郝正，胡小夫，王云，汪洋，沈憲明，李偉，王樺

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

0 引言

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)是目前火電機組應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的煙氣脫硝技術(shù)。由于國家鼓勵火電廠進行靈活性改造，機組負荷變動更加頻繁，變動幅度也變得更大，而機組負荷的大幅變化會導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場發(fā)生改變，同時會導(dǎo)致入口NOx質(zhì)量濃度復(fù)雜多變和NOx分析儀響應(yīng)滯后等問題，使得常規(guī)SCR脫硝控制系統(tǒng)難以精確控制氨氮摩爾比。運行人員為保證達標排放，只能過量噴氨，而逸出的氨會與煙氣中的SO3和H2O反應(yīng)生成硫酸氫銨(ABS)，煙溫降低后ABS易附著在空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)的表面造成空預(yù)器堵塞、系統(tǒng)阻力增大，甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)機失速，被迫停爐清理空預(yù)器，給機組的安全運行帶來負面影響［1－8］。

本文以江蘇某電廠#7機組SCR系統(tǒng)為研究對象，針對該機組運行中存在的反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布偏差大、氨逃逸率偏高以及空預(yù)器堵塞等問題，對該機組SCR脫硝系統(tǒng)進行精準噴氨優(yōu)化改造。通過大數(shù)據(jù)分析站進行NOx大數(shù)據(jù)預(yù)測，結(jié)合外掛智能控制器穩(wěn)定噴氨總量，同時利用分區(qū)噴氨控制閥和NOx全斷面多點測量系統(tǒng)均衡控制各分區(qū)噴氨量，顯著降低氨耗量，實現(xiàn)SCR系統(tǒng)穩(wěn)定超低排放，同時大幅減少氨逃逸率，基本解決空預(yù)器由于ABS引起的結(jié)垢堵塞問題。

1 機組概況

江蘇某電廠330 MW機組鍋爐為四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，優(yōu)化改造前在SCR脫硝裝置反應(yīng)器出、入口進行了網(wǎng)格法測試，測試結(jié)果顯示，反應(yīng)器入口煙氣中NOx質(zhì)量濃度最高約為400 mg/m3，煙氣速度場分布較好，無需進行流場改造，反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度場分布較差，不均勻度(用相對標準偏差來衡量)約為40%。該脫硝裝置反應(yīng)器采用液氨作為脫硝還原劑，按3層催化劑布置設(shè)計，設(shè)置1層預(yù)留層，采用蜂窩式催化劑，催化劑主要參數(shù)見表1，脫硝系統(tǒng)入口煙氣設(shè)計值見表2(6%O2、標態(tài)、干基)。在煙氣出口處A側(cè)和B側(cè)分別加裝1套NOx檢測儀，各設(shè)8個采樣點，各采樣點處于同一平面上。

表1 催化劑主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the catalyst

表2 脫硝系統(tǒng)入口煙氣設(shè)計值Tab.2 Design value of the flue gas at denitration system inlet mg /m3

2 SCR脫硝精準噴氨優(yōu)化系統(tǒng)

該機組改造前，NOx質(zhì)量濃度高的區(qū)域由于噴氨不足易造成脫硝效率低，NOx質(zhì)量濃度低的區(qū)域由于噴氨過量易造成氨逃逸率高。SCR脫硝精準噴氨優(yōu)化系統(tǒng)對入口NOx質(zhì)量濃度進行高精度實時預(yù)測，結(jié)合外掛智能控制器穩(wěn)定噴氨總量，在反應(yīng)器噴氨格柵之前對噴氨管道進行分區(qū)，均衡控制各分區(qū)噴氨量，最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)穩(wěn)定超低排放。控制系統(tǒng)主要由噴氨總量控制單元和分區(qū)噴氨控制單元構(gòu)成。

2.1 噴氨總量控制單元

噴氨總量控制單元主要由外掛智能控制器和大數(shù)據(jù)分析站組成。外掛智能控制器是SCR脫硝精準噴氨優(yōu)化系統(tǒng)的核心，大數(shù)據(jù)分析站是噴氨總量控制單元強有力的支撐。大數(shù)據(jù)分析站可與外掛智能控制器協(xié)同共存，亦可單獨為分散控制系統(tǒng)(DCS)提供預(yù)測結(jié)果。

外掛智能控制器可以在復(fù)雜多變的運行工況下實現(xiàn)噴氨系統(tǒng)的完全自我控制，核心是通過在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時訓(xùn)練模型，實時辨識系統(tǒng)參數(shù)并進行滾動預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果尋找最優(yōu)控制指令。該控制器的具體功能如下。

(1)內(nèi)置燃燒NOx質(zhì)量濃度預(yù)測模塊，根據(jù)燃燒機理，采用基于改進徑向基函數(shù)(RBF)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對入口NOx質(zhì)量濃度進行高精度實時預(yù)測，解決常規(guī)儀表測量延遲的問題。

(2)內(nèi)置自適應(yīng)內(nèi)?？刂萍俺跋辔谎a償模塊，針對控制對象的遲延慣性及非線性等控制難點，實現(xiàn)脫硝的快速穩(wěn)定控制。

(3)內(nèi)置吹掃自閉環(huán)模塊，完成吹掃工況下各參數(shù)的無擾預(yù)測，實現(xiàn)脫硝全程無盲區(qū)控制。

大數(shù)據(jù)分析站的預(yù)測結(jié)果將輔助噴氨控制系統(tǒng)進行噴氨量調(diào)節(jié)，隨著技術(shù)手段的調(diào)整及實際運行數(shù)據(jù)的積累，其預(yù)測精度會越來越高。圖1為大數(shù)據(jù)分析站的工作原理示意圖。該分析站根據(jù)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的大數(shù)據(jù)分析算法建立爐膛燃燒NOx生成量預(yù)測模型［9］，實現(xiàn)全負荷范圍內(nèi)NOx生成量的實時預(yù)測，為精準噴氨提供準確的前饋數(shù)據(jù)，從而解決復(fù)雜燃燒系統(tǒng)無法快速、準確預(yù)測NOx的問題，大幅度降低噴氨量，減少氨逃逸。圖2為大數(shù)據(jù)分析站對反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度預(yù)測的結(jié)果，由圖2可知，預(yù)測結(jié)果與真實值相比，準確率高達98.9%。

圖1 大數(shù)據(jù)分析站工作原理示意Fig.1 Working principle of the big data analysis station

圖2 大數(shù)據(jù)分析站預(yù)測結(jié)果Fig.2 Prediction results of big data analysis station

2.2 分區(qū)噴氨控制單元

噴氨格柵分區(qū)技術(shù)已逐漸在火電廠脫硝領(lǐng)域推廣應(yīng)用，其控制目標是使同一截面上出口NOx質(zhì)量濃度分布均衡。在反應(yīng)器噴氨格柵之前對噴氨管道進行分區(qū)，各分區(qū)增加調(diào)節(jié)閥門和測量儀表，同時在反應(yīng)器出口安裝NOx多點測量系統(tǒng)，測量結(jié)果反饋至DCS中的分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)依據(jù)反應(yīng)器出口NOx的分布情況，調(diào)整各噴氨分區(qū)調(diào)節(jié)閥開度，其優(yōu)化目標為控制反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對標準偏差在10%以內(nèi)，同時可顯著降低氨逃逸率［10］。

根據(jù)噴氨總量控制單元的特性，將其與分區(qū)噴氨控制單元進行一體化設(shè)計，以噴氨總量控制為主，分區(qū)噴氨控制為輔，優(yōu)化分區(qū)噴氨調(diào)節(jié)的速度及幅度，并設(shè)置聯(lián)鎖條件，使兩者互相包容，互不干擾。經(jīng)收集運行數(shù)據(jù)得知，精準噴氨優(yōu)化改造系統(tǒng)正式投運半年后，耗氨量可降低8% ～10%，且空預(yù)器差壓平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)增大現(xiàn)象。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 精準噴氨優(yōu)化前、后系統(tǒng)運行參數(shù)測試結(jié)果及分析

圖3為優(yōu)化前的A側(cè)脫硝系統(tǒng)運行參數(shù)趨勢圖。由圖3可知，入口和出口NOx質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，出口NOx質(zhì)量濃度隨負荷變化而波動。在2.5—8.0min這段時間，機組負荷由242MW降至212 MW，入口NOx質(zhì)量濃度由250 mg/m3升至395mg/m3，之后的幾分鐘出口NOx質(zhì)量濃度波動較大，最高為60 mg/m3，最低為20 mg/m3，并且穩(wěn)定時間較長，易造成NOx局部超標排放。

圖3 改造前入口、出口NO x質(zhì)量濃度和機組負荷變化趨勢Fig.3 Changes of NO x mass concentrations at inlet/outlet and actual power before the retrofit

圖4 為優(yōu)化后的A側(cè)脫硝系統(tǒng)運行參數(shù)趨勢圖。由圖4可知，優(yōu)化后出口NOx質(zhì)量濃度隨入口NOx質(zhì)量濃度變化波動較小，控制精度明顯優(yōu)于改造前。1.0—3.5 min這段時間，機組負荷由249 MW降至233 MW;2.5—6.0 min，入口 NOx質(zhì)量濃度由246 mg/m3升至429 mg/m3，之后出口NOx質(zhì)量濃度在35～49 mg/m3的區(qū)間內(nèi)波動，并且在入口NOx質(zhì)量濃度波動結(jié)束后迅速進入穩(wěn)定狀態(tài)。精準噴氨優(yōu)化后出口NOx質(zhì)量濃度波動小、穩(wěn)定快的原因是：在入口NOx質(zhì)量濃度未反饋測量值之前，精準噴氨系統(tǒng)利用預(yù)測模型超前調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)閥的開度，控制噴氨量匹配預(yù)測NOx質(zhì)量濃度變化量，在得到出、入口NOx質(zhì)量濃度測量值后，又利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性快速進行精確調(diào)整，使得目標值在極小的范圍內(nèi)波動，顯著降低了耗氨量。

圖4 改造后入口、出口NO x質(zhì)量濃度和機組負荷變化趨勢Fig.4 Changes of NO x mass concentrations at inlet/outlet and actual power after the retrofit

3.2 精準噴氨優(yōu)化前、后出口NO x測試結(jié)果及分析

在330 MW工況下對SCR裝置優(yōu)化改造前、后的運行情況進行了測試。反應(yīng)器A，B出口8個測點的標準NOx測量結(jié)果分別如圖5、圖6所示。改造前反應(yīng)器A出口NOx排放不均勻度高達37%，改造后降至8%，比改造前降低了29百分點;反應(yīng)器B出口NOx排放不均勻度由改造前的47%降至改造后的8%，比改造前降低了39百分點;反應(yīng)器A，B出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻度由改造前的37%和47%降至10%以內(nèi)。

圖5 A側(cè)精準噴氨優(yōu)化前、后出口NO x質(zhì)量濃度對比Fig.5 Comparison of NO x mass concentrations before and after the precise ammonia injection retrofit on side A

3.3 精準噴氨優(yōu)化前、后氨逃逸率測試結(jié)果及分析

圖6 B側(cè)精準噴氨優(yōu)化前、后出口NO x質(zhì)量濃度對比Fig.6 Comparison of NO x mass concentrations before and after the precise ammonia injection retrofit on side B

SCR脫硝反應(yīng)器在保持高脫硝效率的同時，NH3/NOx分布偏差越大氨逃逸率越高［4］。在330 MW工況下對SCR裝置優(yōu)化調(diào)整前、后的氨逃逸情況進行了測試。反應(yīng)器A，B的8個測點氨逃逸率測試結(jié)果分別如圖7、圖8所示。改造前反應(yīng)器A，B均存在較嚴重的氨逃逸情況，最高可達 6.1 mg/m3，改造后兩側(cè)反應(yīng)器出口氨逃逸率分布均勻，均維持在1.0 mg/m3以下。通過精準噴氨優(yōu)化系統(tǒng)降低了頂層催化劑入口NH3/NOx分布偏差，從而消除了SCR脫硝反應(yīng)器局部過高的氨逃逸率，并減輕了空預(yù)器ABS堵塞風(fēng)險。

圖7 A側(cè)精準噴氨優(yōu)化前、后出口氨逃逸率對比Fig.7 Comparison of ammonia escape rates before and after the precise ammonia injection retrofit on side A

圖8 B側(cè)精準噴氨優(yōu)化前、后出口氨逃逸率對比Fig.8 Comparison of ammonia escape rates before and after the precise ammonia injection retrofit on side B

4 結(jié)論

本文采用由噴氨總量控制單元和分區(qū)噴氨控制單元構(gòu)成的SCR脫硝精準噴氨優(yōu)化系統(tǒng)，解決了因脫硝系統(tǒng)首層催化劑入口處NH3/NOx分布偏差較大和控制精度差而引起的NOx局部排放超標、氨逃逸率偏高和空預(yù)器堵塞等問題，使得該系統(tǒng)可降低8% ～10%耗氨量，具有出口NOx排放均勻、氨逃逸率較低且空預(yù)器差壓平穩(wěn)等優(yōu)點。