Hybridné – dopredné riadenie denitrifikácie spalín kotlov

• Foto

ÚVOD

Predmetom pojednávania v tomto príspevku je realizované sofistikované riešenie riadenia denitrifikácie spalín dvoch kotlov PK4n a PK4s v spoločnosti Tepláreň Košice, a.s., za účelom zníženia emisií NO_x podľa požiadaviek legislatívy pre ochranu ovzdušia.

V prípade jedného z kotlov - PK4n pred inováciou bola sekundárna denitrifikácia na kotli pomocou nekatalytickej metódy nevyhovujúca pre plnenie ochrany ovzdušia podľa požadaviek legislatívy, preto bola sekundárna denitrifikácia nahradená metódou katalytickou (SCR) s použitím katalyzátorov. Reakčným činidlom – reagentom je použitý vodný roztok amoniaku - čpavok.

Pred inováciou bolo jestvujúce technické riešenie denitrifikacie riešené pomocou metódy SNCR. Zabezpečovalo zníženie emisií NO_x v spalinách z hodnoty cca 750 mg/Nm³ na hodnotu za kotlom cca 400 mg/Nm³. Po inovácii zabezpečuje denitrifikácia 200 mg/Nm³.

Opatrenia pre zníženie emisií, ktoré boli aplikované na obidvoch kotloch ako na kotli PK4n tak aj na kotli PK4s sú plnené pomocou technológie SCR reaktorov, ktoré čistia odchádzajúce spaliny pomocou selektívnej katalytickej redukcie Selective Catalytic Reduction (SCR).

OPIS A INTEGRÁCIA ENERGETICKÝCH ZARIADENÍ KOTLOV V TEPLÁREŇ KOŠICE, a.s., AKO RIADENÉHO SYSTÉMU

Celková schéma radenia energetických zariadení kotlov PK4s a PK4n v spoločnosti Tepláreň Košice, kde tieto vyššie-uvedené inovácie boli projektované, realizované a aplikované sú znázornené na základnej blokovej schéme - obr. 1. Každý z týchto dvoch kotlov má svoj systém denitrifikácie, spoločné čpavkové hospodárstvo, má dve spoločné linky odsírenia, bypassové spalinové klapky, systémy elektroodlučovačov, systémy suchého a mokrého odberu popola apod. V ďalšom sa sústredíme sa na časť denitrifikačných procesov spalín.

OPIS SYSTÉMU SCR

Systém SCR:

• je už bežne dostupnou technológiou,
• je najúčinnejšiou z hľadiska vysokej úrovne ochrany životného prostredia,
• spoľahlivo zaistí požadované limity emisí NO_x i z vyšších vstupních hodnôt emisí NO_x – a taktiež umožňuje spalovanie paliva s vyšším obsahom dusíku Ndaf ,
• má vyššie investičné náklady,
• má nižšie prevádzkové náklady - dosahuje nižšiu spotrebu reagentu – bežne sú tieto spotreby o cca 50% nižšie, než u systémov SNCR,
• spoľahlivo zaistí plnenie čpavkového skĺzu (obsah čpavku v úletových spalinách) a tím obsahu čpavkových solí v úletovém popole (hygienické predpisy),
• umožní dosiahnutie lepších ekonomických výsledkov pri optimálnom nastavení spaľovacieho procesu v kotli (nižšie nedopaly, vyššia účinnosť).

Systém SCR sa skladá z:

• vlastných keramických katalytických vložiek, umiestnených v prúde spalín kotla,
• hospodárstvo reagentu – skladovacia a stáčacia technológia čpavku,
• technológia riadenia a prípravy reagent,
• technológia riedenia a odparovania a vstriekovania reagentu do prúdu spalín,
• technológie čistenia katalytických vložiek v spalinách – akustické čistenia.

Charakteristika procesu SCR
Technológia SCR predstavuje nejvyspelejšiu, osvedčenú a dnes už rozšírenú technológiu na redukciu NO_x v odchádzajúcich spalinách. Technológia je založená na rozprášovaní reagentu pred katalyzátormi, ktoré sú umiestnené v žiadanom teplotnom okne, kde prebiehajú už pomerne známe chemické reakcie vedúce k rozkladu NO_x na dusík (N₂) a vodu (H₂O) podľa známych chemických vzorcov.

V rámci optimalizácie a návrhu technológie SCR je nutne brať do úvahy nielen vstupnú hladinu NO_x a žiadanou výstupnou koncentráciou NO_x, ale súčasne i koncentraciu čpavkového skĺzu vo výstupných spalinách. Súčasná žiadaná maximálna koncentrácia skĺzu v odchádzajúcich spalinách = 30 mg/Nm³.

Reagent
Pre metódu SCR sa používa reagent vo forme 25% vodného roztoku amoniaku, ktorý je odoberaný z novo-vybudovaného čpavkového hospodárstva umiestneného mimo kotolne.

Technológia riadenia a prípravy reagentu
Reagent je dopravovaný pomocou čerpadiel k novej riadiacej jednotke – Hybridné-dopredné (H-D) riadenie prietoku čpavku. Riadiaca jednotka je riadená redundantným riadiacim systémom podľa aktuálnych meraných parametrov spalín nie za a pred katalyzátorom, ale z AMS príslušného kotla a korigovaná z meraných údajov z AMS za odsírením spoločné pre obidva kotle. Na základe týchto parametrov riadi potrebné množstvo vstrekovaného čpavku a príslušné množstvo privedenej nízkotlakej páry použitej pre ohrev a odparenie reagentu a ohrev riediaceho vzduchu pre ľahké rozprašovanie.

Technológia riedenia, odparovania a vstriekovania reagentu do prúdu spalín
Reagent je ohrievaný a odparovaný privedenou parou vo výmeníku. Následne je reagent vedený do zmiešovacieho modulu s ohriatým riediacim vzduchom pre ľahké rozprašovanie. Riediaci vzduch je najprv vháňaný do výmeníka para/vzduch pomocou vzduchových ventilátorov (dúchadiel). Ohriatý riediaci vzduch je následne vedený do zmiešavacieho modulu. Reaktor je navrhnutý pre dve činné vrstvy a prípravu pre inštaláciu vrstvy záložnej.

Čistenie katalyzátorov
Pre udržovanie čistoty reakčného povrchu vrstiev katalyzátorov od popola a ďalších úsadenín vytvorených zo spalín boli použité akustické ofukovače. Pracovným médiom pre ofukovače je tlakový vzduch. Výhodou akustických ofukovačov pred parnými sú nižšie investičné a prevádzkové náklady a menší požadovaný priestor. Činnosť ofukovačov je nastaviteľná podľa prevádzkových stavov a podmienok na kotli.

Čpavkové hospodárstvo a skladovacie nádrže
Hlavnými komponentami sú stáčacie čerpadlá, dve nádrže, dopravné čerpadlá, prepojovacie potrubie a príslušné zabezpečovacie zariadenie. Stáčacie i dopravné čerpadlá sú zdvojené, jedno slúži vždy ako prevádzkové a druhé slúži ako záložné.

Pre projekt je použitý ako reagent 25% čpavok. Skladovanie vodného roztoku je samo o sebe bez nebezpečia výbuchu. Akurát vo vnútri zásobníkov sa považuje za Zónu 0 podľa ATEX. Bezpečnostné opatrenia, ktoré sú vyžadované pre skladovanie vodného roztoku sa skladá z osobných ochranných pomôciek (dýchacia maska s filtrom, ručné rukavice, gumenná obuv) zariadenie pre výplach očí a bezpečnostnú sprchu. Systém sledovania úniku čpavku sa skládá zo senzorov citlivých na čpavok, signalizačné zariadenia a akustické signalizačné zariadenia. Pre nádrž a stáčacie miesto je vytvorená bezpečnostná jímka s preplachovaním dusíka.

Reagent – čpavok je dodávaný v autocisternách, z ktorých sa stáča do vonkajšej uskladňovacej nádrže. Cisterna po napojení na strane kvapaliny aj na strane plynu je vyprázdňovaná čerpadlom v stáčacej stanici. Ak má autocisterna vlastné čerpadlo, stáčanie do nádrží prebehne obtokovým potrubím okolo čerpadiel.

S ohľadom na zabezpečenie prevádzky a výhľadové pripojenie dvoch kotlov sú realizované dve uskladňovacie nádrže. Uskladňovacia nádrž s obsahom 80 m³ je horizontálna, dvojplášťová, usadená na dvoch stojkách.

Dopravné čerpadlá umiestnené v blízkosti nádrže prečerpávajú čpavok do dávkovacích zariadení, umiestnených v blízkosti denitrifikačných zariadení v kotolni.

Dávkovacie zariadenia riadia prietok čpavku do rozprašovacích trysiek podľa týchto impulzov: koncentrácia NO_x v prívodných spalinách, koncentrácia vo vystupujúcich spalinách a prietok spalín.

Riadenie zabezpečuje nová riadiaca jednotka systému individuálne pre pravú a ľavú stranu katalyzátorov s automatickým rozvažovaním. 

OPIS HYBRIDNÉHO - DOPREDNÉHO RIADENIA PRIETOKU ČPAVKU

Opis princípu spracovania meraní a opis meracích kanálov NO_x spalín
Ako hlavný a jediný článok meracích kanálov sú AMS systémy. V aplikácii sú implementované tri AMS systémy a to AMS_PK4n pre kotol PK4n, AMS_PK4s pre kotol PK4s a AMS_ODS za odsírením pred komínom ako jedno hlavné a spoločné AMS pre obidva kotly.

Z každého AMS sú privedené údaje do riadiaceho systému denitrifikácie. Z AMS príslušného kotla prichádzajú merania do riadiaceho systému a to ako v “surovom” stave tak aj meranie NOx, ktoré je vypočítané v AMS a teda platné pre legislatívne emisie a zároveň prichádzajú do riadiaceho systému aj stanovené emisné limity NO_x.

Merania emisií na výstupe kotlov za technológiou denitrifikácie ako zdroj dát sú privádzané stále iba z jednej strany a to buď ľavej, alebo pravej strany spalinovodov obidvoch kotlov. Pri tomto spôsobe získavania údajov o množstve oxidov dusíka nie sú inštalované prevádzkové merania NOx spolu s ďalšími pridružnými meraniami, ktoré by so sebou prinášali nepresnosti a taktiež nekonzistenciu údajov prichádzajúcich z rôznych zdrojov. Takto sa získava výhoda presnosti merania, jednoznačnosti informácií a zároveň aj optimalizácia investičných a prevádzkových nákladov.

Takéto riešenie má však aj nevýhody a to najmä z pohľadu riadenia. Ako jedna z nevýhod sa považuje vznik dopravných oneskorení pri meraniach emisií, čo spôsobuje väčšiu náročnosť pri reguláciach a riadení predmetných denitrifikačných technologických celkov, aby sa dosahovali potrebné emisné limity.

Dopravné oneskorenia v tomto prípade sa rozlišujú z troch pohľadov: (1) z pohľadu vzniku dopravných oneskorení vzhľadom na umiestnenie AMS systémov (vo väčšine prípadov sú priestorovo ďalej od technológií denitrifikácií) – technologické oneskorenie, (2) z pohľadu vzniku dopravných oneskorení pri samotnom prepínaní meraní z ľavej a pravej strany spalinovodov a (3) z pohľadu vzniku dopravných oneskorení pri samotnom spracovaní meraní od senzorov až po ukončenie vyhodnotenia meracích kanálov v samotnom riadiacom systéme. Tieto tri dopravné oneskorenia sa sčítavajú a dávajú výsledok rádovo až niekoľko minút, čo v oblasti riadenia je takéto riadenie náročnejšie.

Každý merací kanál obsahuje rôzne bloky spracovania meraní ako sú filtre, bloky kĺzavých priemerov, bloky spracovania meraní pri prepínaní z ľavej na pravú stranu spalinovodov a opačne, predikčné bloky na generovanie NOx z inej strany spalinovodov ako práve meranej a mnohé ďalšie bloky.

Opis princípu riadenia denitrifkačného procesu spalín
Bloková schéma celkového riadenia denitrifikačného procesu je znázornená na obrázku 2. Po spracovaní a vyhodnotení všetkých predmetných meraní z AMS a technológie denitrifikácie je základné riadenie kaskádne (vnorené riadenie pozostávajúce zo šiestich základných častí:

1. primárny-master regulátor NO_x,
2. blok výpočtu množstva čpavku,
3. blok rozhodovania a doprednej regulácie,
4. sekundárny-slave regulátor množstva čpavku,
5. rozvažovanie ventilom pre zástrek odpareného čpavku na ľavej strane a
6. rozvažovanie ventilom množstva odpareného čpavku na pravej strane.

Primárny-Master regulátor na základe získanej limitnej hodnoty emisie NO_x na výstupe z príslúchajúceho kotla generuje v automatickom režime množstvo čpavku potrebné pre zástrek s prihliadnutím na množstvo emisií NO_x.

Limitná hodnota emisií z príslušného kotla je získaná z AMS príslušného kotla a to prepočtom podľa výkonu v uhlí a výkonu v plyne na základe známych vzorcov.

Výpočtový blok výpočítava množstvo potrebného čpavku na zástrek a to na základe (1) meranej hodnoty NO_x, (2) požadovanej limitnej hodnoty NO_x a (3) množstva spalín z príslušného kotla. 

Rozhodovací blok rozhoduje aká korekcia množstva čpavku a za akých podmienok sa k generovanej hodnote z výstupu master regulátora pripočíta a taktiež rozhoduje za akých podmienok a aká hodnota množstva čpavku sa pripočíta vzhľadom na informácie (1) NO_x z AMS_ODS na výstupe odsírenia resp. za odsírením a tiež (2) z limitnej hodnoty emisií výpočítavanej v AMS_ODS podľa výkonových úrovni obidvoch kotlov. Sumárna korigovaná hodnota od (a) primárneho regulátora, (b) výpočítavanej hodnoty a (c) korigovanej hodnoty z AMS_ODS vstupuje ako požadovaná veličina do Sekundárneho regulátora, ktorý následne generuje otvorenie ventilu množstva čpavku do odparovača.

Na obrázku č. 3 je uvedená hlavná obrazovka na operátorskom pracovisku HMI pre denitrifikáciu spalín pre kotol PK4n. Podobná obrazovka je aj pre PK4s a ostatné obrazovky pre jednotlivé časti denitrifikačných procesov.

Zhrnutie hlavných výhod a nevýhod hybridného- dopredného riadenia je uvedené v tab. 1.

Tab. 1 – Zhrnutie hlavných výhod a nevýhod hybridného – dopredného riadenia denitrikácie

VYHODNOTENIE HYBRIDNÉHO-DOPREDNÉHO RIADENIA

V ďalšej časti tejto kapitoly príspevku sa nachádzajú trendy z regulácií emisií NO_x na kotle PK4n pomocou H-D riadenia. Jednotlivé farby predstavujú tieto veličiny:

• žltá = hodnota emisií NO_x nameraná z AMS_PK4n,
• biela = akčný zásah sekundárneho regulátora množstevného prietoku čpavku,
• modrá = hodnota výpočtu z výstupu výpočtového bloku,
• fialová = prietok zástreku čpavku,
• oranžová = požadovaná hodnota pre sekundárny regulátor množstevného prietoku čpavku.

Príklad zapojenia výpočtového bloku do regulácie je na obrázku č. 4. Akonáhle sa rozdiel v absolútnej hodnote medzi výstupom výpočtového bloku a výstupom primárného regulátora nad stanovenú hodnotu v [kg/h], tak sa tento rozdiel pripočíta k požadovanej hodnote množstva čpavku, čiže do požadovanej hodnoty sekundárneho regulátora. Keď absolútna hodnota rozdielu klesne pod stanovenú hodnotu v [kg/h], výpočet sa vyradí z doprednej regulácie a uvažuje sa výstup – akčná veličina z primárneho regulátora. Na obrázku č. 4 je vidieť, ako táto hybridná regulácia zamedzí vzniknutiu veľkej odchýlky emisií NO_x od emisného limitu.

Na obrázku č. 5 je vidieť, ako sa algoritmus regulácie vysporadúva s prudkou zmenou emisií NO_x. Akonáhle hodnota NOx klesne pod 120 mg/Nm³ na dlhšie ako 3 minúty, hodnota akčného zásahu - CV regulátora množstevného prietoku čpavku, sa zníži na polovicu a algoritmus pokračuje rovnakou logikou ako na obrázku č. 4.

ZÁVER

Nové dynamické a hybridné architektúry riadenia umožňujú tiež siahnuť na niektoré metódy, ktorými sa zaoberá nová oblasť, nová paradigma v oblasti kybernetiky tzv. Kyberneticko-fyzikálne systémy. Vedie to k novej neustále sa rozvíjajúcej paradigme teórie riadenia a k novým výhodám implementácie nových technológií.

Hybrid-feedforward control of the denitrification of flue gas boilers
This article discusses a sophisticated solution for the problem of flue gas denitrification and with it reducing the emission of NOx into the atmosphere by coal-gas boilers. To reduce emissions, a chemical reaction was used involving water-based ammonia (24-25%) with NOxmolecules on a catalyst through selective catalytic reduction, or SCR for short. Ammonia spray control was created by combining two methods of control, namely (1) calculating the method of the amount of ammonia and (2) cascade control using controllers placed one after another. The integration of these two control methods have been designated as hybrid-feedforward control. This hybrid-feedforward control solution is based on two important fundamental assumptions: (1) it is considered as one while being the most accurate, verified and guaranteed source of information, and the source of information in our case is the measurement of the amount of NOx in the flue gas from AMS, and (2) the second important assumption is that the solution has been minimized for cost and so operating without measuring the amount of NOx. Under these conditions, one of the biggest control problems is the elimination of delays in the denitrification processes. This article is divided into two main parts, where the first part describes the logical reconfiguration and the arrangement of the newly built energy equipment of the boilers, and the second part describes the implemented hybrid-feedforward control of the denitrification of both boilers. Both parts above are described with emphasis on applications for the two boilers at TEKO, specifically boiler PK4s and boiler PK4n. The end of the article presents the advantages and disadvantages of this approach to controlling the denitrification of boilers.

Autor

• (red)