SCR 脫硝動(dòng)態(tài)精細(xì)化控制技術(shù)研究及應(yīng)用

李一波

（廣東省能源集團(tuán)有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞 523936）

氮氧化物 NOx 是燃煤機(jī)組釋放的主要污染物之一，嚴(yán)重危害著人類的生存環(huán)境。因此，目前燃煤機(jī)組均采取了有效的脫硝措施以降低 NOx 排放。國內(nèi)大多數(shù)火電廠采用選擇性催化還原技術(shù)（簡稱SCR ），該裝置存在以下問題：噴氨量的控制較粗略，現(xiàn)有SCR 在噴氨控制過程中不能根據(jù)反應(yīng)器橫截面上NOx 濃度、煙氣流速、煙氣溫度的差異調(diào)整噴氨量，不利于NH3/NOx 的良好混合、提高脫硝效率并控制氨逃逸；噴氨量的調(diào)整速度較慢，現(xiàn)有SCR 在反應(yīng)器入口NOx 濃度發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整噴氨量的相應(yīng)時(shí)間較長，容易導(dǎo)致NOx排放或者氨逃逸超標(biāo)噴氨不合理，脫硝反應(yīng)器出口NOx 分布偏差大，局部氨逃逸濃度過大的現(xiàn)象，同時(shí)燃煤機(jī)組負(fù)荷變化頻繁、煤質(zhì)特性復(fù)雜等因素使得SCR 運(yùn)行難度加大，影響機(jī)組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通過優(yōu)化噴氨調(diào)節(jié)裝置，提高噴氨調(diào)節(jié)速率，調(diào)整出口截面的NOx 分布，降低氨逃逸峰值，并有效提高SCR 系統(tǒng)的脫硝效率，延長催化劑的使用壽命，達(dá)到精細(xì)化控制，對火電廠SCR 裝置的噴氨優(yōu)化調(diào)整有著重要的意義。

1 脫硝設(shè)備概況

廣東能源有限公司沙角C 電廠 660 MW 亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組脫硝系統(tǒng)采用SCR 脫硝工藝，單爐體雙 SCR 結(jié)構(gòu)體布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間。脫硝還原劑采用液氨法方案，催化劑采用蜂窩式催化劑。SCR 裝置內(nèi)沿?zé)煔饬飨蛟跓煹啦煌恢迷O(shè)置導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器和整流格柵。氨與稀釋空氣混合后經(jīng)噴氨格柵( AIG) 進(jìn)入SCR煙道，自格柵式噴嘴噴出，可通過手動(dòng)蝶閥分區(qū)控制煙道截面上的氨噴射流量。SCR 入口煙氣參數(shù)見表 1，原始SCR 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（見圖 1） 主要由進(jìn)口煙道和反應(yīng)器組成。SCR 系統(tǒng)噴氨格柵（AIG）沿爐膛寬度方向布置14 根支管，每根支管最終連接4 個(gè)噴孔，共56 個(gè)噴孔。反應(yīng)器內(nèi)在彎頭處及漸擴(kuò)段總共布置有4 組導(dǎo)流板。反應(yīng)器有2 層催化劑層，催化劑層上部安裝整流格柵，使進(jìn)入催化劑層的煙氣更加均勻[1]。

表1 SCR 入口煙氣參數(shù)

圖 1 原始SCR 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)態(tài)精細(xì)化噴氨關(guān)鍵技術(shù)

2.1 精細(xì)化系統(tǒng)簡介

SCR 脫硝動(dòng)態(tài)精細(xì)化控制系統(tǒng)是基于SCR 反應(yīng)器入口/出口NOx 濃度的分區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用智能噴氨控制算法和分區(qū)噴氨氣動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)SCR噴氨量的實(shí)時(shí)精確控制，提高反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)區(qū)域均勻的氨氮混合效果，以達(dá)到提高脫硝效率和降低氨逃逸率的目的。系統(tǒng)概括圖如圖2 所示。

SCR 脫硝動(dòng)態(tài)精細(xì)化控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)PID控制模式的基礎(chǔ)上加入前饋控制模塊、模糊處理單元以及分區(qū)級(jí)聯(lián)架構(gòu)的智能化控制系統(tǒng)，基于SCR 脫硝裝置入口/出口NOx 濃度的分區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立NOx 排放模型，動(dòng)態(tài)跟蹤入口NOx 濃度分布特征，進(jìn)而實(shí)時(shí)給出噴氨支路電動(dòng)閥的調(diào)整指令，使出口NOx 分布趨于均勻。系統(tǒng)還能通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析來評估不同分區(qū)對應(yīng)的催化劑活性級(jí)別，為催化劑的壽命評估和更新策略提供數(shù)據(jù)上的支撐。

2.2 分區(qū)實(shí)時(shí)控制技術(shù)

SCR 脫硝系統(tǒng)是利用NH3對NOx 的還原特性，在催化劑的作用下將NOx 還原為對環(huán)境無害的N2和H2O。該系統(tǒng)的實(shí)施首先通過熱態(tài)試驗(yàn)獲得SCR入口煙氣流速、NOx 濃度和SCR 出口NOx 濃度的分布特征，將噴氨格柵分區(qū)對應(yīng)的入口煙氣分區(qū)、催化劑分區(qū)和出口煙氣分區(qū)均劃入同一區(qū)分區(qū)，按照每個(gè)分區(qū)的SCR 出口煙氣氣氛濃度分布在線測量數(shù)據(jù)，對該分區(qū)進(jìn)行單獨(dú)的噴氨量控制。在沙角C 電廠的分區(qū)實(shí)施方案為：A 側(cè)出口安裝4 個(gè)NOx濃度檢測測點(diǎn)，B 側(cè)出口安裝6 個(gè)NOx 濃度檢測測點(diǎn)，A 側(cè)出口煙道測點(diǎn)如圖3 所示，B 側(cè)出口煙道測點(diǎn)如圖4 所示。

圖2 精細(xì)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概括總圖

圖3 A 側(cè)煙道測點(diǎn)選位圖

圖4 B 側(cè)煙道測點(diǎn)選位圖

每個(gè)區(qū)域均以本區(qū)域?qū)?yīng)的出入口NOx 濃度及催化劑現(xiàn)有催化效率作為控制依據(jù)來精確計(jì)算本區(qū)域的噴氨量，由于SCR 裝置內(nèi)部的流場復(fù)雜，所以可能出現(xiàn)同一個(gè)區(qū)域需要另外兩個(gè)區(qū)或多個(gè)區(qū)同時(shí)調(diào)節(jié)噴氨閥門的情況，故需要現(xiàn)場采集大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)來達(dá)到理想的控制目標(biāo)。而要達(dá)到噴氨實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，關(guān)鍵是要對出入口的NOx 的濃度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的檢測，這也是實(shí)現(xiàn)分區(qū)、實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵。

根據(jù)電廠運(yùn)行情況對煙道進(jìn)行分區(qū)是精細(xì)化智能控制噴氨系統(tǒng)的前提，而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化智能控制噴氨系統(tǒng)三大關(guān)鍵技術(shù)包括氣氛濃度分布在線監(jiān)測技術(shù)、噴氨調(diào)節(jié)閥分區(qū)遠(yuǎn)程電控調(diào)節(jié)技術(shù)、智能控制技術(shù)。

2.3 噴氨總閥控制策略

噴氨總閥控制策略如圖5 所示。與現(xiàn)有的PID控制不同的是：建立前饋控制專家?guī)?，利用鍋爐側(cè)的5 個(gè)參數(shù)得到入口NOx 濃度的變化趨勢作為前饋控制來代替現(xiàn)有PID 控制中的利用入口NOx 濃度的微分項(xiàng)作為前饋控制；另外在計(jì)算煙氣濃度時(shí)，考慮到A、B 側(cè)風(fēng)量不均等情況，增加一個(gè)系數(shù)K 作為修正。

圖 5 噴氨總閥控制策略

本質(zhì)上講，專家系統(tǒng)就是一個(gè)包含知識(shí)和推理的智能計(jì)算機(jī)程序。通過對電廠在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，根據(jù)一定的規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可實(shí)用的專家知識(shí)，存在專家?guī)熘幸员阌谠趯?shí)際中使用。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到專家?guī)熘袝r(shí)，就可以利用以往的知識(shí)迅速獲得優(yōu)化的結(jié)果[2]。

專家?guī)斓慕⒑瓦\(yùn)行方式如圖6 所示。每隔一段時(shí)間，利用電廠的歷史數(shù)據(jù)，將數(shù)值轉(zhuǎn)換為符號(hào)形式，經(jīng)過設(shè)定的入庫規(guī)則，進(jìn)入專家?guī)熘?，更新專家?guī)靸?nèi)容，這其中可以通過人工干涉確定其入庫的規(guī)則以及直接通過人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整專家?guī)臁＜規(guī)煨纬苫蚋潞?，?shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)來，進(jìn)行同樣的符號(hào)化處理，找到對應(yīng)的結(jié)果，輸出這個(gè)結(jié)果至控制系統(tǒng)。

圖6 專家?guī)斓慕⑴c運(yùn)行

2.4 噴氨分閥控制策略

圖7 給出了分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)在傳統(tǒng)PID 控制模塊的基礎(chǔ)上，引入模糊處理單元、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器以及智能前饋控制模塊三大部分。

圖7 分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)策略

其中，模糊處理單元的主要功能在于對各測點(diǎn)測量值進(jìn)行適當(dāng)分級(jí)分檔；模糊處理單元的輸入?yún)⒘堪ǎ喝肟贜Ox 濃度、入口煙氣溫度、出口五個(gè)區(qū)域NOx 濃度、出口NH3濃度、出口煙氣溫度、支管閥門開度、支管閥門流量、主管閥門開度、主管閥門流量；輸出參量為分級(jí)后的各測點(diǎn)模糊值。

反饋控制模塊以RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償預(yù)測控制器為主，模糊處理單元作為數(shù)據(jù)輔助處理單元，整個(gè)模塊的輸出量作為反饋回路的控制補(bǔ)償值與傳統(tǒng)PID 控制器的輸出量疊加后，用于控制各區(qū)域的支管和主管閥門開度，從而提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使各個(gè)區(qū)域的NOx 濃度分布均衡值始終控制在設(shè)定的方差范圍內(nèi)。

典型的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，補(bǔ)償預(yù)測控制器是在典型RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入敏感分析系統(tǒng)，通過判斷每個(gè)輸入?yún)⒘繉敵隽康膬r(jià)值，根據(jù)期望值對輸入?yún)⒘窟M(jìn)行修正，達(dá)到滿意的期望輸入值，即對輸入?yún)⒘窟M(jìn)行帶有權(quán)值的反饋修正，RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償預(yù)測控制器的基本學(xué)習(xí)流程圖如圖9 所示。

圖8 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖9 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償預(yù)測控制器學(xué)習(xí)過程圖

前饋控制模塊主要由氨氣流量智能前饋控制器實(shí)現(xiàn)，通過智能前饋技術(shù)對脫硝控制系統(tǒng)受到的外部擾動(dòng)（如負(fù)荷、風(fēng)量和給煤量等）進(jìn)行及時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從干擾源頭消除NOx 濃度的劇烈波動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域的NOx 濃度值均處于設(shè)定濃度值以下。為了嚴(yán)格控制系統(tǒng)的NOx 排放量，前饋控制模塊有別于反饋控制模塊，不采用模糊分級(jí)控制模式，對主管閥門的開度給出精確補(bǔ)償。

圖10 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.5 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元的整體構(gòu)架及數(shù)據(jù)流如圖10 所示。數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)由下位機(jī)和上位機(jī)執(zhí)行。

2.5.1 下位機(jī)

下位機(jī)軟件系統(tǒng)構(gòu)建如圖11所示。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能分為以下幾個(gè)部分：①采集相關(guān)傳感器上面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；②通過modbus 通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；③根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)控制器上面的相關(guān)參數(shù)。

2.5.2 上位機(jī)

上位機(jī)中系統(tǒng)構(gòu)架如圖12 所示。

圖11 下位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖12 上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架

上位機(jī)軟件部分主要包括三個(gè)模塊：

a)界面繪制模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)完成相關(guān)的界面操作功能，主要包括：①登錄界面；②運(yùn)行狀態(tài)界面；③歷史數(shù)據(jù)查詢界面；④實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面。

b）通訊模塊

該模塊分為modbus 通訊和DCS 通訊兩個(gè)部分。

c) 數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊分為以下幾個(gè)部分：①解析數(shù)據(jù)；②存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.6 催化劑壽命輔助評估技術(shù)

分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)中出入口處NOx 濃度和NH3濃度的變化趨勢可以直接反應(yīng)催化劑的活性程度，通過對經(jīng)過催化劑前后的NOx 和NH3濃度歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，加入專家系統(tǒng)判定模塊，催化劑壽命輔助評估模塊可以輸出對催化劑活性級(jí)別的智能評估，催化劑壽命輔助評估模塊的基本邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖13 所示。

在圖13 中可以看到，催化劑壽命評估專家系統(tǒng)通過對控制系統(tǒng)采集到的監(jiān)測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)做基本的統(tǒng)計(jì)分析，配合使用通過專家經(jīng)驗(yàn)所描述的“催化劑壽命-出入口NOx 含量”數(shù)學(xué)模型，不斷地在線學(xué)習(xí)與調(diào)整催化劑活性級(jí)別的特性曲線，同時(shí)，通過輸入分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，催化劑壽命輔助評估模塊可以通過擬合曲線對當(dāng)前催化劑使用活性進(jìn)行分級(jí)分檔的評估，為電廠更新催化劑的策略、機(jī)組運(yùn)維周期的制定以及維護(hù)成本的核算等提供基于數(shù)據(jù)與模型的支撐。催化劑壽命輔助評估模塊的評估結(jié)果可以通過自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式反饋到優(yōu)化噴氨控制系統(tǒng)的反饋控制模塊中，從而可以根據(jù)不同區(qū)域催化劑的活性來精細(xì)化補(bǔ)償各區(qū)域支管閥門的開度比例，在實(shí)際運(yùn)行中可以明顯降低催化劑整體失活效率、通過分區(qū)噴氨的精細(xì)化調(diào)整延長催化劑的使用壽命、降低脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)成本。

3 應(yīng)用情況及效果

3.1 均勻性提高，兩側(cè)濃度偏差減少，脫硝效率提高

在投運(yùn)分區(qū)優(yōu)化之前，AB 兩側(cè)NOx 濃度各測點(diǎn)差異非常大，可以看到A 側(cè)1 號(hào)測點(diǎn)處NOx濃度值高達(dá)79.45mg/m3，而3 號(hào)測點(diǎn)處濃度只有11.95mg/m3，1 號(hào)測點(diǎn)NOx 濃度值與平均值偏差在44mg/m3左右，這將很大程度影響脫硝效果。

B 側(cè)雖然稍好，但是最高值與最低值差距也有21mg/m3，與平均值的偏差最大也在13mg/m3左右這勢必會(huì)影響SCR 系統(tǒng)的脫硝效果。在投運(yùn)分區(qū)優(yōu)化控制之后，可以看到各測點(diǎn)NOx 的濃度差異顯著減小，AB 兩側(cè)各測點(diǎn)NOx 濃度最大偏差均在10mg/m3以內(nèi)，分區(qū)優(yōu)化控制對分區(qū)的氨氮混合效果有明顯改善。

圖13 催化劑壽命輔助評估模塊邏輯結(jié)構(gòu)圖

在分閥控制響應(yīng)時(shí)間方面，選取B 側(cè)閥門做為參考，當(dāng)9 號(hào)測點(diǎn)NOx 濃度突然出現(xiàn)一個(gè)較大上升的時(shí)候（偏差值=平均值-測點(diǎn)值），整體平均值會(huì)明顯上升，各測點(diǎn)處的偏差值也會(huì)改變，在程序檢測到偏差變動(dòng)后，各閥門迅速響應(yīng)，進(jìn)行了調(diào)節(jié)，5 號(hào)閥門開度減小，使6 號(hào)測點(diǎn)濃度偏差恢復(fù)到設(shè)定范圍附近，7 號(hào)閥門開度減小，使8 號(hào)測點(diǎn)濃度偏差恢復(fù)，響應(yīng)時(shí)間迅速，控制效果良好。通過對投運(yùn)圖像的分析，當(dāng)偏差出現(xiàn)較大波動(dòng)的時(shí)候，大約在4～7 分鐘之后可以調(diào)節(jié)平穩(wěn)，整體調(diào)節(jié)速度比較迅速。

3.2 脫硝效益

沙角C 電廠精細(xì)化控制系統(tǒng)項(xiàng)目總投資為250萬元，該系統(tǒng)自投運(yùn)以來，穩(wěn)定可靠，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 通過SCR 精細(xì)化控制后：2018 年減小出口NOx 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，增加催化劑壽命一年以上，催化劑壽命按3 年計(jì)算，每次更換催化劑費(fèi)用393 萬元，由此估算節(jié)省催化劑費(fèi)用131 萬元。

3.2.2 減少空預(yù)器運(yùn)行維護(hù)成本：降低氨逃逸，有效緩解空預(yù)器堵塞現(xiàn)象，減少風(fēng)機(jī)電耗0.2%，節(jié)約費(fèi)用660MW×4000h×0.3元/kWh×0.2%≈160萬元，減少空預(yù)器維護(hù)一次，維護(hù)費(fèi)用約238萬元，合計(jì)398萬元。

3.2.3 節(jié)省脫硝劑消耗費(fèi)用：低氮燃燒技術(shù)降低NOx 排放，精細(xì)化智能噴氨實(shí)現(xiàn)按需噴氨，避免脫硝劑浪費(fèi)，一側(cè)噴氨量100kg/h，一臺(tái)機(jī)組按年5000h 計(jì)算，每年噴氨量約100×2×5000=1000000kg=1000 噸氨； 按節(jié)約10%計(jì)算，那么節(jié)省100 噸氨，每年節(jié)省氨費(fèi)用約100噸×3000 元/噸=30 萬，每年節(jié)約60 萬元。

3.2.4 減少氮氧化物超標(biāo)環(huán)保費(fèi)用：2 號(hào)機(jī)組2018 年1-3 月退出精細(xì)化控制，運(yùn)行時(shí)間1184 小時(shí)，氮氧化物超標(biāo)30 小時(shí)超低排放合格率，合格率97.46%，供電66518.5 萬千瓦時(shí)，每千瓦時(shí)損失超低電價(jià)補(bǔ)貼0.001 元，合計(jì)損失約66 萬元，4月份應(yīng)用精細(xì)化控制后，氮氧化物未出現(xiàn)小時(shí)均值超標(biāo)情況。

2018 年共節(jié)?。?31+398+ 60+66=655 萬元。

4 結(jié)語

SCR 脫硝動(dòng)態(tài)精細(xì)化控制系統(tǒng)自投運(yùn)以來，穩(wěn)定可靠，特別是機(jī)組在深度調(diào)峰調(diào)頻以及煤種變化的工況下，能快速響應(yīng)，在保證凈煙氣NOx 排放符合環(huán)保要求的條件下，實(shí)現(xiàn)SCR 出口NOx 濃度調(diào)節(jié)的高品質(zhì)及壓邊界運(yùn)行，以達(dá)到最佳噴氨總量，減少氨逃逸。通過SCR 精細(xì)化控制，NOx 排放瞬時(shí)超標(biāo)減少，達(dá)到國家超低排放各項(xiàng)要求。該系統(tǒng)能很好地解決全國在役300MW～1000MW 機(jī)組SCR 系統(tǒng)超調(diào)、NH3逃逸量大等問題，既能實(shí)現(xiàn)超低排放要求，又能節(jié)省設(shè)備的運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色、環(huán)保的顯著社會(huì)效益，有較高的應(yīng)用價(jià)值。