脫硝出口矩陣式分區(qū)同步測量裝置的開發(fā)與研究

中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 顧滌楓 陳小強(qiáng) 王德華 陶小宇 吳成年

我國經(jīng)濟(jì)在過去幾十年取得了飛速的發(fā)展，但與之同時(shí)也帶來了許多問題，其中包括氮氧化物(NOx)排放引起的環(huán)境污染問題。目前我國燃煤電廠的發(fā)電量仍約占國內(nèi)發(fā)電總量的75%，因此燃煤電廠產(chǎn)生的NOx排放量在我國NOx排放總量中仍占比很大，嚴(yán)格控制燃煤電廠的NOx排放勢在必行，也正是基于此我國近年來不斷提高燃煤電廠NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)。中國對燃煤電廠的超低排放限值與美國（2011年5月3日后新、擴(kuò)建）、歐盟燃煤電廠最嚴(yán)格的排放限值（mg/m3）分別為：顆粒物（煙塵）10或5/12.3/10；SO235/136.1/150；NOx50/95.3/150。

可以看出，與美國《新建污染源的性能標(biāo)準(zhǔn)》（NSPS，New Source Performance Standard）中最嚴(yán)排放限值（適用于2011年5月3日以后新、擴(kuò)建機(jī)組，美國排放標(biāo)準(zhǔn)中以單位發(fā)電量的污染物排放水平表示，為便于比較將其進(jìn)行了折算）相比，中國超低排放限值更加嚴(yán)格，其中NOx限值僅為美國排放標(biāo)準(zhǔn)52%。與歐盟2010/75/EU《工業(yè)排放綜合污染預(yù)防與控制指令》（Directive on industrial emissions（integrated pollution prevention and control））中最嚴(yán)排放限值（適用于300MW以上新建機(jī)組）相比，其中NOx僅為歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)的33%?？梢娭袊壳皩?shí)施的超低排放限值明顯嚴(yán)于美國、歐盟現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)限值。并且，中國超低排放限值符合率的評判標(biāo)準(zhǔn)為小時(shí)濃度，而美國排放標(biāo)準(zhǔn)限值的評判標(biāo)準(zhǔn)為30天滾動(dòng)平均值，歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)限值的評判標(biāo)準(zhǔn)為日歷月均值。因此，從評判方法來說中國的標(biāo)準(zhǔn)也比美國和歐盟的都要更苛刻。

1 現(xiàn)狀分析

目前火電廠脫硝的方式一般都采用SCR方式，即選擇性催化還原反應(yīng)法，SCR脫硝系統(tǒng)是在省煤器出口催化劑入口前噴入氨氣、利用催化劑將煙氣中的NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。由于煙道的截面積大，煙氣分布與噴氨之間的比例不均而使催化劑層入口處的氨氮摩爾比不均勻，SCR系統(tǒng)NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOx反應(yīng)。由于目前執(zhí)行的是超凈排放的標(biāo)準(zhǔn)，脫硝的標(biāo)準(zhǔn)為50mg/m3，在煙氣的NOx氣體中主要包含95%的NO及5%NO2，在通常的設(shè)計(jì)中，使用液態(tài)無水氨或尿素水解后產(chǎn)生的氨氣，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應(yīng)器上游的煙氣中[1]。

在SCR反應(yīng)器內(nèi)，NO通過以下反應(yīng)被還原：4NO+4NH3+O2→3N2+6H2O；6NO+ 4NH3→5N2+6H2O，當(dāng)煙氣中有氧氣時(shí)反應(yīng)第一式優(yōu)先進(jìn)行，因此氨消耗量與NO還原量有一對一的關(guān)系。同時(shí)在鍋爐的煙氣中，NO2一般約占總NOx濃度的5%，NO2參與的反應(yīng)為：2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O；6NO2+8NH3→7N2+12H2O。

SCR系統(tǒng)NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和NOx反應(yīng)。如果煙道內(nèi)總體或局部的氨氮摩爾比不均勻，氨濃度過高時(shí)則會導(dǎo)致小部分氨不反應(yīng)而是作為氨逃逸離開了反應(yīng)器。逃逸的氨氣和通過催化劑層的層后的SO3發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硫酸氫銨反應(yīng)方程式為SO3+H2O+NH3→NH4HSO4，硫酸氫銨在空預(yù)器的低溫段長期沉積，會造成空預(yù)器的堵塞，輕則會提高空預(yù)器的阻力、降低機(jī)組的效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)組停運(yùn)。

湖北大別山電廠一期2×640MW工程2005年開工建設(shè)，2008年投入運(yùn)行。電廠位于麻城市西南面中館驛鎮(zhèn)四化崗，距麻城市區(qū)約13.5km，東距京九鐵路麻城站約8km。麻城市位于湖北省東北部的大別山中段南麓，京九鐵路的中段，西南距武漢市131km，地處鄂、豫、皖三省交界處，地跨東經(jīng)114°40’～115°28’，北緯30°52’～31°36’。省內(nèi)東南西三面接羅田縣、黃州市、新洲縣和紅安縣。脫硝系統(tǒng)自機(jī)組投產(chǎn)以來使用效果一直欠佳，經(jīng)調(diào)研分析，燃煤電廠脫硝系統(tǒng)普遍存在以下問題：SCR出口NO數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，以NO3監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行噴氨調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)性能差且氨逃逸率高，易引起空預(yù)器堵塞，同時(shí)SCR出口NOx和總排口NOx數(shù)據(jù)差別較大，影響環(huán)保數(shù)據(jù)上傳。

基于以上問題，脫硝系統(tǒng)存在著以下優(yōu)化方向：通過流場測試和流場優(yōu)化，改善煙道出口流場的不均勻的問題；增加對煙道出口NOx區(qū)域截面的測量手段，根據(jù)測量結(jié)果，通過調(diào)平各區(qū)域內(nèi)氨氮摩爾比，確保各煙道出口分區(qū)NOx的均勻，以達(dá)到減少氨逃逸量的目的；優(yōu)化噴氨自動(dòng)控制的策略，提高脫硝控制自動(dòng)的精準(zhǔn)性和可靠性。其中，為保障煙道內(nèi)各區(qū)域的氨氮摩爾比能夠調(diào)整均勻，必須要掌握煙道內(nèi)的NOx的分布情況

隨著逐年提高的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，原有單點(diǎn)CEMS測量和粗放式的噴氨控制方式已越來越難以滿足需求。為達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)電廠往往會過量噴氨，而過量噴氨導(dǎo)致氨逃逸量不斷增加，進(jìn)而帶來了硫酸氫銨在空預(yù)器中、低溫段的大量生成，進(jìn)而造成空預(yù)器阻力過快增大的問題。這輕則導(dǎo)致空預(yù)器的吹掃頻次增加、風(fēng)機(jī)電耗增加等問題；對于一些煙氣含硫量高的電廠則更會造成跳機(jī)的嚴(yán)重安全事故。正是意識到的這一問題，近年來一些廠家和科研院所開始研究和推廣分區(qū)NOx測量和精細(xì)化的噴氨控制技術(shù)。

在項(xiàng)目之初實(shí)地調(diào)研了目前市場上應(yīng)用較多的幾種NOx分區(qū)測量技術(shù)的實(shí)施案例?？傮w來說，這些廠家通過幾年的積累、改進(jìn)和優(yōu)化，目前在NOx分區(qū)測量上都有獨(dú)到的見解和可取之處，但問題依然存在，如分區(qū)的合理性、測量的準(zhǔn)確性和長期運(yùn)行的穩(wěn)定性方面或多或少的存在著問題。

2 項(xiàng)目意義

通過項(xiàng)目前期的調(diào)研和研究發(fā)現(xiàn)，雖然近年投運(yùn)了一些NOx分區(qū)測量系統(tǒng)，但尚未有哪款產(chǎn)品真正能達(dá)到較好的實(shí)際投運(yùn)效果，甚至很多分區(qū)測量系統(tǒng)在投運(yùn)后就因這種那種的故障無法正常運(yùn)行。另一方面，隨著日益提高的氮化物排放標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的日益嚴(yán)重的氨逃逸問題，又讓我們迫切需要有一個(gè)方案合理、長期穩(wěn)定可靠的NOx分區(qū)測量系統(tǒng)。

2.1 存在問題

面對國家越來越嚴(yán)格的氮化物排放標(biāo)準(zhǔn)，最初單純通過低氮燃燒技術(shù)已不能滿足要求，煙氣脫硝成為氮化物控制的關(guān)鍵技術(shù)，其中又以選擇性催化還原法（SCR）在大型燃煤電廠應(yīng)用最為廣泛。

當(dāng)前脫硝控制仍以噴氨總量控制為主。而SCR入口和出口NOx濃度具有非線性、時(shí)滯性和變化快的特點(diǎn)，在粗獷型的噴氨總量控制手段下出口NOx濃度波動(dòng)很大，為保證NOx不超限，往往會按低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)較大的安全余量來控制噴氨，這就造成了很多時(shí)候噴氨量過大，浪費(fèi)了大量的氨，更導(dǎo)致了很高的氨逃逸濃度。噴氨總量控制只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，在SCR入口NOx濃度分布不均、催化劑性能偏差較大或?qū)Я靼宀贾貌缓侠韺?dǎo)致流場不均時(shí)，會造成出口NOx濃度分布偏差大，這進(jìn)一步造成了氨逃逸量的增加。

以上原因造成目前國內(nèi)機(jī)組普遍過量噴氨。HJ 562-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 選擇性催化還原法》中建議氨逃逸濃度小于2.5mg/Nm3，而在當(dāng)下超低排放的要求下，根據(jù)實(shí)測有些機(jī)組的實(shí)際氨逃逸量已經(jīng)到達(dá)了10mg/Nm3。過量噴氨導(dǎo)致高濃度的氨逃逸會與反應(yīng)器后部煙道內(nèi)工藝流程中產(chǎn)生的SO3發(fā)生反應(yīng)，形成大量的硫酸氫銨等鹽類沉淀在鍋爐尾部更遠(yuǎn)區(qū)域，這已經(jīng)越來越嚴(yán)重到了一些機(jī)組的正常運(yùn)行。

2.2 解決方案

上述問題，嚴(yán)格的超低排放要求只是誘因，歸根結(jié)底是落后的測量技術(shù)導(dǎo)致的結(jié)果。目前，雖然很多電廠在SCR出口安裝了NOx的CEMS系統(tǒng)（單點(diǎn)連續(xù)測量系統(tǒng)），但單點(diǎn)測量不能反映煙道上NOx濃度的分布、及濃度分布的較大差異，因此無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效的噴氨控制。這幾年逐步有科研院所和一些廠家提出了NOx分區(qū)測量的方案，但高精度、高可靠性、且采樣點(diǎn)有實(shí)用價(jià)值的NOx分區(qū)測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比單點(diǎn)NOx測量復(fù)雜，它涉及到很多技術(shù)上的難點(diǎn)，截至目前尚未發(fā)現(xiàn)哪家的方案能很好的克服這些難點(diǎn)。

為推動(dòng)更先進(jìn)的NOx分區(qū)測量，針對NOx分區(qū)測量技術(shù)做了重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，以期能實(shí)實(shí)現(xiàn)一種更好的NOx分區(qū)測量系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)需達(dá)到以下要求：科學(xué)的分區(qū)劃分、更具代表性的采樣點(diǎn)布置；更穩(wěn)健、可靠的實(shí)現(xiàn)NOx濃度的實(shí)時(shí)分區(qū)測量；測量結(jié)果準(zhǔn)確、及時(shí)，能為分區(qū)噴氨提供可靠而具時(shí)效性的后饋依據(jù)；自我監(jiān)控功能，出現(xiàn)異常能發(fā)出報(bào)警，以免造成錯(cuò)誤的噴氨指導(dǎo)；系統(tǒng)的整體造價(jià)、施工難度控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)；在分區(qū)測量系統(tǒng)，但是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低維護(hù)量和易維護(hù)性。從目前投運(yùn)狀況來看，我們的NOx分區(qū)測量系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)、很多方面填補(bǔ)了行業(yè)的空白。

2.3 方案確立

通過項(xiàng)目前期的信息收集、現(xiàn)場調(diào)研和與眾多專家、廠家的技術(shù)研討，最終逐步確立了系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和各部分的技術(shù)細(xì)節(jié)：采樣方式。單煙道9點(diǎn)矩陣分區(qū)采樣；實(shí)時(shí)/不實(shí)時(shí)測量。實(shí)現(xiàn)分區(qū)樣氣的實(shí)時(shí)測量；分析儀表選擇?；诨瘜W(xué)發(fā)光法儀表；樣氣處理方式。音速小孔恒流稀釋。

3 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)架構(gòu)與組成。本NOx矩陣分區(qū)同步測量系統(tǒng)可分為以下組成部分：矩陣網(wǎng)格采樣裝置、樣氣處理系統(tǒng)、系統(tǒng)控制、人機(jī)操作界面、零氣發(fā)生裝置。

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

我們的NOx矩陣分區(qū)同步測量系統(tǒng)有測量、反吹、標(biāo)定和調(diào)試四種模式。

測量&反吹。系統(tǒng)啟動(dòng)測量程序后，會根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置自動(dòng)完成測量和反吹程序。在操作界面內(nèi)可設(shè)置反吹的頻次，即完成多少次巡測周期后進(jìn)行一次反吹。反吹完成后系統(tǒng)又繼續(xù)進(jìn)行測量；在處于測量狀態(tài)下，當(dāng)一側(cè)在進(jìn)行混合或逐點(diǎn)巡測時(shí)，另一側(cè)處于混合置換模式。這樣在完成一側(cè)的測量后，另一側(cè)管路內(nèi)的樣氣處于完成置換狀態(tài)，可以立即開始測量；混合和單點(diǎn)測量時(shí)長可在系統(tǒng)操作界面內(nèi)設(shè)置，一般建議設(shè)置25～45s；反吹時(shí)，雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行。順序依次是混合反吹、A+B側(cè)逐點(diǎn)分區(qū)反吹。反吹的時(shí)長、模式也可通過操作界面對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

標(biāo)定模式。通過操作界面可進(jìn)行標(biāo)定操作。標(biāo)定開始后將停止測量，標(biāo)定完成后重新啟動(dòng)測量程序開始測量。關(guān)于標(biāo)定的操作和設(shè)置等，詳見操作界面章節(jié)。

調(diào)試模式。系統(tǒng)提供調(diào)試模式，以方便在設(shè)備調(diào)試、維護(hù)和故障檢查時(shí)提供更多的管理手段。調(diào)試模式下操作人員可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)測量、點(diǎn)動(dòng)反吹、甚至控制每個(gè)執(zhí)行元件的獨(dú)立或組合運(yùn)行。

3.2 矩陣網(wǎng)格采樣裝置

本系統(tǒng)的矩陣分區(qū)采樣裝置的安裝位置如圖1所示。采樣裝置包含預(yù)裝在煙道內(nèi)的多組滑軌總成及其固定吊裝支架與前后端固定支架、多組可抽出帶前置非對稱慣性過濾器的集成采樣管、多組采樣盒等。圖2為一組采樣裝置的結(jié)構(gòu)示意圖（1采樣管總成，2滑軌總成，3吊裝支架，4斜面支架，5煙道固定端支架，6采樣盒）。

圖1 矩陣網(wǎng)格采樣裝置安裝 位置圖

圖2 采樣裝置示意圖（其中1組）

為實(shí)現(xiàn)單煙道9點(diǎn)矩陣分區(qū)（3×3布置），并獲得的分區(qū)樣氣能真正反映SCR出口位置NOx在二維分布上的分布情況，同時(shí)考慮后期使用過程中的低維護(hù)量和易維護(hù)性，本系統(tǒng)的采樣裝置在設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證等過程中都進(jìn)行了全面而充分的考慮。

3.2.1 實(shí)現(xiàn)大跨度上的采樣

利用最下層的SCR催化劑結(jié)構(gòu)作為滑軌吊裝支架的固定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在煙道內(nèi)不額外架設(shè)結(jié)構(gòu)件即可為滑軌在中間提供多個(gè)托舉點(diǎn)，因此能實(shí)現(xiàn)大跨度煙道截面上的分區(qū)采樣（本次實(shí)施項(xiàng)目煙道跨度10米，按此設(shè)計(jì)能勝任更大跨度煙道的分區(qū)采樣）。組合拼接式的采樣管通過幾處C型的槽位限制其與滑軌上下與左右自由度，但不限制前后，因此可在滑軌上自由滑動(dòng)，同時(shí)滑軌亦能為其提供支撐，使其能實(shí)現(xiàn)煙道深處的采樣。同時(shí)組合拼接的采樣管和滑軌結(jié)構(gòu)也大大降低了施工難度&工作量，并減少了所需操作的平臺空間。另外，考慮大跨度結(jié)構(gòu)在巨大溫差下的冷、熱收縮/膨脹，滑軌和采樣管都只在煙道壁一側(cè)固定，另一側(cè)與中間僅做托舉和限制左右限位。

3.2.2 低維護(hù)量設(shè)計(jì)

不同于以往NOx單點(diǎn)測量系統(tǒng)，多分區(qū)、尤其是矩陣分區(qū)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度都大大增加，從而如何降低在日常運(yùn)行過程的維護(hù)量是必須考慮的因素之一。項(xiàng)目前期的調(diào)研顯示，通過架設(shè)粗鋼管、利用煙道自然壓差的方式進(jìn)行大跨度分區(qū)取樣時(shí)，因?yàn)殇摴芩蕉蔚膬A角有限，取樣管堵塞嚴(yán)重，因此無法滿足長期運(yùn)行的需要，因此該方案不予考慮。采用的方案為使用采樣管前置過濾器來對煙氣進(jìn)行一次過濾，以避免煙氣中的粉塵顆粒進(jìn)入樣氣管路而造成堵塞。

傳統(tǒng)帶前置過濾器的采樣桿一般使用死端過濾的方式，細(xì)小的粉塵顆粒隨煙氣的流動(dòng)方向與過濾表面成法向，運(yùn)行過程中顆粒物會慢慢進(jìn)入過濾層內(nèi)部進(jìn)而造成堵塞。為改善堵塞的問題，目前更常見的做法是在過濾器的煙氣上游方向加遮罩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)大部分情況下能延緩堵塞的趨勢，但有時(shí)反而會造成遮罩下粉塵的積聚，且一段時(shí)間后完全結(jié)垢固化。另外，傳統(tǒng)的前置過濾器需要配合反吹程序來減緩堵塞的趨勢，且探桿需定期從煙道抽出去除過濾器的結(jié)垢并做清洗[3]。

分區(qū)測量的采樣點(diǎn)是以往單點(diǎn)測量的許多倍（如本項(xiàng)目雙側(cè)煙道18個(gè)采樣點(diǎn)、而傳統(tǒng)CEMS僅一個(gè)采樣點(diǎn)），因此如果使用傳統(tǒng)前置過濾器結(jié)構(gòu)，采樣裝置定期維護(hù)的工裝量非常巨大。為此借鑒其它行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，使用慣性過濾的過濾器結(jié)構(gòu)，并采用非對稱濾芯技術(shù)。

3.2.3 易維護(hù)性設(shè)計(jì)

雖然在采樣裝置的低維護(hù)量、甚至希望達(dá)到免維護(hù)做了很多工作和努力，但對本系統(tǒng)采樣管的易維護(hù)性仍做了充分考慮，做到了機(jī)組運(yùn)行過程中仍能對采樣管部分抽出維護(hù)和重新安裝。對于跨煙道的分區(qū)采樣目前僅我們能做到，并且實(shí)際投運(yùn)后操作效果很好。

最遠(yuǎn)端的采樣點(diǎn)位置距SCR出口平臺煙道壁8.3米，為實(shí)現(xiàn)采樣探桿能在機(jī)組運(yùn)行條件下仍能進(jìn)行抽出和插入操作，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了滑軌結(jié)構(gòu)?；壊捎媚K化拼接式設(shè)計(jì)，方便安裝和調(diào)整并具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?；壴诎惭b完成后，為同樣是模塊拼接式的采樣桿提供滑槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位、同時(shí)起支撐作用，因此輕量化的采樣管總成便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的插入或抽出操作。為使插拔采樣桿的操作更簡單、易操作，在采樣管總成的設(shè)計(jì)上也進(jìn)行了充分考慮。

3.2.4 采樣管總成的設(shè)計(jì)理念

因?yàn)橛谢壸鲋?，在考慮長期耐用性的前提下對采樣管進(jìn)行了輕量化的設(shè)計(jì)。單組采樣管重量＜80kg（8.5米，含3個(gè)取樣點(diǎn)），使得操作起來更輕巧；煙道內(nèi)環(huán)境苛刻，SCR出口位置溫度高達(dá)300多度。為避免滑軌或采樣管因高溫產(chǎn)生變形或扭矩后難以拔出或插入，把拼接式的采樣管設(shè)計(jì)成柔性連接，這樣即使變形產(chǎn)生，也不會造成采樣管與滑軌卡槽卡死現(xiàn)象。

為避免滑軌上積灰后采樣管滑動(dòng)困難，把滑軌和采樣管總成的接觸做成了棱邊與棱邊法向接觸，即滑軌滑槽兩條凸起的棱邊和采樣管連接法蘭上的凸起棱邊接觸；線性分區(qū)測量僅能獲得煙道壁附近點(diǎn)的NOx濃度，而煙道壁和煙道中心區(qū)域NOx濃度本身就存在很大差異，因此采用矩陣網(wǎng)格的分區(qū)劃分。

3.2.5 采樣截面位置的選擇

煙道在SCR出口位置后都會收縮截面，為更好反映出分區(qū)上NOx濃度的分布，采樣截面需盡可能的貼近SCR最下一層的催化劑層，即避免后段截面收縮后煙氣混合導(dǎo)致分區(qū)的測量結(jié)果和分區(qū)噴氨的聯(lián)動(dòng)性下降。

圖3為一種典型的SCR煙道結(jié)構(gòu)（也是本項(xiàng)目實(shí)施的SCR煙道結(jié)構(gòu)），通常采用網(wǎng)格采樣的廠家為減小采樣裝置（不可維護(hù)的固定采樣管）在煙道內(nèi)的跨度，會把采樣管布置在位置2（SCR出口后盡量向下的位置）、甚至有的會在位置1位置布置。這兩個(gè)位置上從催化劑層出來的煙氣因煙道截面收縮，會部分或完全混合，因此造成測量分區(qū)上的煙氣和噴氨分區(qū)的聯(lián)動(dòng)性變差。

圖3 SCR煙道結(jié)構(gòu)及采樣裝置布置截面

圖4 基于CFD的單分區(qū)噴氨模擬

為最大程度的避免以上問題，我們的采樣裝置做到了盡可能貼近最下一層SCR催化劑層（距催化劑底面僅0.8米，在10米跨度的煙道上采樣裝置跨度做到9.8米）。這也是得益于采樣裝置的固定方式（滑軌通過吊裝支架固定與催化劑層橫梁）。

3.2.6 分區(qū)的劃分

在確定完分區(qū)方式（矩陣網(wǎng)格）和采樣截面位置后，下一步是如何在該截面上合理劃分分區(qū)和確定采樣點(diǎn)的具體位置?；趦?yōu)化后的分區(qū)噴氨格柵的布置，通過CFD軟件模擬單區(qū)噴氨后通過導(dǎo)流板、多層催化劑層后在NH3在NOx采樣截面上的濃度分布狀況，從而可獲得與噴氨分區(qū)聯(lián)動(dòng)性最佳的NOx分區(qū)劃分。基于上面CFD分析，獲得了合理的分區(qū)劃分[2]。

3.2.7 采樣點(diǎn)的布置

在確定各分區(qū)采樣點(diǎn)的位置上主要考慮因素如下：采樣點(diǎn)位于與對應(yīng)噴氨分區(qū)聯(lián)動(dòng)性最強(qiáng)區(qū)域，即單區(qū)噴氨模擬中NH3濃度最高區(qū)域；同組的三個(gè)采樣點(diǎn)處于同一直線上，以便同組采樣點(diǎn)公用一組采樣結(jié)構(gòu)；考慮煙道內(nèi)、外已有設(shè)施和結(jié)構(gòu)的避讓，且因靠近最下一層催化劑層，采樣口避免在催化劑層橫梁正下方。最終的各分區(qū)采樣點(diǎn)布置如圖5。本系統(tǒng)的矩陣網(wǎng)格采樣裝置具有多項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)，具有很高的創(chuàng)新性和實(shí)用性，已提交知識產(chǎn)權(quán)申報(bào)4項(xiàng)，并且安裝和實(shí)際投運(yùn)效果各方面都取得了很好的反饋。

圖5 各分區(qū)采樣點(diǎn)位置

3.3 樣氣處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)的樣氣處理系統(tǒng)是指從采樣裝置樣氣管路出口至樣氣進(jìn)入儀器分析之前的所有管路和處理部件的統(tǒng)稱，其中包括高溫伴熱管路、樣氣高溫輪切閥、樣氣稀釋單元三大部分。

3.3.1 高溫伴熱管路

在本系統(tǒng)中，高溫伴熱管路把樣氣從采樣裝置出口輸送至高溫輪切閥前端的管路，同時(shí)其也是作為實(shí)時(shí)分區(qū)測量各個(gè)分區(qū)樣氣暫存的空間。通過計(jì)算和實(shí)測，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各分區(qū)在伴熱帶中暫存的樣氣體積為1.7L～2.3L，可滿足單點(diǎn)測量時(shí)長1.5分鐘左右的用氣量。高溫伴熱管路用以暫存樣氣的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢：

NOx分析儀表位于控制小室，從采樣點(diǎn)至小室天然具有一定長度。把高溫伴熱管路用作樣氣暫存，剛好可以把輪切閥和稀釋單元置于分析儀表附近，這樣大大縮短了稀釋混合氣至儀表的距離，進(jìn)而縮短了分區(qū)巡測所需的時(shí)間；高溫伴熱管內(nèi)的樣氣管等徑，樣氣進(jìn)入后具有先進(jìn)先出特性，因此不需額外的樣氣置換時(shí)間，也縮短了分區(qū)巡測的時(shí)間。另外不需要額外的盤管用于暫存樣氣，也就不需增加額外的加熱和溫控器件來對這些盤管進(jìn)行加熱和溫度控制，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

此外，因?yàn)殡p側(cè)煙道共分18個(gè)分區(qū)，如采用標(biāo)準(zhǔn)伴熱帶（單根伴熱帶只有一根樣氣管路）則有18根伴熱管路，不但成本高而且會有18路加熱和溫控，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和失效的可能性，為此開發(fā)了一種集成式的高溫伴熱管路,該方案使用集成式高溫伴熱管，單側(cè)煙道的9路樣氣管路集成于一根伴熱帶內(nèi)。內(nèi)置兩根60W/m的恒功率加熱帶做冗余，即一根出現(xiàn)故障時(shí)另一根仍可滿足溫度要求，因此壽命更持久、維護(hù)量更小。同時(shí)集成的設(shè)計(jì)還簡化了施工和使得現(xiàn)場更簡潔整齊。在本系統(tǒng)中伴熱帶的設(shè)定溫度為150℃，較高的伴熱溫度可避免硫酸氫銨的形成進(jìn)而堵塞管路、同時(shí)可以防止被測NOx的析出而影響測量的準(zhǔn)確性。

3.3.2 樣氣高溫輪切閥

對于NOx的分區(qū)測量系統(tǒng)，各分區(qū)樣氣需通過某種輪切裝置依次輸送給儀表進(jìn)行測量。為不影響測量精度和提高巡測速度，輪切裝置需要滿足兩點(diǎn)：切換后盡可能少的死區(qū)空間。切換后如果存在較大的死區(qū)空間，死區(qū)中殘存的其它樣氣會污染當(dāng)前分區(qū)的樣氣。置換掉這些殘存的樣氣需要時(shí)間和一定量的暫存樣氣，這增加了單點(diǎn)測量的時(shí)間，同時(shí)也會增加了對暫存樣氣體積的要求；耐高溫、耐腐蝕、耐長期使用。樣氣在被稀釋之前，為避免硫酸氫銨的產(chǎn)生造成管路堵塞和水氣冷凝造成NOx濃度變化，所有樣氣經(jīng)過的管路需做到全程伴熱，因此輪切閥需滿足在此溫度下長期使用。另外，系統(tǒng)投運(yùn)后輪切閥需頻繁運(yùn)行來切換分區(qū)樣氣，因此其需具有足夠耐磨性和長期使用的可靠性。

為滿足以上要求開發(fā)了一種新型無切換死區(qū)且耐高溫的樣氣輪切閥。該輪切閥的核心部件為緊貼配合的兩塊上下閥芯。下閥芯為氧化鋁陶瓷材質(zhì)，配合面經(jīng)過高精度拋光以減少對上閥芯的磨損。上閥芯材質(zhì)為石墨耐磨&減摩強(qiáng)化PEEK（PEEK具有耐高溫、自潤滑，并且耐腐蝕、耐老化特性；石墨的添加更提高了其耐溫性能，并且石墨是天然的固體潤滑劑，可進(jìn)一步提高PEEK的耐磨性和降低其摩擦系數(shù)）。輪切閥閥體外圍帶鋁伴熱罐，可對閥芯和閥內(nèi)部的氣路進(jìn)行加熱和溫度控制。

該高溫輪切閥的上下閥芯配合和相互關(guān)系：下閥芯加工有一半圓槽；上閥芯圓心處和外圍共加工有10個(gè)通孔，外圍的9個(gè)通孔為各分區(qū)樣氣入口，中心處孔為樣氣通過輪切后至下游管路的出口。當(dāng)下閥芯在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下把半圓槽導(dǎo)通上閥芯的任意兩個(gè)孔，則對應(yīng)分區(qū)的樣氣導(dǎo)通；當(dāng)下閥芯的半圓槽一端處于上閥芯外圍無孔位置，則對應(yīng)全關(guān)閉狀態(tài)；氣缸在電磁閥作用下拉下連動(dòng)軸，則上下閥芯脫開，這時(shí)候輪切閥處于所有分區(qū)導(dǎo)通狀態(tài)，即樣氣混合狀態(tài)。在投運(yùn)之前，兩組輪切閥在伴熱150℃條件下，獨(dú)立進(jìn)行了10萬次循環(huán)（2年實(shí)際使用）的加速耐久測試，測試完氣密性測試顯示其仍能滿足實(shí)際使用要求。

3.3.3 稀釋單元總成

經(jīng)過伴熱管路暫存、輪切閥切換后，指定分區(qū)的樣氣被抽入稀釋單元和零氣進(jìn)行恒定比例的稀釋，稀釋后的樣氣至分析儀進(jìn)行測量。稀釋單元是采用稀釋法測量最為核心的部件，其稀釋精度和穩(wěn)定性很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。稀釋單元總成包括過濾組件和限流&稀釋組件，以及周邊接頭等元件。其中關(guān)鍵的限流&稀釋組件包括兩部分組成：

音速小孔。又叫音速臨界小孔。它的原理是當(dāng)壓差超過某一數(shù)值(稱為臨界壓差，煙氣臨界壓差為43.6kPa)時(shí)，流體通過孔板縮孔處的流速達(dá)到音速，這時(shí)無論壓差如何增加，流經(jīng)孔板的流量將維持在恒定數(shù)值而不再增加。稀釋法的樣氣處理方式正是基于以上原理，通過零氣壓力的穩(wěn)壓控制，即可實(shí)現(xiàn)被抽取樣氣與稀釋氣（零氣）以固有比例的稀釋。本系統(tǒng)采用石英材質(zhì)的音速小孔，它具有耐高溫、耐磨損、光潔不易沾污的優(yōu)點(diǎn)，且錐形漸變內(nèi)孔能在高速、高熱樣氣通過時(shí)避免擾流的產(chǎn)生而加速磨損小孔端口，進(jìn)而影響稀釋比精度和穩(wěn)定性。

稀釋射流泵。稀釋法是基于音速小孔的原理，而實(shí)現(xiàn)恒比例稀釋的前提是小孔兩側(cè)壓差＞43.6kPa。因此稀釋單元射流泵抽樣的真空度表征著稀釋單元性能優(yōu)劣和長期可靠性的重要指標(biāo)。真空度越高，在抵消一定的煙道負(fù)壓后，稀釋單元仍有較大的余量去避免過濾器阻力、樣氣管路管阻等造成稀釋比的變化。

經(jīng)過多代稀釋單元的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前的稀釋單元在實(shí)現(xiàn)1:100稀釋下抽樣負(fù)壓能普遍達(dá)到-50.8kPa，相比賽默飛的PRO2001WHP稀釋探頭達(dá)到的-47kPa具有接近4kPa的負(fù)壓優(yōu)勢，這對于前端管路很長的NOx分區(qū)測量意義尤為重大。

3.4 系統(tǒng)控制

本系統(tǒng)控制部分基于西門子1200系列PLC為控制核心，包括了為實(shí)現(xiàn)測量、反吹、標(biāo)定和調(diào)試所有的對底層控制元器件和傳感器的控制、同NOx分析儀Thermo 42i的通訊以進(jìn)行測量值的讀取和儀表參數(shù)的修改、與基于Window開發(fā)的操作界面的通訊和基于ModBus協(xié)議與DCS通訊等。

本系統(tǒng)控制部分的核心部分在于實(shí)現(xiàn)對樣氣準(zhǔn)確、可靠的分區(qū)測量的控制和監(jiān)控，包括對樣氣管路的溫度控制、壓力監(jiān)控（抽樣負(fù)壓監(jiān)控、稀釋負(fù)壓監(jiān)控、零氣壓力監(jiān)控等）、樣氣引流流量控制、分區(qū)樣氣的輪切控制等，它的合理、有效并且長期穩(wěn)定是決定系統(tǒng)是否能精確、長期穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。

3.5 零氣發(fā)生器

對于氣體分析系統(tǒng)，零氣是進(jìn)入分析儀后測量值為零的氣體，零氣不能含有待測成分或干擾待測成分濃度的物質(zhì)。稀釋法NOx測量系統(tǒng)的零氣發(fā)生器用以產(chǎn)生不影響NOx測量濃度的零氣，一是做為稀釋單元的稀釋氣，此外標(biāo)定時(shí)作為零點(diǎn)標(biāo)定氣體直接進(jìn)入儀表。為配套NOx分區(qū)測量系統(tǒng)開發(fā)了一款插箱上架式的NOx零氣發(fā)生器（AT 2075S-N），如圖6。

圖6 零氣發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

零氣發(fā)生器具有以下特點(diǎn)：內(nèi)置一款無熱膜式干燥機(jī)，輸出零氣露點(diǎn)可低至-60℃，且無氟、無振動(dòng)和排熱問題。全進(jìn)口干燥機(jī)，性能穩(wěn)定可靠且維護(hù)周期長（5年更換）；通過分級過濾，前端+精濾+油霧去除提高輸入氣源的氣體質(zhì)量并保護(hù)干燥機(jī)，成分去除罐后端再次精濾從而實(shí)現(xiàn)最終高潔凈零氣的輸出；配置NOx去除劑，有效去除大氣中的NOx對測量產(chǎn)生的背景誤差；插箱上架式結(jié)構(gòu)可集成于系統(tǒng)控制柜內(nèi)，節(jié)約了控制小室有限的空間；面板帶露點(diǎn)指示和壓力顯示，對系統(tǒng)狀態(tài)一目了然。且設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)充分考慮易維護(hù)性，如插箱免拔管和上蓋快拆設(shè)計(jì)；自有開發(fā)產(chǎn)品，可大大降低后期電廠配件和維護(hù)費(fèi)用。

4 實(shí)施效果

本NOx矩陣分區(qū)測量系統(tǒng)于2020年5月在大別山電廠#2機(jī)組完成安裝和調(diào)試工作，并投入實(shí)際的運(yùn)行。NOx矩陣分區(qū)測量系統(tǒng)的正常投運(yùn)解決了煙道內(nèi)無法對各區(qū)域出口的NOx分布情況進(jìn)行有效地監(jiān)控。在測量系統(tǒng)初始投入時(shí)，測得的分區(qū)數(shù)據(jù)見圖7。分別截取不同時(shí)間段的各分區(qū)測量狀況，可得出以下結(jié)論：各分區(qū)之間確實(shí)存在區(qū)域間不平均的情況，而A側(cè)分區(qū)的不平均度比較明顯；不同工況及負(fù)荷段時(shí)各區(qū)域之間雖然不平均度有所變化，但各區(qū)域測量值不平均的情況基本不變，NOx大的區(qū)域一直偏大，說明測量值的真實(shí)性，也反映了工況在大幅變動(dòng)時(shí)體現(xiàn)出同步測量的效果。

圖7 NOx矩陣分區(qū)測量系統(tǒng)分區(qū)調(diào)整前數(shù)據(jù)

根據(jù)分區(qū)測量的結(jié)果簡單對手動(dòng)噴氨調(diào)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)后，各區(qū)域的不平均度有了大幅的下降（圖8）。調(diào)整后A/B側(cè)各分區(qū)的不平均度均大幅下降。A側(cè)不平均度由調(diào)整前最高的0.92降為0.25，B側(cè)的不平均度由調(diào)整前的1.21降低為0.28。煙道內(nèi)各區(qū)域的不平均度大大降低。

圖8 NOx矩陣分區(qū)測量系統(tǒng)分區(qū)調(diào)整后數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本次開發(fā)的NOx分區(qū)測量裝置，既滿足了對煙道網(wǎng)格式的測量，同時(shí)也保證測量的煙氣是機(jī)組運(yùn)行中相同時(shí)間段的數(shù)據(jù)。該測量裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、維護(hù)量小。該裝置的投用作為煙道分區(qū)噴氨調(diào)整的依據(jù)，配合分區(qū)手動(dòng)或自動(dòng)噴氨閥的調(diào)整，有效保證了煙道內(nèi)的均勻噴氨，從而降低了氨逃逸和硫酸氫銨的產(chǎn)生，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

由于此次分區(qū)測量裝置的開發(fā)是華創(chuàng)作為設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)，在安裝和調(diào)試過程中不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)提高，目前該裝置已正常投用3個(gè)多月，測量的精確度和可靠性得到了驗(yàn)證。由于是首次開發(fā)，因此也存在安裝構(gòu)建的設(shè)計(jì)過于保守、安裝件過于龐大的問題，不利于結(jié)構(gòu)和成本的優(yōu)化，因此在后續(xù)的裝置開發(fā)和改進(jìn)中會不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)工作。

后續(xù)展望：由于本次的分區(qū)測量裝置只限于出口NOx的分區(qū)測量，而在實(shí)際的脫硝運(yùn)行中也存在這樣一種情況，就是脫硝催化劑層的失效問題，如果該區(qū)域內(nèi)的催化劑層失效，則該區(qū)域的出口NOx會大幅增加，同時(shí)也伴隨該區(qū)域的氨逃逸量大幅增加。如果只測量該區(qū)域的NOx，就無法準(zhǔn)確判斷該區(qū)域的催化劑層的完好程度，基于該問題的思考，提出了在區(qū)域NOx測量的同時(shí)也對該區(qū)域的氨逃逸量進(jìn)行測量，通過NOx含量與氨逃逸量的對應(yīng)關(guān)系表征該區(qū)域的催化劑層的健康狀況，從而最大程度上保證脫硝系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)的投入使用。