火電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化研究

郝正，胡小夫，王云，汪洋，沈憲明，李偉，王樺

(中國(guó)華電科工集團(tuán)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(jī)組應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的煙氣脫硝技術(shù)。由于國(guó)家鼓勵(lì)火電廠進(jìn)行靈活性改造，機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)更加頻繁，變動(dòng)幅度也變得更大，而機(jī)組負(fù)荷的大幅變化會(huì)導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場(chǎng)發(fā)生改變，同時(shí)會(huì)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(wèn)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(yùn)行人員為保證達(dá)標(biāo)排放，只能過(guò)量噴氨，而逸出的氨會(huì)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(jiǎn)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(jī)失速，被迫停爐清理空預(yù)器，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響［1－8］。

本文以江蘇某電廠#7機(jī)組SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)該機(jī)組運(yùn)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(wèn)題，對(duì)該機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化改造。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析站進(jìn)行NOx大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，結(jié)合外掛智能控制器穩(wěn)定噴氨總量，同時(shí)利用分區(qū)噴氨控制閥和NOx全斷面多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)均衡控制各分區(qū)噴氨量，顯著降低氨耗量，實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)穩(wěn)定超低排放，同時(shí)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(wèn)題。

1 機(jī)組概況

江蘇某電廠330 MW機(jī)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(jìn)行了網(wǎng)格法測(cè)試，測(cè)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(chǎng)分布較好，無(wú)需進(jìn)行流場(chǎng)改造，反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度場(chǎng)分布較差，不均勻度(用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)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(jì)，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(jiàn)表1，脫硝系統(tǒng)入口煙氣設(shè)計(jì)值見(jiàn)表2(6%O2、標(biāo)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(cè)儀，各設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)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(jì)值Tab.2 Design value of the flue gas at denitration system inlet mg /m3

2 SCR脫硝精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化系統(tǒng)

該機(jī)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(guò)量易造成氨逃逸率高。SCR脫硝精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)入口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，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(duì)噴氨管道進(jìn)行分區(qū)，均衡控制各分區(qū)噴氨量，最終實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)穩(wěn)定超低排放?？刂葡到y(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(zhǔn)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(qiáng)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(dú)為分散控制系統(tǒng)(DCS)提供預(yù)測(cè)結(jié)果。

外掛智能控制器可以在復(fù)雜多變的運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)噴氨系統(tǒng)的完全自我控制，核心是通過(guò)在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)訓(xùn)練模型，實(shí)時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)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(cè)模塊，根據(jù)燃燒機(jī)理，采用基于改進(jìn)徑向基函數(shù)(RBF)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)入口NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，解決常規(guī)儀表測(cè)量延遲的問(wèn)題。

(2)內(nèi)置自適應(yīng)內(nèi)?？刂萍俺跋辔谎a(bǔ)償模塊，針對(duì)控制對(duì)象的遲延慣性及非線性等控制難點(diǎn)，實(shí)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(wú)擾預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)脫硝全程無(wú)盲區(qū)控制。

大數(shù)據(jù)分析站的預(yù)測(cè)結(jié)果將輔助噴氨控制系統(tǒng)進(jìn)行噴氨量調(diào)節(jié)，隨著技術(shù)手段的調(diào)整及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，其預(yù)測(cè)精度會(huì)越來(lái)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(zhǎng)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(cè)模型［9］，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷范圍內(nèi)NOx生成量的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為精準(zhǔn)噴氨提供準(zhǔn)確的前饋數(shù)據(jù)，從而解決復(fù)雜燃燒系統(tǒng)無(wú)法快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NOx的問(wèn)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(duì)反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)的結(jié)果，由圖2可知，預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值相比，準(zhǔn)確率高達(dá)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(cè)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(biāo)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(duì)噴氨管道進(jìn)行分區(qū)，各分區(qū)增加調(diào)節(jié)閥門(mén)和測(cè)量?jī)x表，同時(shí)在反應(yīng)器出口安裝NOx多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)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(kāi)度，其優(yōu)化目標(biāo)為控制反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以內(nèi)，同時(shí)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(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，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(yùn)行數(shù)據(jù)得知，精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化改造系統(tǒng)正式投運(yùn)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(cè)試結(jié)果及分析

3.1 精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試結(jié)果及分析

圖3為優(yōu)化前的A側(cè)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)圖。由圖3可知，入口和出口NOx質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，出口NOx質(zhì)量濃度隨負(fù)荷變化而波動(dòng)。在2.5—8.0min這段時(shí)間，機(jī)組負(fù)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(dòng)較大，最高為60 mg/m3，最低為20 mg/m3，并且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，易造成NOx局部超標(biāo)排放。

圖3 改造前入口、出口NO x質(zhì)量濃度和機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)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(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)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(dòng)較小，控制精度明顯優(yōu)于改造前。1.0—3.5 min這段時(shí)間，機(jī)組負(fù)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(dòng)，并且在入口NOx質(zhì)量濃度波動(dòng)結(jié)束后迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化后出口NOx質(zhì)量濃度波動(dòng)小、穩(wěn)定快的原因是：在入口NOx質(zhì)量濃度未反饋測(cè)量值之前，精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)利用預(yù)測(cè)模型超前調(diào)整噴氨調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制噴氨量匹配預(yù)測(cè)NOx質(zhì)量濃度變化量，在得到出、入口NOx質(zhì)量濃度測(cè)量值后，又利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性快速進(jìn)行精確調(diào)整，使得目標(biāo)值在極小的范圍內(nèi)波動(dòng)，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(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)Fig.4 Changes of NO x mass concentrations at inlet/outlet and actual power after the retrofit

3.2 精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后出口NO x測(cè)試結(jié)果及分析

在330 MW工況下對(duì)SCR裝置優(yōu)化改造前、后的運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試。反應(yīng)器A，B出口8個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)NOx測(cè)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(dá)37%，改造后降至8%，比改造前降低了29百分點(diǎn);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(diǎn);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(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后出口NO x質(zhì)量濃度對(duì)比Fig.5 Comparison of NO x mass concentrations before and after the precise ammonia injection retrofit on side A

3.3 精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后氨逃逸率測(cè)試結(jié)果及分析

圖6 B側(cè)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后出口NO x質(zhì)量濃度對(duì)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(shí)，NH3/NOx分布偏差越大氨逃逸率越高［4］。在330 MW工況下對(duì)SCR裝置優(yōu)化調(diào)整前、后的氨逃逸情況進(jìn)行了測(cè)試。反應(yīng)器A，B的8個(gè)測(cè)點(diǎn)氨逃逸率測(cè)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(yán)重的氨逃逸情況，最高可達(dá) 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(guò)精準(zhǔn)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(guò)高的氨逃逸率，并減輕了空預(yù)器ABS堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 A側(cè)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后出口氨逃逸率對(duì)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(zhǔn)噴氨優(yōu)化前、后出口氨逃逸率對(duì)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(zhǔn)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(biāo)、氨逃逸率偏高和空預(yù)器堵塞等問(wèn)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(diǎn)。