效果。 
　　增加湿式电除尘可以降经过吸收塔的烟气中所含烟尘进一步吸收排出，终实现烟尘浓度低排放。 
　　2、管式GGH系统 
　　增加管式GGH冷却器，降低低低温电除尘进口烟气温度，提升低低温电除尘工作效率。 
　　增加管式GGH加热器则可将经过冷却器后降温的烟气加热至合理温度，并补偿由于湿式电除尘水冲洗所带走热量，以确保在进入烟囱排放前提升烟气温度，可以避免排烟温度过低导致SO3在烟囱出口直接凝露。 
　　管式GGH系统烟气冷却器与加热器之间通过热媒水系统进行热交换，在机组启动前及负荷较低情况下通过辅助蒸汽对热媒水系统进行加热，以烟囱入口烟气温度在合理范围。 
　　3、热媒水系统 
　　两级换热器之间的换热通过闭式循环的热媒水实现，通过热媒水泵驱动，如图2所示。循环热媒水量为1330t/h（100%BMCR工况），系统设置热媒水旁路，通过调节热媒水流量将烟气冷却器出口的烟气温度控制在电除尘允许技术参数范围内，以满足低低温电除尘器入口烟气温度的要求，在电除尘设备不被腐蚀的情况下提升除尘效果。为机组在低负荷工况下烟气加热器出口烟气温度不低于80℃，管式GGH系统增设热媒水辅助蒸汽加热系统对热媒水进行预加热，可以有效避免启动初期烟气温度低烟气加热器效果不明显的影响，即图2所示管式GGH蒸汽加热器。 
　　二、控制要点分析 
　　机组运行期间，负荷基本维持在50%以上，管式GGH冷却器进口烟温均大于100℃，部分工况接近120℃，蒸汽加热器在正常运行过程中处于隔离状态。低低温电除尘进口烟温控制主要通过ABC通道热媒水进口调节阀、DEF通道热媒水进口调节阀和热媒水旁路调节阀来实现，及图2中调节阀A、调节阀B和调节阀C。热媒水是整个换热过程的关键介质，要控制低低温电除尘进口烟温在值，热媒水流量和温度是重要控制参数。结合以上情况，低低温电除尘进口烟气温度控制存在以下关键点。 
　　1、调节阀A、B、C任何一个阀门开度变化都会对冷却器进口热媒水流量产生影响，如果三个阀门动作优先级相同则会出现耦合现象使自动调节处于振荡状态，因此必须确定主要调节和次要调节的阀门，在一定工况小范围浮动下，作为主要调节手段的阀门应基本维持在一定开度范围内。 
　　2、调节阀A和调节阀B在调节方向上保持一致，且均与调节阀C方向相反。 
　　3、控制低低温电除尘进口烟温实际是通过调节冷却器进口热媒水流量实现，冷却器A～F热交换管道呈蛇形弯管布置，阻力较大，调节阀C动作时对经过调节阀A和调节阀B热媒水流量影响十分明显。 
　　4、热媒水系统设计流量在BMCR工况下为1330t/h，但在自动调节过程中可能会出现系统热媒水流量过小情况影响设备安全运行，应设置相关逻辑小流量以保护系统正常运行。 
　　5、机组运行过程中发现管式GGH进口烟温时常会过140℃，高于热媒水系统设计参数，正常系统运行中1400t/h热媒水流量仍然无法使低低温电除尘进口烟温在较低水平，此种情况可通过开启管式GGH蒸汽加热器手动旁路以增加整个系统热媒水流量迫使低低温电除尘进口烟温降低。6、在机组实际运行参数高出设计参数较多情况下，热媒水全部经过冷却器通道仍无法降低低低温电除尘进口烟温时，温度正向偏差过常规限值时都应保持温度控制在自动状态。 
　　三、控制策略模型 
　　通过对热媒水系统结构和控制要点进行分析，基本确定以调节阀C作为辅助调节手段，而调节阀A和B则作为主要手段，为避免三个调节阀在自动过程中出现振荡现象，调节阀C主要热媒水总流量在合理范围以维持热媒水系统稳定运行。机组运行过程中管式GGH进口烟温与机组负荷大基本呈线性关系，在高负荷阶段空预器出口烟温较高，烟气冷却器进口热媒水流量处于较高水平，此时调节过程容易达到平衡。在低负荷阶段空预器出口烟气温度偏低，则需要降低管式GGH进口冷却器进水流量，由调节阀C增大开度来维持调节阀A、B减小开度所带来整体流量减小以维持系统平衡，调节阀C控制逻辑如图4所示。启动前按照系统设计要求，通过蒸汽加热器将热媒水加热至一定温度，尽量提高锅炉投煤时电除尘进口烟气温度。 
　　调节阀A和调节阀B控制低低温电除尘进口烟温，调节阀A控制冷却器A、B、C通道出口温度，调节阀B控制冷却器D、E、F通道出口温度。由于六台冷却器呈水平布置，因此处于中间位置的C、D通道进口烟温高，B、E次之，而处于两侧的A、F通道进口烟温低，且偏差较大。在单侧调节中单个调节阀动作只能同时调节三个通道热媒水流量，为低低温电除尘效果且保护干电除尘设备，可以将三个通道出口烟温三取中作为被控量，且将设定温度往较高方向靠拢。同时可以通过关小靠边侧热媒水通道进口手动阀门来进行二次流量分配，尽量使单侧三个通道出口烟温处于相当水平。由于温度调节本身的滞后性，一般PID积分时间较长，为适应管式GGH进口烟温突然变化，加入出口烟温实际值与设定值偏差的前馈控制，加快相应速度。 
　　为系统安全，针对进口调节阀A、B和旁路调节阀C均设计相应闭锁逻辑。 
　　1、 图3中Ta、Tb、Tc为单侧冷却器出口烟温，在送入PID模块前进行数据处理，常用“三取中”模式；Fv指对应进口调节阀阀位反馈。 
　　2、 图3中T1为PID模式由自动切手动条件，包含质量判断、热媒水总流量F小于900t/h和T2条件。 
　　3、 图3中T2为热媒水泵运行过程中冷却器温度过高。 
　　4、 图3中T3为热媒水泵运行过程中热媒水给水总流量F小于900t/h。 
　　5、 图4中F为热媒水总流量，嘉兴电厂该测点安装于管式GGH加热器进水水母管；Fc为旁路调节阀阀位反馈。 
　　6、 图4中T4为PID模式切至手动条件，包含内容类似于T1；图4中T5、T6均可参照图3的T2、T3进行设置。 
　　由于热媒水系统运行各项参数主要根据改造前空预器出口烟气温度以及流量进行设计，为避免系统运行情况恶化，在控制模型设计过程中必须根据设计料对温度设置及流量设置范围进行限制。 
　　四、控制效果分析及改进建议 
　　机组在稳定运行及负荷调整过程中，调节阀A、B、C自动调节都能够将管式GGH出口烟温控制在合理范围内，且系统响应速度快，切实有效低低温电除尘效果，终实现烟尘浓度在低排放的合格范围内，该控制模型适合在相同结构低排放改造及新建机组中进行推广应用。 
　　根据热媒水系统阀门布置情况分析，低低温电除尘进口两侧对称布置的三路通道烟气温度均呈递增关系分布，而热媒水温度是相同的，因此在调节过程中电除尘各电场进口烟气温度很难达到同一水平，如图2所示。如果能够将热媒水泵出口至冷却器六路冷却水管道用三个调节阀进行控制，每个阀门控制对称的两路通道，即A-F、B-E、C-D各使用一个调节阀进行温度调节，可以使电除尘进口温度厂更加平衡，并且能够更快适应各种不同工况下的变化。无论是在避免电除尘设备腐蚀还是低排放参数上都有更好的效果。