李衛(wèi)忠

摘 要：就燃煤動(dòng)力鍋爐SCR系統(tǒng)中的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，認(rèn)為對(duì)原有鍋爐的SCR系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，并使用嵌入式系統(tǒng)的分層算法，可以提高SCR系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：SCR系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；升級(jí)方案；大數(shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0116-02

SCR系統(tǒng)在燃煤動(dòng)力鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前，絕大部分大型燃煤動(dòng)力鍋爐均采用了SCR脫硝技術(shù)。因?yàn)镾CR脫硝技術(shù)與SNCR脫硝技術(shù)并不相斥，所以越來(lái)越多的燃煤鍋爐同時(shí)采用了SNCR和SCR技術(shù)。通過(guò)在鍋爐中分段通入氨氣，可以最大程度地降低鍋爐中硝氧化物的含量。但這種方法在實(shí)踐過(guò)程中，還存在較多的問(wèn)題。

1 SCR系統(tǒng)現(xiàn)狀

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）的原理是在催化劑的作用下，還原劑NH3在290～400 ℃下有選擇地將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發(fā)生NH3與O2的氧化反應(yīng)，從而提高了N2的選擇性，減少了NH3的消耗。

其中的主要反應(yīng)有：4NH3+6NO=5N2+6H2O；8NH3+6NO2=7N2+12H2O；4NH3+3O2=2N2+6H2O；4NH3+5O2=4NO+6H2O；2NH3可逆生成N2+3H2.

SCR系統(tǒng)由氨供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣/空氣噴射系統(tǒng)、催化反應(yīng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，為避免煙氣再加熱消耗能量，一般將SCR反應(yīng)器置于省煤器后、空氣預(yù)熱器之前，即高塵段布置。通過(guò)空氣預(yù)熱器前的水平管道加入氨氣，并與煙氣混合。由于技術(shù)的成熟和高脫硝率，SCR法現(xiàn)已在世界范圍內(nèi)成為大型工業(yè)鍋爐煙氣脫硝的主流工藝。截至2010年底，我國(guó)已投運(yùn)的煙氣脫硝機(jī)組容量超過(guò)2×109 kW，約占煤電機(jī)組容量的28%，其中，SCR機(jī)組占95%.

SCR系統(tǒng)不但可以安裝在燃煤動(dòng)力鍋爐中，還能安裝在大型船舶柴油機(jī)等低溫動(dòng)力系統(tǒng)中，其本身是充分利用尾氣預(yù)熱的一個(gè)節(jié)能項(xiàng)目。

2 SCR常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 溫度控制問(wèn)題

與SNCR較好的溫度適應(yīng)性不同，SCR的反應(yīng)溫度在290～400 ℃之間。雖然SCR的反應(yīng)區(qū)設(shè)置在了節(jié)煤器與空氣預(yù)熱器之間，但此區(qū)間的溫度控制在以往的燃燒控制中并不是重點(diǎn)。在布置了SCR系統(tǒng)后，節(jié)煤器與空氣預(yù)熱器之間的溫度控制成為燃燒控制多目標(biāo)控制主機(jī)中的又一個(gè)重要目標(biāo)。

因?yàn)橐攸c(diǎn)控制節(jié)煤器與空氣預(yù)熱器之間的尾氣溫度，與之配合的燃燒控制、四管控制、供風(fēng)控制等都可能受到影響。而鍋爐要保證最優(yōu)的燃燒效率，SCR控制目標(biāo)就可能受到影響。當(dāng)這兩者出現(xiàn)矛盾時(shí)，鍋爐的燃燒控制任務(wù)就出現(xiàn)了問(wèn)題。

2.2 反應(yīng)效率問(wèn)題

除溫度外，NH3的投入量、催化劑的選擇、催化劑的回收方法、催化劑的投入量等都會(huì)對(duì)SCR的反應(yīng)效率造成影響。由于本文系統(tǒng)中研究的SCR采用蜂窩反應(yīng)器設(shè)置，蜂窩反應(yīng)器中的小管道眾多，且系統(tǒng)布置在除塵器之前，屬于高塵區(qū)，風(fēng)流速較慢，因此，反應(yīng)容器內(nèi)的煙塵沉積量較大。煙塵沉積覆蓋催化劑表面，對(duì)反應(yīng)效率也有較大影響。目前還沒(méi)有行之有效的方法來(lái)控制煙塵沉積量，所以只能通過(guò)對(duì)反應(yīng)區(qū)進(jìn)出口的硝氧化物含量的判讀來(lái)判斷系統(tǒng)效率。

2.3 與鍋爐系統(tǒng)的配合問(wèn)題

在SCR系統(tǒng)脫硝過(guò)程中，煙氣在通過(guò)SCR催化劑時(shí)，將進(jìn)一步強(qiáng)化SO2→SO3的轉(zhuǎn)化，形成更多的SO3。在脫硝過(guò)程中，由于NH3的逃逸是客觀存在的，它可能在空氣預(yù)熱器處與SO3形成硫酸氫氨，其反應(yīng)式為NH3+SO3+ H2O→NH4HSO4.

硫酸氫氨在不同的溫度下分別呈氣態(tài)、液態(tài)、顆粒狀。對(duì)于燃煤機(jī)組，煙氣中飛灰含量較高，硫酸氫氨在146～207 ℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)；對(duì)于燃油、燃?xì)鈾C(jī)組，煙氣中飛灰含量較低，硫酸氫氨在146～232 ℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)。

氣態(tài)或顆粒狀液體狀硫酸氫氨會(huì)隨著煙氣流經(jīng)預(yù)熱器，不會(huì)對(duì)預(yù)熱器產(chǎn)生影響；而液態(tài)硫酸氫氨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，并附著于預(yù)熱器傳熱元件上，形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，進(jìn)而影響預(yù)熱器的換熱和機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，要對(duì)SCR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

3 SCR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)方案

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)任務(wù)分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享兩個(gè)部分。主動(dòng)監(jiān)測(cè)部分是指該系統(tǒng)可以直接調(diào)用的探頭數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共享部分是從其他數(shù)據(jù)接口中讀取的數(shù)據(jù)。

主動(dòng)監(jiān)測(cè)部分包括：①省煤器出口氣體溫度，分4點(diǎn)形成斷面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照50 ms間隔形成微分?jǐn)?shù)據(jù)流。②空氣預(yù)熱器進(jìn)口氣體溫度，分4點(diǎn)形成斷面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照50 ms間隔形成微分?jǐn)?shù)據(jù)流。③進(jìn)口NO2分壓、進(jìn)口NO分壓、進(jìn)口NH3分壓、進(jìn)口N2分壓、進(jìn)口H2分壓和進(jìn)口H2O分壓。④出口NO2分壓、出口NO分壓、出口NH3分壓、出口N2分壓、出口H2分壓和出口H2O分壓。⑤尾氣靜壓和動(dòng)壓。

數(shù)據(jù)共享部分的數(shù)據(jù)需求包括：①?gòu)膬?nèi)部用電總線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲得可供系統(tǒng)調(diào)用的電能質(zhì)量信息，包括電壓、電流、波形等。本文系統(tǒng)使用2組各4個(gè)噴嘴噴入氨氣，主要電能能耗來(lái)自氨氣加壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和本文系統(tǒng)本身的嵌入式用電設(shè)備。雖然該系統(tǒng)的實(shí)際用電容量不超過(guò)2 kV·A，但對(duì)電能質(zhì)量的要求較高，所以系統(tǒng)前置配備了小容量UPS作為電能整理和斷電保護(hù)。②從燃燒控制系統(tǒng)中得到燃燒室溫度、過(guò)熱器溫度、再熱器溫度、省煤器溫度、汽包溫度、水冷壁溫度、空氣預(yù)熱器溫度等信息，同時(shí)獲得系統(tǒng)內(nèi)各電動(dòng)機(jī)和閥門(mén)的狀態(tài)。

3.2 近端嵌入途徑

近端嵌入途徑主要有：①由于該系統(tǒng)最高溫度僅有400 ℃，在極端情況下，溫度可以達(dá)到約470 ℃。出口端溫度正常為290 ℃，極端情況下可能達(dá)到350 ℃。所以，該系統(tǒng)完全可以使用直接測(cè)量法得到溫度。使用熱敏電阻法直接得到監(jiān)測(cè)需求中的8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度。②該系統(tǒng)中需要監(jiān)測(cè)的分壓可采用旁路光譜法直接獲得。使用經(jīng)過(guò)冷卻的旁路光譜儀直接測(cè)定系統(tǒng)氣體中的各種氣體分壓。③使用皮托計(jì)測(cè)量尾氣經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)時(shí)的分壓。④由于該系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量并不大，但監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，所以，該系統(tǒng)使用3個(gè)全志ARM7系統(tǒng)分別在近端對(duì)溫度系統(tǒng)、分壓系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)等進(jìn)行近端數(shù)據(jù)整理。使用1個(gè)全職A31系統(tǒng)對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。⑤系統(tǒng)各部件之間使用千兆以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，以對(duì)防水屏蔽雙絞線的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 算法研究

3.3.1 數(shù)據(jù)傳遞算法

該系統(tǒng)的3個(gè)ARM7系統(tǒng)的主要任務(wù)是校核數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)向A31系統(tǒng)。A31系統(tǒng)的主要功能是利用A31內(nèi)置的安卓操作系統(tǒng)和LITE系統(tǒng)暫存數(shù)據(jù)，并通過(guò)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)向大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3.2 數(shù)據(jù)校核算法

該系統(tǒng)使用小波分析法和四段回歸法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，不合格數(shù)據(jù)線或較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)直接觸發(fā)報(bào)警。

3.3.3 模糊控制算法

該系統(tǒng)使用4檔NH3控制噴入效率。本文模糊控制的最終決策是噴入NH3的量的增加和減少，主要參考量是進(jìn)口各氣體的分壓和出口各氣體的分壓。同時(shí)，該系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)口溫度和出口溫度的變化遙控燃燒系統(tǒng)，為燃燒系統(tǒng)提出爐溫控制建議。建議將爐溫控制作為燃燒系統(tǒng)神經(jīng)元分析的自變量之一。

3.4 大數(shù)據(jù)接入方式研究

該系統(tǒng)作為鍋爐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一部分。鍋爐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可在調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中直接讀取A31內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。A31內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用密鑰式安全管理，只要在鍋爐大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中設(shè)置A31數(shù)據(jù)庫(kù)的IP地址，端口號(hào)和訪問(wèn)密鑰就可以滿足大數(shù)據(jù)的整合需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)SCR監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，可以使得SCR系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且使SCR系統(tǒng)的運(yùn)行更加精確和高效。鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)是未來(lái)鍋爐各子系統(tǒng)均會(huì)配置的標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間形成的鍋爐大數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐控制能力的提升有直接的幫助作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]凌忠錢(qián)，曾憲陽(yáng)，胡善濤，等.電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)值模擬.[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2014.1（01）：65-67.

〔編輯：王霞〕