葉福南，姚順春，陳耀榮，李崢輝，張向，沈躍良，盧志民

(1. 廣東省粵電集團有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519000；2. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；3. 廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405；4. 廣東電科院能源技術有限責任公司，廣東 廣州 510080；5. 廣東省能源高效低污染轉化與工程技術研究中心，廣東 廣州 510640)

氮氧化物是主要的大氣污染物之一，其大量排放加劇了酸雨、光化學煙霧、區(qū)域細粒子危害以及灰霾等污染的形成，對人類的健康和生存造成了極大的危害。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國發(fā)電裝機容量為1.777 03 TW，其中火電裝機容量為1.106 04 TW，占總裝機容量的62.24%[1]?；痣娙耘f是我國電力供應的主要形式和大氣污染物的主要排放來源，是實施主要污染物總量控制的重點領域之一。國家發(fā)改委、環(huán)保部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》，明確提出東部地區(qū)新建燃煤機組的大氣污染物排放濃度基本達到燃氣機組排放限值，其中氮氧化物排放濃度(指質量濃度，下同)不高于50 mg/m3[2]。近年來部分地方提出了更高的排放標準，北京市《鍋爐大氣污染物排放標準》(DB 11/139—2015)和鄭州市《2017年大氣污染防治攻堅行動方案》均要求新建鍋爐NOx排放低于30 mg/m3。陜西環(huán)保廳要求省內(nèi)西安、寶雞等五市的燃氣鍋爐進行低氮排放改造，保證NOx排放低于30 mg/m3?！渡钲谑写髿赓|量環(huán)境提升計劃(2017—2020)》要求新建燃氣發(fā)電機組配套低氮燃燒器及選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝設備，將NOx排放控制在15 mg/m3以下，2020年底前全市現(xiàn)有燃氣發(fā)電機組通過低氮燃燒器或SCR改造，將E級和F級發(fā)電機組NOx排放分別控制在25 mg/m3和15 mg/m3以下。綜上所述，為持續(xù)實施大氣污染防治行動，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，我國將會在堅持源頭防治的基礎上不斷提高污染物排放標準。

脫硝系統(tǒng)超低排放改造是目前燃煤電廠嚴格控制NOx排放的主要措施，其主要集中于增加催化劑層數(shù)[3-4]、低氮燃燒器改造[5-6]、煙道流場優(yōu)化[7-8]以及噴氨調整[9]等方面。國內(nèi)多數(shù)燃煤企業(yè)已通過完成低氮燃燒器改造來降低NOx生成量[10]，而脫硝系統(tǒng)超低排放改造主要選擇裝填備用層催化劑提高脫硝系統(tǒng)效率的方案來滿足NOx排放環(huán)保標準要求[11-17]；但簡單地通過增加催化劑用量提效后，會造成脫硝出口NOx濃度分布不均勻、局部逃逸氨濃度超過設計值和空氣預熱器堵塞嚴重等問題，需要進行脫硝診斷優(yōu)化試驗，依據(jù)實際情形進行流場和噴氨優(yōu)化調整[17-21]。由于運行工況的復雜變化，離線的脫硝診斷優(yōu)化調整的時效性難以長時間保持。上述脫硝系統(tǒng)超低排放改造的重點放在了提高脫硝效率和達標排放上，而忽略了脫硝自動調節(jié)控制品質對SCR脫硝系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的影響。諸多學者對脫硝自動調節(jié)控制、提升SCR在線優(yōu)化水平做了相關研究工作[22-25]，通過對噴氨均衡優(yōu)化自動控制，有效減少企業(yè)氨耗量，節(jié)省機組運行電耗，降低空氣預熱器堵塞風險，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益。SCR脫硝自動調節(jié)控制的關鍵在于獲得代表性強的SCR出口NOx濃度分布結果，通過結合鍋爐運行的主要參數(shù)，有效指導各分區(qū)噴氨調整優(yōu)化。但現(xiàn)有的NOx在線監(jiān)測系統(tǒng)大多是采用單點或者多點取樣混合之后的測量模式[26-29]，尤其是煙道截面尺寸較大時，NOx濃度分布較為不均勻，單點測量結果代表性差，多點混合測量結果無法滿足噴氨的分區(qū)調整控制和無法實現(xiàn)基于NOx濃度分布的精細化噴氨調整。

因此，本文以滿足動態(tài)的噴氨分區(qū)調整和SCR運行在線優(yōu)化需求為目標，研發(fā)SCR出口煙氣NOx濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在燃煤電廠進行應用示范。該系統(tǒng)的應用可以顯著提升SCR運行在線優(yōu)化水平，為企業(yè)建立控制和降低氨逃逸、空預器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險的有效解決方案，提供重要的數(shù)據(jù)支持和技術支撐。

1 系統(tǒng)總體設計

由于SCR煙道是高溫、高濕、高粉塵的測量環(huán)境，煙道原位測量方式存在穩(wěn)定性差、可靠性低等問題。因此，本系統(tǒng)采用煙氣取樣、預處理、再測量的方式[30-32]；同時為了解決現(xiàn)有NOx在線監(jiān)測系統(tǒng)單點測量結果代表性差和多點混合測量結果無法滿足噴氨的分區(qū)調整控制的問題，本系統(tǒng)依據(jù)噴氨分區(qū)分布特點在A側和B側煙道各劃分為5個取樣分區(qū)，每個取樣分區(qū)對應有長度不同的3根高溫取樣探頭，共組成30路獨立的網(wǎng)格化取樣管路，有效保證系統(tǒng)所測量結果能夠表征SCR煙道內(nèi)NOx濃度分布的真實情況。該系統(tǒng)主要由煙氣采樣、智能控制和煙氣濃度分析模塊等3個部分組成，如圖1所示。SCR出口待測煙氣在取樣泵作用下，進入網(wǎng)格化布置的高溫取樣探頭中，經(jīng)過取樣伴熱管線送入智能控制柜，由智能控制柜按照設定的邏輯控制模式，基于電磁閥控制切換至特定測量管路后，待測煙氣流入冷卻器冷卻，最后送往煙氣分析儀，剩余煙氣及分析廢氣排入煙道。通過全巡回(A側和B側)檢測模式，在20 min內(nèi)依次獲得2個側煙道共30個測點的NO、O2、CO濃度，進而獲得煙道內(nèi)各氣體濃度全截面分布的時空信息；通過單巡回(A側或B側)檢測模式，在10 min內(nèi)依次獲得各煙道15個測點的NO、O2、CO濃度，進而獲得單側煙道內(nèi)各氣體濃度截面分布的時空信息；通過自定義檢測模式，可獲得所選測點NO、O2、CO濃度值。此外，單側煙道15路取樣煙氣通過匯流管混合后，由另一臺煙氣分析儀依次檢測獲得單側煙道的NO和O2混合濃度值。

2 系統(tǒng)組成

2.1 煙氣采樣模塊

煙氣采樣模塊主要包括高溫采樣探頭和取樣伴熱管線，其中高溫采樣探頭布置如圖2所示，依據(jù)噴氨分區(qū)分布特點，對應布置取樣分區(qū)。2個煙道各劃分5個取樣分區(qū)，A側和B側煙道共有10個取樣分區(qū)，在每一個取樣分區(qū)采用網(wǎng)格化取樣的方法，設置3個由固定支架支撐且表面有保護套管的高溫采樣探頭，深入煙道的長度分別為8.5 m、5.5 m和3.1 m(分別記為a、b、c)，共組成30個獨立的網(wǎng)格化取樣點(分別由1a—10a、1b—10b、1c—10c表示)。取樣伴熱管線采用電伴熱的方式保持管內(nèi)溫度控制在100～110 ℃ ，使得煙氣中的水分子保持蒸汽狀態(tài)，防止水結露與SO2生成酸。

2.2 智能巡回控制模塊

智能巡回控制模塊主要由PLC、繼電器、電磁閥和取樣管線等部件組成。其中智能控制柜中的取樣管線布置如圖3所示，圖3中1a—10c為各取樣分區(qū)對應的取樣管路，1A—30B為控制各管路通斷的電磁閥。待測煙氣通過取樣探頭取樣，由伴熱取樣管線輸送入智能控制柜中，之后在管路末端一分為二：一路通過電磁閥控制切換通向煙氣分析儀1，獲得各測點的NO、O2、CO濃度值；另一路流入各側煙氣對應的匯流排中，每側15路煙氣在匯流排中充分混合之后通向煙氣分析儀2，獲得各側煙道NO和O2混合濃度值。

圖1 NOx濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of online monitoring system for NOx concentration distribution

圖2 煙氣取樣探頭布置示意圖Fig.2 Flue gas sampling probe installation position

通過上位機監(jiān)控界面選擇所需檢測模式，基于PLC控制器控制各路電磁閥的開閉，使得煙氣分析儀分析的氣體是所設定測量的某一測點取得的氣體或某一側煙道所有測點的混合氣體。各測點之間的巡回檢測時間間隔約30 s，實現(xiàn)了多點測量的近似同時性。巡回檢測模式有如下4種：

a)順序巡檢。設定順序巡檢，系統(tǒng)自動巡回測量A側和B側1—10取樣分區(qū)全部取樣點，即從1a測點開始，到10c測點結束，共測量30個測點NO、O2、CO濃度值，同時分別獲得A側和B側煙道各15路氣體NO和O2的混合濃度值。

b)A側巡檢。設定A側巡檢，系統(tǒng)只對A側煙道的15個測點巡回檢測，即從1a測點開始，到5c測點結束，共測量A側煙道15個測點NO、O2、CO濃度值，同時獲得A側煙道15路氣體NO和O2的混合濃度值。

c)B側巡檢。設定B側巡檢，系統(tǒng)只對B側煙道的15個測點巡回檢測，即從6a測點開始，到10c測點結束，共測量B側煙道15個測點NO、O2、CO濃度值，同時獲得B側煙道15路氣體NO和O2的混合濃度值。

d)自定義巡檢。設定自定義巡檢，可以根據(jù)SCR脫硝系統(tǒng)運行需要，選擇單個或部分測量點及其巡回檢測順序，獲得所選測點NO、O2、CO濃度值和相對應煙道NO和O2的混合濃度值。

2.3 煙氣分析檢測模塊

氣體濃度檢測模塊選用西門子公司的ULTRAMAT23(簡稱U23)氣體分析儀，以測量NO濃度為主，同步測量CO和O2濃度，為后續(xù)精細化噴氨和燃燒優(yōu)化調整提供數(shù)據(jù)支持和技術支撐。U23測量范圍分別是：NO為0～500 mg/m3；CO為0～5 000 mg/m3；O2為0～25 %(體積分數(shù))。濃度測量線性誤差小于等于±1%滿量程；重復性小于等于±1% 滿量程;穩(wěn)定性小于等于±1%滿量程。

3 系統(tǒng)應用

3.1 應用對象概況

廣東某電廠的700 MW 火力發(fā)電機組，選用日本三菱重工生產(chǎn)MB-FRR型的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、倒U型全露天布置、高強度螺栓全鋼架懸吊結構的控制循鍋爐。每臺鍋爐配備2個SCR脫硝反應裝置，催化劑采用“2+1”模式布置，選用類型為蜂窩式催化劑，設計脫硝效率不低于80%，氨逃逸不大于3 mg /m3。實際燃用煤質特性見表1，其中Mar、Var、Aar、FCar、Car、Har、Oar、Nar和Sar分別為收到基全水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳、碳分、氫分、氧分、氮分和硫分。

圖3 取樣管線布置示意圖Fig.3 Sampling pipeline installation position

3.2 在線監(jiān)控

系統(tǒng)監(jiān)控主界面主要包括檢測模式控制設置、取樣探頭反吹控制設置和濃度監(jiān)測結果顯示等3個部分。在檢測模式控制設置中可實時設置檢測模式、測量等待時間等參數(shù)，其中測量模式有順序測量、A側或B側巡回以及自定義測量等,測量等待時間是指測點之間測量時間間隔。濃度監(jiān)測結果以表格和濃度云圖的方式實時顯示，運行人員可實時獲知煙道截面內(nèi)NO、O2、CO濃度分布情況。此外，還將顯示各側煙道的濃度相對標準偏差和NO和O2的煙道混合濃度值等信息，供運行人員根據(jù)巡回檢測結果手動或自動調整噴氨控制。

3.2.1 濃度數(shù)據(jù)表格

表2和表3為某一巡回周期內(nèi)SCR出口煙道截面上NO(mg/m3)、O2(%)和CO(mg/m3)濃度檢測結果。其中該段時間內(nèi)，鍋爐負荷變化最大值為481.89 MW、最小值為465.76 MW、平均值為473.84 MW、相對標準偏差為1.38%，鍋爐負荷變化較為穩(wěn)定?？梢钥闯?，A側和B側的各氣體濃度相對標準偏差偏大，且A側小于B側，其中A側NO濃度相對標準偏差為32.13%，NO濃度最大值為25 mg/m3、濃度最小值為11 mg/m3，煙道混合濃度值為15 mg/m3。B側NO濃度相對標準偏差為64.68%，最大濃度為27 mg/m3、最小濃度為3 mg/m3，煙道混合濃度值為15 mg/m3。從本次巡回檢測結果來看，2個SCR煙道在該段時間內(nèi)NO濃度分布的均勻性較差，尤其5、6和7號取樣分區(qū)的NO濃度過低。

3.2.2 濃度云圖

為了讓運行人員更直觀地觀察氣體濃度在煙道內(nèi)的分布情況，可通過系統(tǒng)監(jiān)控主界面選擇查詢圖。圖4—圖6分別為某一巡回周期內(nèi)的NO、O2、CO濃度分布云圖，其所屬時間段和對應鍋爐負荷變化情況同上。對比圖4和圖6可以看出：在該檢測周期內(nèi)，NO濃度高的地方，CO濃度小；反之，CO濃度小的地方，NO濃度較高，二者濃度存在著一定反比例關系。同樣，對比圖5和圖6可以看出：O2和CO 濃度也存在著一定反比例關系。

表1 煤質特性數(shù)據(jù)Tab.1 Coal property data

表2 某一巡回檢測周期內(nèi)濃度檢測結果Tab.2 Concentration measurement results in a cyclic detection period

表3 某一巡回檢測周期內(nèi)濃度檢測統(tǒng)計結果Tab.3 Statistic results of concentration measurement in a cyclic detection period

圖4 某一巡回檢測周期內(nèi)A側和B側NO濃度分布云圖Fig.4 NO concentration distribution cloud map at A side and B side in a cyclic detection period

圖5 某一巡回檢測周期內(nèi)A側和B側O2濃度分布云圖Fig.5 O2 concentration distribution cloud map at A side and B side in a cyclic detection period

圖6 某一巡回檢測周期內(nèi)A側和B側CO濃度分布云圖Fig.6 CO concentration distribution cloud map at A side and B side in a cyclic detection period

3.3 數(shù)據(jù)報表與在線查詢

系統(tǒng)對采集到的信息進行實時處理與統(tǒng)計，以數(shù)值的方式進行數(shù)據(jù)存儲，并以4～20 mA的模式輸送至DCS進行顯示和存儲。通過組態(tài)化的數(shù)據(jù)報表與查詢分析組件，支持各類數(shù)據(jù)報表的生成和查詢，同時還支持實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢及自定義查詢等功能。其中，實時數(shù)據(jù)查詢可在線查看各測點濃度和各側煙道混合的NO濃度值歷史變化曲線，如圖7所示。通過各網(wǎng)格點測量值的歷史曲線，運行人員可以十分直觀地了解SCR煙道內(nèi)NO濃度持續(xù)偏高區(qū)域和持續(xù)偏低的區(qū)域，通過手動或自動噴氨閥調整，從而將SCR出口NOx濃度分布偏差保持在合理范圍，嚴格控制氨逃逸，降低空預器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險。此外，系統(tǒng)可通過設置NOx濃度閾值，實現(xiàn)分區(qū)氨逃逸自動預警。

圖7 歷史濃度曲線查詢示意圖Fig.7 Schematic diagram of query on historical concentration curve

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

本文選用1 d內(nèi)A側和B側煙道NOx混合濃度值與煙囪處NOx排放濃度值進行了對比，如圖8所示。可以看到該段時間內(nèi)A側和B側煙道NOx混合濃度值變化較為接近，二者整體上大于煙囪NOx排放濃度，但三者的變化趨勢基本一致；因此，本系統(tǒng)所監(jiān)測結果能夠較為真實地反映煙囪處NOx排放濃度變化。此外，三者的變化趨勢與負荷變化的相關性較弱。

圖8 1 d內(nèi)NOx排放濃度對比圖Fig.8 NOx emission concentration comparison in one day

4 結束語

本文研發(fā)的NOx濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)已在某700 MW機組應用示范。實際運行結果表明：能夠對雙側煙道30個網(wǎng)格化獨立取樣點煙氣的NO、O2、CO濃度實現(xiàn)20 min為一周期的巡回檢測，實現(xiàn)SCR出口煙氣組分的濃度全截面分布在線監(jiān)測，并同步獲得各側煙道煙氣混合測量濃度值、濃度截面分布的相對標準偏差和濃度分布云圖等信息，可供運行人員根據(jù)在線監(jiān)測結果進行手動調節(jié)或結合噴氨調節(jié)閥的自動調節(jié)，完成噴氨的動態(tài)分區(qū)智能控制。該系統(tǒng)的應用可以為SCR運行優(yōu)化提供可靠的NOx濃度分布在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯著提升SCR運行在線優(yōu)化水平，嚴格控制氨逃逸，降低空預器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險。