卜 鈺

（國能江蘇諫壁發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

0 引言

當前，氮氧化物是燃煤發(fā)電機組污染排放物治理的重點。國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、國家能源局聯合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》（發(fā)改能源〔2014〕2093號）中明確要求：基準氧體積分數6.0%條件下氮氧化物的排放質量濃度標準為50 mg/Nm3，對于新建燃煤發(fā)電機組，東部地區(qū)應基本達到，中部地區(qū)原則上接近或達到，鼓勵西部地區(qū)接近或達到[1]。

按照國家環(huán)保管控力度不斷加強的趨勢，可以預見，在不遠的將來，對氮氧化物的控制將實現近零排放，即小于10 mg/Nm3。

某火電廠1 000 MW機組利用機組調停時機，在原脫硝系統基礎上增設了精準噴氨系統，以應對脫硝出口氨逃逸率偏高的情況。在運行中發(fā)現，不同負荷工況下，精準噴氨系統各分區(qū)出口NOx值不均勻，某些噴氨支管調門已經開足，對應分區(qū)NOx濃度依舊偏高；某些噴氨支管調門已經關至下限，對應分區(qū)NOx濃度依舊偏低。這種不均勻性導致了出口NOx濃度整體偏高，在脫硝自動控制設定值不變的情況下，整體噴氨量增大[2]。噴氨量過大最終會造成出口殘氨量升高，局部氨濃度過量，造成過高的氨逃逸，增加預熱器堵塞的風險，不利于機組的長周期安全、穩(wěn)定、高效運行[3]。

通過調取相關自動控制邏輯發(fā)現，單個分支噴氨調門只對該對應分區(qū)的出口濃度進行調整，沒有考慮到氨氣在進行脫硝反應時具有一定的擴散效果。本文針對某火電廠1 000 MW機組脫硝精準噴氨系統存在的問題，通過實驗進行驗證，并進行分析和優(yōu)化。

1 精準噴氨系統簡介

某火電廠是華東電網的主力電廠之一，其1 000 MW鍋爐的主要設計參數如下：鍋爐采用超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，型號為SG-3040/27.46-M538，單爐膛塔式布置，四角切向燃燒，擺動噴嘴調溫，平衡通風，全鋼架懸吊結構，露天布置，干式排渣。該鍋爐脫硝裝置采用選擇性催化還原法（SCR），采用熱段/高含塵布置方式，脫硝還原劑采用液氨。在燃用設計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況（BMCR）、處理100%煙氣量、脫硝系統入口NOx濃度為300 mg/Nm3條件下，脫硝效率不小于80%，脫硝系統出口NOx濃度不大于50 mg/Nm3（干基、標態(tài)、6%氧），脫硝層數按2+1設置。通過該鍋爐燃燒調整，燃燒生成的NOx一般能夠控制在200～300 mg/Nm3。

精準噴氨系統主要原理如下：測量脫硝出口不同區(qū)域NOx濃度的分布情況，通過不同區(qū)域的噴氨支管電動調整門，自動調整相應區(qū)域的噴氨量，使得不同區(qū)域煙氣與噴氨量等比例混合，從而使得脫硝出口NOx流場分布更加均勻。

精準噴氨系統主要包含脫硝入口分區(qū)噴氨控制單元、脫硝出口矩陣式取樣單元、人工智能算法控制單元三大模塊，如圖1所示。

圖1 精準噴氨系統流程圖

1.1 分區(qū)噴氨控制單元

每根噴氨支管增設一個電動調節(jié)閥及其分支流量測點，將每側反應器入口設置成10個可自動調整噴氨量的分區(qū)。分支電動調節(jié)閥通過遠程調整各分支的噴氨量，分支流量測點可準確實時測量各個分支上氨氣與稀釋風的混合流量。通過遠程控制各分區(qū)噴氨單元，實現前后左右不同脫硝進口煙氣流場分區(qū)的噴氨量調節(jié)，保證各分區(qū)中的氮氧化物與氨氣的濃度相互匹配，從而使脫硝出口NOx濃度分布更加均勻，降低氨逃逸率。

1.2 脫硝出口矩陣式取樣單元

在單個脫硝出口的煙道標高約37 m位置，兩側原5個手動測量取樣孔附近，各增開5個在線測量孔，布置位置和分區(qū)與噴氨支管一一對應，劃分相應的10個分區(qū)，具體編號與噴氨分區(qū)一一對應。為了使煙氣樣本更準確、更具有代表性，在每個分區(qū)在線測量孔中設置了3個煙氣取樣探頭，探槍取樣口分別位于煙道深度：1 m、1.8 m、2.6 m，如圖2所示。三根探槍收集到的煙氣經過過濾后在探頭內部進行高溫混合，然后送入測量裝置中。

圖2 脫硝出口矩陣式測量探頭布置圖

該測量系統具有均勻混合與分區(qū)巡測取樣的功能。通過該測量裝置，可以將10個取樣口抽取的煙氣均勻混合，測量出脫硝出口煙道全截面的NOx濃度數值；也可以單獨分別巡回測量不同分區(qū)的NOx濃度，每個測點測量時間為90 s，10個測點巡回測量時間為20 min。同時設置了自動反吹功能，防止管道堵塞。

1.3 人工智能算法控制單元

根據調試人員在脫硝噴氨均勻性調整上的調整經驗及該系統本身調整特性，編制噴氨支管實時自動調整策略，設置自動算法工控機一臺，雙網卡串口服務器的通信配置，實現與脫硝DCS系統數據、指令通信傳輸。

2 分支噴氨調整試驗

選取600 MW負荷的穩(wěn)定工況進行分支噴氨調整試驗，具體流程如下：各分支噴氨調門在全開時，通過調節(jié)脫硝系統左側的不同分支噴氨量，記錄脫硝出口左側各分區(qū)NOx濃度的變化情況。

2.1 單一分支噴氨量變化調整試驗

（1）將Q1分支噴氨調門開度由100%關小至60%，記錄調整前后脫硝出口各分區(qū)NOx濃度數據，如圖3所示。

圖3 Q1分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對比圖

（2）將Q6分支噴氨調門開度由100%關小至60%，記錄調整前后脫硝出口各分區(qū)NOx濃度數據，如圖4所示。

圖4 Q6分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對比圖

通過該調整試驗可發(fā)現，當單一支管噴氨量減小時，該對應脫硝出口分區(qū)NOx濃度也會隨之上升，上升幅度約在15 mg/Nm3，且發(fā)散性向周圍分區(qū)擴散；距離越遠，影響幅度越小。

2.2 多支噴氨量變化組合調整試驗

（1）將Q1、Q2、Q3分支噴氨調門開度由100%關小至60%，記錄調整前后脫硝出口各分區(qū)NOx濃度數據，如圖5所示。

圖5 Q1、Q2、Q3分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對比圖

（2）將Q7、Q8、Q9分支噴氨調門開度由100%關小至60%，記錄調整前后脫硝出口各分區(qū)NOx濃度數據，如圖6所示。

圖6 Q7、Q8、Q9分支噴氨量變化后各分區(qū)NOx濃度變化對比圖

通過該調整試驗可發(fā)現，當多個支管噴氨流量同時減小時，這些對應脫硝出口分區(qū)NOx濃度會隨之上升，上升幅度明顯比單支噴氨流量變化影響大，約在22 mg/Nm3，且發(fā)散性向周圍分區(qū)擴散；距離越遠，影響幅度越小。

3 神經網絡自動控制算法

通過上述試驗可發(fā)現，調整分支噴氨量，對應脫硝出口分區(qū)NOx濃度變化最大，且呈發(fā)散性對附近的分區(qū)產生影響。因此引入神經網絡自動控制算法，對各噴氨支管調門進行實時調整，如圖7所示。

圖7 噴氨支管神經網絡自動控制算法示意圖

具體控制算法如下：各噴氨支管調門開度通過主調節(jié)器與多項副調節(jié)器共同控制，通過摸底試驗決定主、副調節(jié)器內部的各項整定參數。

下面通過Q5噴氨支管調門自動控制算法舉例說明。

3.1 Q5噴氨支管調門主要由Q5主調節(jié)器控制

主調節(jié)器控制算法：編號K5分區(qū)的NOx濃度與設定濃度的偏差乘以一定的比例系數，即為Q5噴氨支管調門的變化值。

該比例系數通過摸底試驗決定，一般整定為0.8；同時為了更好地響應鍋爐工況變化，該比例系數須經過系數f修正，f選取單側脫硝入口煙氣量為優(yōu)，但考慮到該測點波動較大、測量精度較低，故選取鍋爐負荷作為參考，如圖8所示。

圖8 主調比例參數修正系數——f（負荷）

最終Q5的變化值為：（K5分區(qū)濃度-設定濃度）×0.8×f（負荷）。

舉例說明：如果脫硝出口設定濃度為40 mg/Nm3，當負荷為800 MW時，K5分區(qū)的NOx濃度為50 mg/Nm3（20 min巡回檢測一次），其對應Q5調門開度則立即在原基礎上開啟6.7%，然后再次等待接收下一次指令。

3.2 Q5噴氨支管調門還同時受多項副調節(jié)器控制

副調節(jié)器控制算法：編號K3、K4、K6、K7、K8分區(qū)的NOx濃度與設定濃度的偏差乘以一定的比例系數，即為Q5噴氨支管調門的變化值。

該比例系數相對主調節(jié)器較小，通過摸底試驗決定，一般整定為0.3左右較合適，同時接受鍋爐負荷系數f（負荷）的修正。

最終Q5的變化值為：（K5分區(qū)濃度-設定濃度）×0.3×f（負荷）。

舉例說明：如果脫硝出口設定濃度為40 mg/Nm3，當負荷800 MW時，K3分區(qū)NOx濃度為50 mg/Nm3，其對應Q5調門開度則立即在原基礎上開啟2.5%，然后再次等待接收下一次指令。

K4、K6、K7、K8同理。

3.3 支管調門調節(jié)時保證一定的開度

主要保護參數為SCR區(qū)稀釋風流量，總體所有分區(qū)調節(jié)閥會保證一定開度，以防止SCR區(qū)域稀釋風流量過低導致SCR退出事件發(fā)生。通過摸底試驗，各分支噴氨調門在60%～100%開度范圍內變化，能滿足該脫硝系統惡劣工況下的調節(jié)需求；同時為了防止自動控制單元過調，將分支噴氨調門自動控制下限設置為60%[4]。

4 結語

優(yōu)化后發(fā)現，脫硝出口分區(qū)NOx濃度分布比改造前大有好轉，氨逃逸率總體下降明顯，小時均值波動下降。同時，總體噴氨量也有明顯下降，月耗氨量從88 t左右下降到77 t左右，按照市場液氨價格3 000元/t計算，月節(jié)省發(fā)電成本約3萬元。自動投用率基本達到100%，極大地減少了運行人員的干預和維護。

為了檢驗精準噴氨系統的改造效果，進行了針對性深度降氮試驗，通過改造后的深度降氮試驗可發(fā)現，脫硝出口分區(qū)NOx濃度分布比改造前大有好轉，氨逃逸率總體下降明顯，在0.76 mg/m3（1 ppm）左右。最重要的是，原氨逃逸率較高點已經消除，說明優(yōu)化后的脫硝精準噴氨系統能夠在各工況下長期安全穩(wěn)定運行。如果日后環(huán)保管控要求煙囪出口NOx濃度小于30 mg/Nm3，優(yōu)化后的脫硝精準噴氨系統將完全可以滿足該要求。