SCR 流場及噴氨控制優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用研究

胡清

(湖南大唐節(jié)能科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

2015 年國家相關(guān)部門規(guī)定在2020 年之前對燃煤電廠全面實(shí)施超低排放改造，即采用多種污染物高效協(xié)同脫除集成系統(tǒng)技術(shù)，使煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度(基準(zhǔn)含氧量6%) 分別不超過5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，基本符合燃?xì)鈾C(jī)組排放限值標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2015 年5 月13 日，北京市率先出臺了?鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)?[2]，規(guī)定自2017 年4 月1 日起，北京市新建鍋爐氮氧化物排放濃度執(zhí)行30 mg/m3的排放濃度限值。隨后，河南、浙江、上海、四川等地都提出了更為嚴(yán)格的氮氧化物排放濃度標(biāo)準(zhǔn)。排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，對鍋爐脫硝系統(tǒng)和SCR 脫硝運(yùn)行提出了更高的要求。

SCR 系統(tǒng)目前普遍存在以下問題:煙道流場不均勻，NOx測量滯后性大，動態(tài)工況及變工況下傳統(tǒng)SCR 噴氨控制調(diào)節(jié)效果差，噴氨格柵調(diào)平效果差，局部區(qū)域過噴或欠噴現(xiàn)象明顯[3－15]。

針對火電廠SCR 系統(tǒng)存在的問題及保證SCR系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，本文對流場及噴氨控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種SCR 流場及噴氨控制優(yōu)化技術(shù)，將其應(yīng)用在某660 MW 機(jī)組，并對該技術(shù)投運(yùn)后的效果進(jìn)行了分析。

1 項(xiàng)目概況

1.1 機(jī)組概況

某660 MW 鍋爐采用超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、W 型火焰燃燒、垂直內(nèi)螺紋管水冷壁、Π 型變壓直流鍋爐。設(shè)計(jì)煤種采用貴州高硫、較高灰分的無煙煤與本地高硫煤，制粉系統(tǒng)為雙進(jìn)雙出式鋼球磨煤機(jī)冷一次風(fēng)直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配6 臺BBC4366 雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)。

1.2 SCR 脫硝裝置

脫硝采用“高含塵布置方式” 的選擇性催化還原法(SCR) 脫硝裝置，2014 年改造時(shí)設(shè)計(jì)值為入 口NOx濃 度1 200 mg/m3、出 口NOx濃 度200 mg/m3，每臺鍋爐設(shè)兩臺SCR 反應(yīng)器，沿鍋爐中心線對稱布置。煙道內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板、2 層靜態(tài)混合管，以保證煙氣和氨氣進(jìn)入反應(yīng)器前充分混合。

1.3 SCR 目前存在的問題

1) SCR 入口NOx平均濃度為900 mg/m3，燃用干燥無灰基揮發(fā)分小于10%的煤時(shí)甚至達(dá)到1 100 mg/m3以上，若要保證總排出口NOx濃度低于50 mg/m3，脫硝效率至少要達(dá)到94.4%以上，在保證超高的脫硝效率時(shí)，若氨氮摩爾比發(fā)生偏差，必將帶來嚴(yán)重的過量噴氨問題。

2) SCR 煙道流速場不均勻，反應(yīng)器內(nèi)、反應(yīng)器后水平煙道均存在積灰問題，反應(yīng)器上部整流器存在磨損問題。

3) 原噴氨總閥自動投入時(shí)，SCR 出口NOx波動范圍大，噴氨量波動大，噴氨控制品質(zhì)極差，導(dǎo)致總閥無法投自動，大部分時(shí)間為手動投入方式，運(yùn)行人員壓力大。

4) SCR 噴氨控制粗放滯后，現(xiàn)有噴氨支管設(shè)置手動蝶閥，只能通過氣氨母管調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴氨量，不能適應(yīng)配風(fēng)、煤質(zhì)、負(fù)荷、制粉系統(tǒng)等因素變化帶來的NOx分布變化需求。

5) SCR 反應(yīng)器出口煙道尺寸大，而NOx測量儀表少，不能反映截面上濃度分布情況；同時(shí)，SCR 入口、出口的NOx測量結(jié)果相比燃燒工況變化的滯后性大，影響自動調(diào)節(jié)效果。

6) 前期的摸底試驗(yàn)表明，SCR 反應(yīng)器入口處的NOx濃度分布較為均勻，但出口處NOx分布均勻性較差，A、B 兩側(cè)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為25.43%和17.15%。

2 改造方案

2.1 流場優(yōu)化

2.1.1 流場均勻性分析

煙氣流速場的不均勻?qū)⒂绊憞姲焙蟀钡旌系木鶆蛐?，?dǎo)致氨氮比不均勻性偏高。雷達(dá)等人[16]以某300 MW 機(jī)組為研究對象，在SCR 入口煙氣流量943 548 m3/h (標(biāo)態(tài)) 的工況、不同的氨氮摩爾比下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:氨氮比不均勻性會導(dǎo)致脫硝效率下降，同時(shí)對于同樣脫硝效率的SCR 系統(tǒng)，氨氮比不均勻性越大，脫硝效率下降得越多。

2.1.2 流場優(yōu)化研究

針對大尺寸扁寬型煙道存在流場均勻性不佳的問題，對導(dǎo)流板以及多種型式的靜態(tài)混合器進(jìn)行流場優(yōu)化研究，靜態(tài)混合器的型式有FAN 型、V 型、HEL 型等結(jié)構(gòu)型式。煙氣通過導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器時(shí)，被強(qiáng)迫發(fā)生旋轉(zhuǎn)、混合，改善煙氣流速的分布均勻性以及氨氣和NOx的混合均勻性，使混合物在SCR 反應(yīng)器中達(dá)到最佳反應(yīng)效果，避免氨氣分布不均造成局部過噴。

由于SCR 入口NOx濃度分布均勻性較好，本項(xiàng)目的流場優(yōu)化主要針對煙氣流速場。由于原煙道內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)流板、2 層靜態(tài)混合管，擬將上層靜態(tài)混合管拆除，并在下層靜態(tài)混合管上加裝V 型靜態(tài)混合器，如圖1 所示；此外，還在最上層催化劑的頂部入口煙道內(nèi)增加導(dǎo)流板，如圖2 所示(圖中標(biāo)注尺寸單位為mm)。

圖1 靜態(tài)混合管改造示意圖

圖2 最上層催化劑頂部入口煙道內(nèi)導(dǎo)流板布置圖

2.2 總量控制

2.2.1 入口NOx濃度預(yù)測

脫硝系統(tǒng)入口NOx的測量存在很大的滯后性，使得傳統(tǒng)的反饋式閉環(huán)控制回路無法滿足超低排放自動控制精度的要求。所以先進(jìn)控制技術(shù)的實(shí)施，首先需要建立精準(zhǔn)的入口NOx預(yù)測模型，在表計(jì)測量數(shù)據(jù)反饋回來之前預(yù)測出入口NOx值。

預(yù)測原理如下:依據(jù)入口NOx產(chǎn)生的工藝流程，分析其與鍋爐中輸入的燃料量、風(fēng)量以及各種燃燒工況等之間的邏輯關(guān)系，采取BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，不斷修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值使誤差函數(shù)沿負(fù)梯度方向下降，逼近期望輸出。它是一種應(yīng)用廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，多用于函數(shù)逼近、模型識別分類、數(shù)據(jù)壓縮和時(shí)間序列預(yù)測等。

BP 網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱層和輸出層組成，隱層可以有一層或多層，圖3 是m×k×n的三層BP 網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)選用S 型傳遞函數(shù)，f(x)＝通過反傳誤差函數(shù)E ＝(ti為期望輸出，Oi為網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算輸出)，不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值使誤差函數(shù)E達(dá)到極小。

圖3 三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

其次，入口NOx的測量結(jié)果對模型的修正擬合是長期的，需要連續(xù)24 h 采樣測量結(jié)果進(jìn)行印證和修正，以遞歸出一個準(zhǔn)確和及時(shí)的軟測量結(jié)果。該前饋算法可以大幅提高噴氨的準(zhǔn)確性，提高脫硝控制的品質(zhì)，如圖4 所示。

圖4 入口NOx濃度預(yù)測實(shí)現(xiàn)方案

2.2.2 總量控制原理

1) 采用入口NOx濃度預(yù)測模型，提前預(yù)測入口NOx，計(jì)算噴氨量，提前對噴氨母管調(diào)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2) 以磨煤機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)及其啟停參數(shù)，作為控制的前饋信號。

3) 以基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的內(nèi)?？刂铺娲鶳ID 控制，弱化對精確對象模型的依賴，增強(qiáng)控制方式的魯棒性，提高閉環(huán)側(cè)控制性能。

2.3 分區(qū)控制

2.3.1 分區(qū)方式

出口NOx濃度的現(xiàn)場摸底試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，出口NOx濃度在寬度和深度方向上均有較大變化。結(jié)合現(xiàn)有噴氨格柵結(jié)構(gòu)，對噴氨格柵進(jìn)行分區(qū)，單側(cè)5 個區(qū)，兩側(cè)共10 個區(qū)，如圖6 所示，并分別對應(yīng)增加10 臺調(diào)節(jié)蝶閥，以實(shí)現(xiàn)分區(qū)的噴氨自動調(diào)節(jié)。

圖5 SCR 出口NOx濃度分布圖

圖6 煙道分區(qū)圖

2.3.2 分區(qū)測量

由于抽取式儀表的測量時(shí)間過長，不利于分區(qū)自動控制的實(shí)現(xiàn)，因此根據(jù)煙道分區(qū)方式，共布置10 臺原位式NOx測量儀表，測量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳遞給控制系統(tǒng)。

2.3.3 分區(qū)控制

通過新增的分區(qū)測點(diǎn)測量得到分區(qū)出口NOx濃度，分區(qū)調(diào)門開度直接通過通信得到，由控制單元計(jì)算得到分區(qū)出口濃度平均值、分區(qū)調(diào)門開度平均值，形成新的分區(qū)調(diào)門開度指令，并通過PID 控制程序調(diào)節(jié)分區(qū)調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，消除出口NOx濃度偏差，降低各分區(qū)的氨氮摩爾比偏差，減少局部過噴現(xiàn)象。

3 應(yīng)用效果

項(xiàng)目于2020 年1 月實(shí)施完成，2020 年8 月投入運(yùn)行。

3.1 煙氣流場

改造前的摸底試驗(yàn)結(jié)果表明，SCR 入口A、B兩側(cè)煙道煙氣速度分布的均勻性較差，如圖7 所示。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為23.17%和17.87%，遠(yuǎn)超過15%的設(shè)計(jì)要求。

圖7 改造前A、B 側(cè)煙道流場測量相對偏差

2020 年8 月，對改造后的流場進(jìn)行了測量分析，結(jié)果如圖8 所示。結(jié)果顯示，改造后煙氣流速均勻性明顯提高，煙氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10%以內(nèi)。

圖8 改造后A、B 側(cè)煙氣流速測量結(jié)果

3.2 入口NOx濃度預(yù)測對比

在機(jī)組負(fù)荷465～640 MW 的調(diào)試期間，入口NOx濃度預(yù)測值與實(shí)際值的對比情況如圖9 所示。結(jié)果表明，入口NOx濃度預(yù)測程序能較好地滿足濃度預(yù)測要求，同時(shí)相比于測量值，預(yù)測值有10～30 s的超前效果。

圖9 濃度預(yù)測值與實(shí)際值的對比情況

3.3 總排控制效果

調(diào)試后，在負(fù)荷穩(wěn)定、入口NOx濃度平穩(wěn)時(shí)，脫硝出口NOx濃度基本控制在設(shè)定值±5 mg/m3(標(biāo)態(tài)) 以內(nèi)；入口NOx濃度波動較大時(shí)，出口NOx濃度依舊能夠控制在±15 mg/m3(標(biāo)態(tài)) 以內(nèi)，且待入口變化恢復(fù)穩(wěn)定后，能快速恢復(fù)至±5 mg/m3(標(biāo)態(tài)) 以內(nèi)。由此可見，改造后可減少脫硝出口NOx濃度波動帶來的過量噴氨問題，減少脫硝系統(tǒng)氨耗。

3.4 分區(qū)控制效果

分區(qū)控制程序投入后，分區(qū)控制效果見表1。結(jié)果表明，分區(qū)控制程序能將分區(qū)出口NOx濃度不均勻度控制在30%以內(nèi)，能有效降低分區(qū)出口NOx濃度偏差，降低各分區(qū)的氨氮摩爾比偏差，減少局部過噴現(xiàn)象。

表1 改造后分區(qū)控制效果(標(biāo)態(tài)下)

4 結(jié)論

本文對SCR 系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，提出了一種SCR 流場及噴氨控制優(yōu)化方案，并在某660 MW 機(jī)組成功應(yīng)用。項(xiàng)目應(yīng)用后，可提高SCR入口煙氣流場均勻性，減少SCR 出口NOx濃度波動，降低分區(qū)出口NOx濃度偏差，降低各分區(qū)的氨氮摩爾比偏差，減少過量噴氨現(xiàn)象，減少氨耗量，避免了因過度噴氨造成的二次污染問題。該套方案實(shí)用有效，為火電企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗及超低排放提供了可能，有助于推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。