摘要：为了在满足环保排放标准的条件下，降低火电机组脱硝成本，本文针对某320MW燃煤机组的选择性催化还原（SCR）脱硝系统，建立了度电脱硝成本的计算模型。该模型将脱硝成本分为固定成本和变动成本两部分，度电固定脱硝成本包括折旧成本、会计成本、催化剂更换成本、大修成本、人工成本、补偿电价、其他成本，度电变动脱硝成本包括电耗成本、喷氨成本、排污成本。以度电脱硝成本作为评价指标，利用支持向量机与粒子群耦合算法建立了脱硝系统运行优化模型，对脱硝系统进行了全负荷段优化。结果表明，预测模型能精确预测度电脱硝成本，最高相关系数可达99.9011%；经模型优化后，脱硝所需喷氨量降低至0.1578t/h，度电脱硝成本显著降低，系统经济性得到提高，可用于指导电厂经济运行。
关键词：选择催化还原；度电脱硝成本；算法；优化运行
SCR脱硝反应器催化剂入口截面烟气流量的均匀性和氨浓度分布对烟气脱硝效率和氨逃逸率有重要的影响,因此,当前锅炉脱硝反应器本身的变换和相关连接管道优化设计,是为了使催化剂层入口截面上的速度分布的标准偏差小于15%,氨浓度分布标准偏差小于5%。为此，笔者在优化设计导板的基础上，采用FLUENT软件对SCR脱氮反应器的320mw燃煤锅炉烟道进行了数值模拟，并对导板设计布局方案进行了数值模拟。
1.概况
1.1研究对象
研究对象为某电厂320MW机组，该机组的锅炉特点：亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、液态排渣、露天布置、全钢构架的∏型汽包炉。脱硝系统采用选择性催化还原技术（SCR），反应器和催化剂采用“2+1”层布置，即安装两层催化剂，预留一层布置的空间，每个SCR反应器设计3层催化剂，每层安装60个模块，耐磨层放置在催化剂前端，以减弱飞灰对催化剂的冲刷作用，层之间空间高度为3.0m。脱硝流程如图1所示。设计脱硝效率为80%，处理烟气量为1300000m3/h（干基，6%O2），入口NOx浓度为500mg/m3，出口NOx浓度小于50mg/m3（超洁净标准）。脱除剂为液氨，催化剂采用以TiO2为载体，V2O5-WO3为活性成分的国产18孔蜂窝式催化剂，系统布置方式为高温高尘布置，烟气从烟气省煤器出来后经过整流栅后进入催化剂层，然后进入空预器、布袋除尘器、引风机和脱硫装置后，排入烟囱。系统由带催化剂的SCR反应器、喷氨装置、稀释风机、氨蒸发器、氨储备供应系统、烟道、阀门等组成。
图1脱硝系统流程
珠江电厂4×320MW脱硝系统采用选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺。采用单炉体双SCR结构、高灰型布置方式，即反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间，不设旁路。催化剂层数按2＋1模式布置，初装2层预留1层，在设计煤种及校核煤种、锅炉最大连续出力工况（BMCR）、处理100%烟气量、在布置2层催化剂条件下脱硝效率不小于80%。增加到3层催化剂脱硝效率不小于85%（其中#1、#2炉在2014年已实施，#3、#4炉计划于2015年实施）。
脱硝催化剂采用平板式催化剂，初装2层由日本Babcock Hitachi公司（日立公司）生产，加装层由北京迪诺斯公司生产。反应器安装双吹扫装置，即蒸汽吹灰器和声波吹灰器。氨气来源为尿素热解制氨。
脱硝系统主要组成及流程：
SCR脱硝工艺系统分为尿素溶液配制系统、热解制氨系统、SCR反应器系统。
广州珠江电厂四台机烟气脱硝装置氨气来源为尿素溶液热解制氨。每台炉配备各自的电加热器、热解炉及其尿素溶液喷射控制系统。四台炉公用的尿素溶液制备间设有并列的两个制备罐和两用一备的三台输送泵，并列的两个储备罐和四台尿素溶液循环泵，其中C、D两台互为备用的循环泵供Ⅰ期的#1、#2炉，A、B两台互为备用的循环泵供Ⅱ期的#3、#4炉。另还配备两台互为备用的疏水泵，两台互为备用的废水泵。尿素溶液输送进热解炉后，生成氨气和来自锅炉省煤器出口的烟气混合后进入SCR反应器，通过催化剂作用将烟气中氮氧化物还原成氮气，最终通过出口烟道回至锅炉空预器，达到脱硝的目的。
脱硝系统还原剂为氨，又称氨气，分子式为NH3，无色透明有刺激性臭味，具有毒性。在标准状态下，其密度为0.771kg/m3，常压下的沸点为－33.41℃，临界温度为132.5℃，临界压力为11.48MPa。在常温常压下1体积水能溶解900体积氨，溶有氨的水溶液称为氨水，呈弱碱性。氨气与空气或氧气混合能形成爆炸性气体，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，爆炸下限为15.7%，爆炸上限为27.4%，引燃温度为651℃。
尿素热解主要化学反应式如下：
CO(NH2)2 300°C~650°C→ NH3 + HNCO
HNCO + H2O 300°C~650°C→ NH3 + CO2
脱硝过程主要化学反应式如下：
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O
6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O
6NO+4NH3 → 5N2+6H2O
1.2均流方案设计
活跃的锅炉单元SCR烟气脱硝改造,由于脱硝反应器和烟道布置空间是有限的,成本,等等,烟道优化布局的空间较小,目前,主要通过设置烟道弯头导流板和导流板的优化结构来实现流和氨浓度均匀分布的目的。
1.3网格模型
采用Gambit软件对SCR系统进行了1:1的建模。烟气流动方向为X轴，烟道宽度为Y轴，高度方向为Z轴。根据系统的实际情况，在建模和仿真中进行了以下简化:假设气体入口速度是均匀的;氨注射用垂直平面模拟。将稳定流动装置和催化剂层简化为均匀多孔结构;利用多孔介质模型模拟了多孔结构区域内的流体压降。模型的整个区域被六面体网格划分，以提高迭代精度。在美国国际集团，由于复杂的结构，流体的混合物是强烈的，而四面体网格被用来减少伪扩散和复杂流场的计算。具体网格如图2所示。
图2模型网格
2.CFD模拟
在数值模拟的导流板烟道流场的不同布置下，采用FLUENT软件，对烟气流动场的不同布置和氨浓度分布的影响进行了分析。利用预处理软件GAMBIT完成尾气流量和催化剂分布区域的建模和网格划分，将数字范围划分为多块混合网格格式。
2.1数学模型
采用反应器计算模型模拟湍流流动模型。通过混合烟和氨水混合的方法模拟了各种物质的混合输运模型。利用多孔介质模型对催化剂的蜂窝结构进行了模拟。在文献中描述了每个方程的数学描述。
2.2边界条件
该模拟主要研究320ＭＷ燃煤锅炉机组在ＢＭＣＲ工况下的流动与氨浓度分布．ＢＭＣＲ工况下锅炉的烟气流量为1344203ｍ3•ｈ－１，烟道入口烟气流速为21ｍ•ｓ－１，喷氨速度为21ｍ•ｓ－１；设置烟道出口为压力出口边界条件，固体壁面和导流板设为ＷＡＬＬ；烟气成分和计算边界条件如表1,2所示．
表1烟气各种成分的质量百分比
表2边界条件
3.混沌粒子群成本优化模型
基于数据驱动的运行优化是在不改变系统结构的前提下，以DCS采集的历史运行数据为基础，利用数学方法寻求对应于经济性最佳的运行方案，指导电厂实际运行，从而达到提高电厂经济性的目的。
3.1粒子群算法原理
粒子群优化(PSO)particleswarmoptimization,是一个肯尼迪和埃伯哈特在1995年IEEE国际会议上提出了一种新型的智能优化算法。它利用“群体”和“进化”的概念，通过个体之间的协作和竞争，从复杂的空间中获得最优的解决方案。优化原理如下：假设有N个粒子组成一个在N维空间中存在的目标搜索空间，如式(1)。
（1）
空间中所有粒子的存在是一个可能的解决方案。通过计算目标函数的适应度，通过搜索空间的适应度来判断粒子的大小。同时，写下整个粒子群一直在寻找的最优位置。Pg =(Pg, 1, Pg, 2…粒子群中粒子的更新迭代公式。式(2)。
（2）
它通常被选择为粒子群搜索到的最大迭代次数或最佳位置，以满足粒子群算法的迭代终止条件下的预定最小值适应阈值。
3.2混沌粒子群算法
基本的粒子群算法因其突出的优点被广泛应用，但是由于其初始化子群和进化过程都是随机的，使得局部最优解和全局最优解的更新存在一定的盲目性，容易陷入局部最优解。提出了一种基于混沌优化的混沌粒子群优化算法。算法的基本思想是首先引入混沌优化变量，使其处于混沌状态，产生一个具有相同数量的优化变量的混沌变量，然后直接使用混沌变量进行搜索优化。本文利用的混沌系统是Logistic方程，如式(3)。
（3）
混沌粒子群算法不仅能够保存基本粒子群算法的特性优点，而且在此基础上能够帮助惰性粒子脱离局部极小点，改善寻优中容易产生局部最优的问题，使得算法可以快速搜索寻找最优解。
3.3脱硝成本优化结果分析
利用混沌粒子群算法对建立的度电脱硝成本优化模型进行优化计算。图3为算法优化迭代图。由图可见，模型是收敛的，粒子群随着迭代次数增加逐渐趋于稳定，喷氨量由初始值为0.1716t/h，之后不断下降，最终在第36代时稳定在0.1578t/h。
图3喷氨量优化迭代
为了更直观地观察到脱硝系统经过优化后的成本变化，根据度电脱硝成本优化模型计算出中负低氮组实际数据的各项变动成本，并与优化后的各项变动成本进行对比，结果如图5所示。由图5可见，各项变动成本优化前后均有变化，其中脱硝电耗成本减少了0.2509×10–3元/(kW•h)，喷氨成本减少了0.3235×10–3元/(kW•h)，而氮排放污染成本增加了0.0356×10–3元/(kW•h)。由于度电固定脱硝成本不会改变，经过优化后总体上度电脱硝成本减少了0.5388×10–3元/(kW•h)。
4.试验结果与分析
4.1优化前、后压降对比
图4为优化前后系统的压降。可见,由于流速不均匀的催化剂层,原系统压降主要集中在该地区的反应堆,反应堆进口和出口压力下降高达500 pa,烟道压降主要发生在速度变化越大,大小头,手肘的位置在反应堆烟道压降约300 pa。首先烟道转移优化、分流场更好,减少压降约200 Pa,催化剂层的压降下降到100 Pa,Pa减少整个系统的压降从1155.8到549.2 Pa,这是因为导向装置烟气回流的作用下,不平等的速度降低压降,优化系统压降满足操作要求的不到900 Pa,引风机的能源消耗减少。
图4优化前、后系统压降
4.2变负荷运行
调压机组变负荷运行中烟气和风量的变化对SCR系统的运行有很大的影响。图4为优化系统不同负载下系统的压降。可以看出,不同负载下系统压降相同的变化趋势,反应堆之前烟道压力降的总压力降的比例较大,负荷的损失,系统压降逐渐较小,在50%加载操作对整个压力降到126.6 Pa。在不同载荷下，优化方案的速度偏差系数小于15%。考虑到压降和速度均匀性，优化方案适合于变负荷运行。
结论
导流板布置和脱硝反应器催化剂层对氨浓度分布的均匀流动具有明显的影响，在每个弯头中加入合理的导流板，可大大提高烟道流场的分布均匀性，从而使反应器的脱硝效率提高。喷氨格栅前后入口导流板分别安排在1级的催化剂氨浓度分布和速度分布流场的均匀性有重要影响的导流板前的氨在催化剂层注入网格布局1氨浓度场分布,和导流板后氨注入网格布局一级催化剂层速度流场分布影响较大。
参考文献:
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论文作者:曾从海
论文发表刊物:《电力设备》2018年第6期
论文发表时间:2018/6/27
标签：催化剂论文; 成本论文; 烟气论文; 粒子论文; 系统论文; 反应器论文; 模型论文; 《电力设备》2018年第6期论文;