变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法

本发明涉及火电机组减排控制，尤其涉及变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法。

背景技术：

1、能源资源在为人类创造巨大财富的同时也带来了一系列环境污染的问题。在各种大气污染物中，氮氧化物的污染及其造成的危害不容忽视。氮氧化物种类很多，包括n2o、no、n2o3、no2、n2o5等，统称为nox。2020年，全国氮氧化物排放量为1019.7万吨。其中，工业源氮氧化物排放量为417.5万吨，占全国氮氧化物排放量的40.9％。由于我国燃煤电站在电力行业的主导地位在未来相当长时期内不会改变，燃煤电站锅炉的nox排放问题一直是研究的热点，目前主要的减排措施有各种低氮燃烧器、分级燃烧和sncr(selective non-catalytic reduction)烟气脱硝等。

2、循环流化床(cfb，circulating fluidized bed)燃烧技术是20世纪70年代末至80年代初出现的一种清洁燃烧技术，近年来发展迅速。新建cfb机组nox排放标准不高于50mg/m3，由于循环流化床具有大迟延、大惯性特征，且nox排放耦合性强，尤其在超低负荷运行时，以往nox排放模型中都对该运行负荷避而不谈，这是因为随着cfb锅炉负荷的降低，一方面炉膛燃烧温度会整体降低，另一方面炉内物料循环量减少使炉膛上下温差增大，这将导致cfb锅炉炉膛出口烟气温度大幅降低，偏离sncr反应的最佳温度窗口，导致sncr系统的脱硝效率降低、氨氮比提高以及氨逃逸量增加，对锅炉的安全稳定运行带来危害。同时，随着新能源大规模并网，cfb作为燃煤机组重要组成部分，需要深度调峰运行以满足新能源并网的要求，但是随着负荷的变动，炉膛温度波动较大，炉内物料分布不均，造成sncr控制不佳，引起氨氮摩尔比失调，nox的排放会容易出现“波动大、瞬时值易超标”的问题。

3、现有模型可以为机组动态运行污染物排放控制提供机理基础，但数学模型均存在建模理想化，耦合性差等特点，不适用于电厂实际控制策略设计，需要根据现实条件调整模型，以适于电厂实用。因此，建立变工况下的循环流化床锅炉氮氧化物排放模型，可以为氮氧化物排放控制提供指导，进一步降低污染物控制成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，包括以下步骤：

2、步骤1：根据以即燃碳模型为基础建立的炉内自反应模型，构建循环流化床nox原始排放模型；

3、步骤2：根据原始排放nox在sncr中还原与氧化相互竞争的过程，构建炉外sncr脱硝模型；

4、步骤3：取该机组某工况下运行数小时的运行数据，代入nox排放模型进行验证；在此基础上，对给煤量、总风量进行开环阶跃试验，得到nox排放特性；

5、步骤4：考虑稳定运行、锅炉燃烧效率与氮氧化物污染物排放，制定适应于宽负荷运行和深度调峰下的循环流化床锅炉控制策略和灵活运行下氮氧化物污染物高效控制策略。

6、步骤1中的循环流化床nox原始排放模型如下：

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8、

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10、ny＝∫(nq+ng)dt

11、其中：nq为炉膛内no的均相反应速率，kg/(m3·s)；rc为即燃碳总燃烧速率，kg/s；m(no)为no的摩尔质量，kg/mol；m(c)为c的摩尔质量，kg/mol；wc为给煤量，t/h；ξhno为挥发分氮含量，％；rn为燃料氮转化率，％；vmx为炉膛内部密相区容积，m3；kno-co为反应速率常数，m3/(kmol·s)；为化学反应的机械因子，与床温和即燃碳颗粒直径强相关；m(co)为co的摩尔质量，kg/mol；ny为原始排放浓度，kg/m3；v为炉膛容积，m3；vv为挥发分质量份额，％；ng为炉膛内no的异相反应速率，kg/(m3·s)；ξjno为即燃碳氮含量，％；kno-c为no-即燃碳反应速率常数，(kg·s)-1；t为时间。

12、步骤2中的炉外sncr脱硝模型如下：

13、

14、

15、

16、

17、

18、式中，为nox还原反应的化学反应速率；为nox还原的反应速率常数；为氨气用于选择催化的比例，％；n为nox排放浓度，mg/m3，m(nh3)为nh3的摩尔质量，kg/mol；ρl为氨水质量浓度，g/m3；l为氨水流量，t/h；m(nh3·h2o)为nh3·h2o的摩尔质量，kg/mol；vy为排烟量，m3/kg，为nox还原反应修正系数；αt1为床温指数常数；为反应活化能，kj/mol；为nox生成反应的化学反应速率；为nox生成的反应速率常数；αt2为床温指数常数；t0为273.15，k，vm为气体摩尔体积；m3/mol；为反应活化能，kj/mol；为风煤比修正系数；为风煤比指数修正系数；k1为修正系数；nsncr为炉膛外sncr脱硝速率，g/(m3·s)；r为气体常数，8.319kj/(mol·k)；t为床温，k。

19、步骤3中的nox排放模型如下：

20、

21、式中，n为nox排放浓度，mg/m3；为nox还原的反应速率常数；为nox生成的反应速率常数；t0为273.15，k；为炉膛出口氧含量，％；vm为气体摩尔体积，m3/mol；为氨气用于选择催化的比例，％；m(nh3)为nh3的摩尔质量，kg/mol；ρl为氨水质量浓度，g/m3；m(nh3·h2o)为nh3·h2o的摩尔质量，kg/mol；vy为排烟量，m3/kg；ty为烟气温度，k；l为氨水流量，t/h。

22、步骤4中的灵活运行下氮氧化物污染物高效控制策略如下：

23、先通过风量与给煤量构建炉膛出口烟气氧含量模型，以烟气氧含量为中间变量搭建炉膛出口nox浓度预测模型，通过该nox浓度预测模型进行一二次风优化，并将一二次风优化的结果反馈至风量；由风量、炉膛出口烟气氧含量模型、炉膛出口nox浓度预测模型、nox排放浓度设定值、nox排放浓度实测值共同得到sncr喷氨量，再进行nox排放综合优化。

24、本发明的有益效果在于：

25、(1)本发明开发的变工况下的循环流化床nox排放模型，其精度可满足330mw循环流化床锅炉的工程实际需求；

26、(2)本发明能够掌握锅炉关键参数的动态特性与非线性特征，所建立的循环流化床nox排放机理模型取得了良好的预测效果；

27、(3)本发明所设计的nox排放浓度模型适用于宽负荷运行工况，可掌握宽负荷和快速变负荷条件下锅炉关键控制参数的预测方法。

技术特征：

1.变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，其特征在于，所述步骤1中的循环流化床nox原始排放模型如下：

3.根据权利要求2所述变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，其特征在于，所述步骤2中的炉外sncr脱硝模型如下：

4.根据权利要求3所述变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，其特征在于，所述步骤3中的nox排放模型如下：

5.根据权利要求1所述变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法，其特征在于，所述步骤4中的灵活运行下氮氧化物污染物高效控制策略如下：

技术总结
本发明公开了属于火电机组减排控制技术领域的变工况下的循环流化床氮氧化物排放建模与优化控制方法。具体如下：根据以即燃碳模型为基础建立的炉内自反应模型，构建循环流化床NO<subgt;x</subgt;原始排放模型；根据原始排放NO<subgt;x</subgt;在SNCR中还原与氧化相互竞争的过程，构建炉外SNCR脱硝模型；取该机组某工况下运行数小时的运行数据，代入NO<subgt;x</subgt;排放模型进行验证；对给煤量、总风量进行开环阶跃试验，得到NO<subgt;x</subgt;排放特性；制定适应于宽负荷运行和深度调峰下的循环流化床锅炉控制策略和灵活运行下氮氧化物污染物高效控制策略。本发明能够掌握锅炉关键参数的动态特性与非线性特征，所建立的循环流化床NO<subgt;x</subgt;排放机理模型取得了良好的预测效果。

技术研发人员：高明明,郭炯楠,刘博通,高宇,傲奇,李凯,岳光溪
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16