火電機(jī)組基于人工智能流場自適應(yīng)的SCR精細(xì)噴氨系統(tǒng)的研究

胡俊剛

（貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司大龍分公司，貴州 銅仁 554001）

1 現(xiàn)狀分析

由于客觀存在的局限性，火電廠脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍存在著震蕩、跟蹤慢、過調(diào)問題，尤其是在機(jī)組啟動(dòng)、負(fù)荷升降、磨煤機(jī)切換等變工況情況下，主要原因歸納如下：

氨逃逸測量及控制手段欠缺，易引起空預(yù)器堵塞；

控制系統(tǒng)無法及時(shí)跟蹤NOX波動(dòng)，造成過噴或欠噴。

圖1 SCR反應(yīng)器出口NOX檢測圖像

2 系統(tǒng)功能及技術(shù)方案

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集

⊙關(guān)鍵測點(diǎn)：SCR進(jìn)口NOX濃度、煙氣流量及溫度壓力；SCR出口NOX濃度；SCR出口氨逃逸。

⊙SCR入口NOX濃度的影響因素及影響程度：機(jī)組負(fù)荷及變化率；鍋爐結(jié)構(gòu)；SCR結(jié)構(gòu)；煤種與煤質(zhì)；制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式；AGC指令及變化率等。

⊙氨氮摩爾比的影響因素及影響程度：煙囪入口NOX濃度；煙氣含氧量；煙氣溫度；催化劑活性等。

（1）高精度多點(diǎn)在線式氨逃逸濃度檢測

為保證準(zhǔn)確測量氨逃逸濃度，采用以下技術(shù)：

⊙光纖分布技術(shù)-實(shí)現(xiàn)主機(jī)與現(xiàn)場光學(xué)端分離：采用光纖分布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測。

⊙無需校正技術(shù)-系統(tǒng)無漂移，避免了定期校正需要：采用內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣體參比模塊，實(shí)時(shí)鎖住氨氣吸收譜線，系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)校正狀態(tài)，不受溫度、電源以及系統(tǒng)部件老化影響，分析儀不存在漂移問題，無需用戶定期用標(biāo)準(zhǔn)氣體校正儀器，維護(hù)量極低；

⊙氨逃逸多次反射池有效光程達(dá)到30米，靈敏度較對(duì)射式氨逃逸分析儀提高了20倍，靈敏度可達(dá)0.1ppm以上。

基于多次反射池技術(shù)的抽取式光學(xué)端包括以下功能：

⊙有效檢測光程達(dá)到30米，氨氣檢測靈敏度好于0.1ppm；

⊙所有樣品接觸部分均溫控到250℃，避免NH3與SO3產(chǎn)生NH4（HSO4），造成采樣損失；

⊙沒有采樣管線，樣品氣體直接進(jìn)入多次反射池，避免采樣損失；

⊙采樣探頭安裝超精細(xì)過濾器，過濾后的氣體非常潔凈，光學(xué)鏡片維護(hù)量低；

⊙分析儀控制的過濾器反吹時(shí)間可任意設(shè)定，避免過濾器堵塞，過濾器維護(hù)周期長；

⊙基于30米光程多次反射池的氨逃逸分析儀，在250℃氣體（溫控溫度），靈敏度能達(dá)到0.03ppm，真實(shí)的安裝工況下，至少能好于0.1ppm。

（2）多點(diǎn)NOX濃度檢測

要使煙氣NOX測量具有煙道全截面的代表性，參考GB/T16157《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》，將煙道的橫截面分成若干相等的單元面積，每個(gè)單元面積設(shè)置一組煙氣取樣器，從這些單元面積的中心采集煙氣。

圖2 煙道取樣器分布示意圖

2.2 流場分析優(yōu)化

（1）CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬

結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和調(diào)整，改善SCR內(nèi)流場不均勻的影響。整個(gè)脫硝裝置內(nèi)流場的數(shù)值模擬是通過CFD軟件實(shí)現(xiàn)。模擬過程中數(shù)學(xué)模型的選取及邊界條件的處理方式主要包括以下幾個(gè)方面：

⊙選用Standardk-ε模型對(duì)湍流進(jìn)行簡化模擬；

⊙選用組分輸運(yùn)模型計(jì)算氨氣在煙氣中的輸運(yùn)和擴(kuò)散；

⊙催化劑層采用各向異性多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡化；

⊙邊界條件的設(shè)定：煙氣入口為質(zhì)量入口條件，噴氨入口條件為速度入口，出口為壓力出口。

該模型用有限體積法在離散的網(wǎng)格上進(jìn)行求解。由于流速較快，求解過程中耦合進(jìn)湍流求解模塊。

（2）現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)調(diào)平

通過摸底試驗(yàn)調(diào)整噴氨格柵各支管氨流量，改善SCR出口NOX濃度場非均勻性的影響。

（3）形成測量值修正表

結(jié)合不同工況形成修正表，對(duì)儀表測量值作出修正。

（4）建立對(duì)應(yīng)關(guān)系

建立氨逃逸各測點(diǎn)位置及出口NOX濃度分布與噴氨各支路閥門開度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 優(yōu)化控制策略

采用“兩級(jí)串級(jí)+預(yù)測模型+模糊控制”復(fù)合控制系統(tǒng)

（1）串級(jí)控制

主被控參數(shù)：以SCR出口NOX濃度作為被調(diào)節(jié)量；

副被控參數(shù)：以氨氣流量作為被調(diào)節(jié)量。

（2）預(yù)測模型

從鍋爐、SCR的各種輸入量中得出煙氣入口NOX量的模型，從而能提前并準(zhǔn)確計(jì)算出入口NOX量，克服大時(shí)延的問題；同時(shí)又用NOX測量結(jié)果對(duì)預(yù)測模型修正擬合。計(jì)算公式如下：

k=f（氨逃逸濃度、煙囪入口NOX濃度、氧量…）（機(jī)組負(fù)荷、AGC、磨煤機(jī)、煤種煤質(zhì)…）

（3）模糊控制

利用模糊控制器調(diào)整PID設(shè)定值，將SCR出口NOX濃度控制在一定范圍內(nèi)，降低氨逃逸，提高控制品質(zhì)。

模糊控制器的輸入量為出口NOX濃度測量值與設(shè)定值的偏差e及其偏差變化率ec，輸出量為氨氮比調(diào)整值Δk。

根據(jù)對(duì)影響因素的相關(guān)性分析結(jié)果以及專家的分析判斷，可以得出具體的模糊規(guī)則表。由模糊控制器根據(jù)實(shí)際輸入量進(jìn)行查表及計(jì)算，并輸出氨氮比調(diào)整值Δk。

（4）噴氨系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

圖3 優(yōu)化控制系統(tǒng)示意圖

3 相關(guān)應(yīng)用

（1）多點(diǎn)氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

圖4 多點(diǎn)在線式氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)

（2）煙氣流量在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（風(fēng)洞）

圖5 煙氣流量在線監(jiān)測系統(tǒng)

4 結(jié)束語

SCR脫硝工藝的噴氨系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)世界性的難題，尤其對(duì)于中國電廠的高粉塵工況下的煙氣。綜上所述，本文在數(shù)據(jù)采集上采用了矩陣式流量監(jiān)測和基于PIMs技術(shù)和TDLAS技術(shù)的氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)，它解決了氨逃逸檢測中的難題，對(duì)SCR的優(yōu)化控制起到重要作用；在控制系統(tǒng)中采用了CFD建模技術(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過現(xiàn)場摸底試驗(yàn)和格柵調(diào)整的方式進(jìn)行流場優(yōu)化，采用“兩級(jí)串級(jí)+預(yù)測模型+模糊控制”復(fù)合控制系統(tǒng)來優(yōu)化控制系統(tǒng)，解決了火電廠脫硝噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍存在的震蕩、跟蹤慢、過調(diào)問題，大大提高了火電機(jī)組運(yùn)行過程的工作效率和環(huán)保性。