基于大數(shù)據(jù)火電廠精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)

李志遠(yuǎn)

(國(guó)能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司諫壁分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

1 引言

火電廠采用SCR[1]脫硝，由于濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)(如SCR進(jìn)出口NOX濃度、氨逃逸濃度)完整性和代表性不足，會(huì)引起反饋控制下噴氨量過(guò)大的問(wèn)題，造成氨逃逸增大，增加運(yùn)行成本和造成二次環(huán)境污染。氨逃逸的高低影響著脫硝過(guò)程的成本，過(guò)量噴氨不僅不會(huì)提高脫硝效率，還會(huì)大大降低空預(yù)器的換熱效果，嚴(yán)重時(shí)造成空預(yù)器堵塞。

2 脫硝噴氨量大原因分析

2.1 脫硝SCR入口NOX波動(dòng)大

受煤種摻燒、燃燒方式、低氮燃燒器穩(wěn)定性和變負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)等因素影響，目前多數(shù)電廠SCR入口NOX濃度波動(dòng)較大。

2.2 NOX濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)不均勻

受煤種更換、燃燒不均衡、煙道和催化劑積灰等因素影響，鍋爐出口NOX濃度場(chǎng)[2]、速度場(chǎng)偏離設(shè)計(jì)值，SCR入口、出口NOX濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)不均勻。

2.3 單點(diǎn)取樣代表性差、與總排口偏差大

SCR出口NOX單點(diǎn)取樣，不能反應(yīng)整個(gè)斷面NOX濃度值，代表性差，SCR出口與總排口NOX數(shù)據(jù)存在較大偏差。

2.4 CEMS測(cè)量滯后

在線CEMS抽取式測(cè)量，數(shù)據(jù)滯后60～90 s(稀釋取樣要滯后3 min以上)，在線數(shù)據(jù)與煙道內(nèi)煙氣實(shí)際濃度值不同步，存在時(shí)序差。

2.5 無(wú)法對(duì)噴氨進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配調(diào)節(jié)

脫硝入口噴氨支管為手動(dòng)門(mén)，不能隨工況實(shí)時(shí)調(diào)SCR入口各分區(qū)噴氨量，導(dǎo)致噴氨匹配性越來(lái)越差。

受上述因素影響，噴氨調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、調(diào)整周期長(zhǎng)。變工況時(shí)，運(yùn)行人員需采用手動(dòng)調(diào)節(jié)噴氨量或降低排放設(shè)定值等強(qiáng)干預(yù)手段，防止排放超標(biāo)，噴氨量控制不穩(wěn)定和影響穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

3 精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)

脫硝精準(zhǔn)噴氨整體方案包括：脫硝入口分區(qū)噴氨控制單元(含流場(chǎng)優(yōu)化)、脫硝出口矩陣式取樣測(cè)量單元、大數(shù)據(jù)人工智能算法控制單元等三大模塊。

3.1 脫硝流場(chǎng)優(yōu)化及分區(qū)噴氨控制單元

根據(jù)脫硝項(xiàng)目流場(chǎng)優(yōu)化[3]升級(jí)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室CFD數(shù)值模擬(數(shù)模)技術(shù)全尺寸三維建模的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要優(yōu)化手段包括多排分區(qū)、分級(jí)多效、前置強(qiáng)制整流等。多排分區(qū)采用分區(qū)布置的思路，設(shè)置兩排駐渦混合裝置，如圖1所示。

圖1 脫硝入口渦流混合板

單個(gè)反應(yīng)器入口煙道噴氨支管為10個(gè)，每個(gè)噴氨支管對(duì)應(yīng)兩個(gè)渦流板。對(duì)煙道截面實(shí)現(xiàn)分區(qū)域的噴氨控制，可顯著改善氨氣分布不均現(xiàn)象，提高噴氨控制調(diào)節(jié)性。

分級(jí)多效采用了分級(jí)混合的思路，在煙道中增設(shè)擾流板等擾流元件，利用強(qiáng)制擾流和多效混合的方法加強(qiáng)氨氣與煙氣的混合，提高脫硝效率；同時(shí)多級(jí)的擾流原件還可有效調(diào)整煙氣來(lái)流的速度分布和氮氧化物分布，提高脫硝系統(tǒng)抗干擾的能力。

前置強(qiáng)制整流采用均勻混合的思路，在入口煙道增設(shè)導(dǎo)流板、擾流板等整流元件，利用強(qiáng)制整流的方法改善原煙氣均勻性，提高下游煙氣中NOx和NH3的混合效果，增強(qiáng)脫硝系統(tǒng)對(duì)變負(fù)荷工況的適應(yīng)性，保障超低NOx排放值的實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化脫硝系統(tǒng)入口煙道流場(chǎng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足速度場(chǎng)均勻性要求，同時(shí)設(shè)置雙列駐渦混合板加強(qiáng)氨氣與煙氣混合的均勻性。每套噴氨支管增加設(shè)置1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，將每側(cè)反應(yīng)器入口設(shè)置成若干個(gè)分區(qū)，保證脫硝SCR入口噴氨具備分區(qū)調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)“前后左右”不同區(qū)域的噴氨量調(diào)節(jié)，保證氮氧化物與氨的濃度匹配，保證氨氮摩爾比處在合理值。

3.2 脫硝出口矩陣式均勻混合與分區(qū)巡測(cè)同步取樣測(cè)量單元

在單個(gè)反應(yīng)器出口的煙道延長(zhǎng)度方向兩側(cè)各開(kāi)5個(gè)測(cè)試孔，布置位置和分區(qū)與噴氨支管一一對(duì)應(yīng)，保證取樣的代表性，測(cè)試孔安裝三束探桿式取樣探頭。

脫硝出口煙道對(duì)應(yīng)劃分分區(qū)，每個(gè)分區(qū)3個(gè)污染取樣點(diǎn)的多束取樣探頭，具有均勻混合與分區(qū)巡測(cè)同步取樣測(cè)量的功能。噴氨支管實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制和噴氨總量?jī)?yōu)化雙重控制。

“均勻混合取樣”和“分區(qū)巡測(cè)取樣”兩種模式:“均勻混合取樣” 模式下樣氣由加熱取樣管線連接多束探桿式取樣探頭、取樣閥進(jìn)入預(yù)處理裝置,并由取樣管線連接經(jīng)過(guò)均勻混合裝置，由總?cè)颖贸槿≈辆鶆蚧旌戏治鰞x完成代表整個(gè)煙道內(nèi)均勻混合樣氣的污染物濃度分析測(cè)量；“分區(qū)巡測(cè)取樣”模式下按分區(qū)序號(hào)依次將分區(qū)巡測(cè)取樣三通電磁閥從廢氣收集側(cè)切換至分區(qū)巡測(cè)取樣側(cè), 煙氣由取樣管線連接，從對(duì)應(yīng)分區(qū)預(yù)處理裝置中的巡測(cè)取樣三通經(jīng)過(guò)分區(qū)巡測(cè)取樣三通電磁閥、由分區(qū)巡測(cè)取樣泵抽取至分區(qū)巡測(cè)分析儀完成各分區(qū)樣氣的污染物濃度分析測(cè)量；該裝置可通過(guò)調(diào)整好預(yù)處理裝置中分區(qū)取樣泵均勻混合。

3.3 大數(shù)據(jù)-人工智能算法控制單元

大數(shù)據(jù)-人工智能[4]控制模塊是精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的核心技術(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)[5]對(duì)脫硝裝置出口的氮氧化物濃度圖譜進(jìn)行分析，并引鍋爐燃燒信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)作為前饋，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采用人工智能算法，對(duì)分區(qū)噴氨控制單元進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)荷狀態(tài)下噴氨支管的調(diào)整，達(dá)到氮氧化物與噴氨量的實(shí)時(shí)匹配，降低噴氨量和氨逃逸，最終實(shí)現(xiàn)脫硝裝置的精準(zhǔn)智能?chē)姲薄?/p>

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立脫硝噴氨總量控制模型和各噴氨支管?chē)姲绷孔詣?dòng)分配模型[6]，滿(mǎn)足脫硝噴氨控制調(diào)整實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷下脫硝的深度控制和脫硝排放濃度的全時(shí)段穩(wěn)定控制。脫硝大數(shù)據(jù)深度控制模型主要包括分區(qū)優(yōu)化控制[7]和總量?jī)?yōu)化控制[8]兩部分。

3.3.1 大數(shù)據(jù)-分區(qū)優(yōu)化控制技術(shù)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]和反向傳播算法[10]，推算出各噴氨支管、渦流混合板、NOX濃度分區(qū)測(cè)點(diǎn)之間在不同負(fù)荷下影響的權(quán)重關(guān)系，建立脫硝出口NOX濃度場(chǎng)在分布均勻的條件下各噴氨支管?chē)姲绷繉?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配模型[11]。模型會(huì)根據(jù)脫硝出口各分區(qū)NOX濃度分布與各噴氨支管開(kāi)度情況，實(shí)時(shí)分析噴氨支管開(kāi)度和脫硝出口分區(qū)NOX濃度之間的權(quán)重關(guān)系，再根據(jù)權(quán)重關(guān)系及分區(qū)NOX濃度值與混測(cè)值NOX濃度值的偏差對(duì)噴氨量分配進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)支管的自動(dòng)控制[12]。針對(duì)變負(fù)荷工況下分區(qū)波動(dòng)大且不一致的情況，開(kāi)發(fā)了大數(shù)據(jù)的智能巡測(cè)算法[13]，取代常規(guī)的分區(qū)順序巡測(cè)方式，根據(jù)分析預(yù)測(cè)結(jié)果提供的巡測(cè)順序，對(duì)當(dāng)前工況下波動(dòng)較大的分區(qū)進(jìn)行優(yōu)先測(cè)量和快速調(diào)整，有效避免了由于工況波動(dòng)大，而導(dǎo)致分區(qū)巡測(cè)不及時(shí)造成不等率的問(wèn)題。其調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)-分區(qū)優(yōu)化控制調(diào)節(jié)原理

3.3.2 大數(shù)據(jù)-總量?jī)?yōu)化控制技術(shù)

把鍋爐負(fù)荷、爐膛總風(fēng)量、各磨煤機(jī)給煤量、各一次風(fēng)速等前饋信號(hào)[14]，自建大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)控制模型，形成總噴氨量預(yù)判指令，同時(shí)將脫硝A/B側(cè)出口NOX、總排口NOX等作為控制目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)時(shí)對(duì)噴氨量的預(yù)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并對(duì)脫硫與脫硝出口NOX的偏差進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)煙囪總排口NOX的穩(wěn)定排放。

通過(guò)對(duì)鍋爐、脫硝反應(yīng)器、催化劑、煙囪等位置的近200個(gè)測(cè)點(diǎn)和8000余萬(wàn)數(shù)據(jù)量的大數(shù)據(jù)分析，建立了鍋爐前端反饋(磨煤機(jī)給煤量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量等)、脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣參數(shù)及催化劑自身活性反饋、尾部?jī)魺煔鉂舛确答伒热?jí)閉環(huán)反饋的噴氨總量控制模型。其中鍋爐前反饋用來(lái)保證噴氨總量控制的實(shí)時(shí)性，尾部?jī)魺煔夥答佊脕?lái)定期矯正實(shí)時(shí)控制量，而催化劑自身活性反饋用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)期修正由催化劑自身活性[15]下降造成的噴氨總量變化。其控制原理如圖3所示。

圖3 大數(shù)據(jù)-總量?jī)?yōu)化控制原理

4 精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)投用效果

通過(guò)表1數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源：脫硝DCS運(yùn)行在線數(shù)據(jù))分析，可以看出1000 MW機(jī)組在不同負(fù)荷下，經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)噴氨改造后，氨耗量均有不同程度的下降，平均氨耗節(jié)省比例為10.85%，效果顯著。

表1 某發(fā)電廠1000 MW機(jī)組脫硝優(yōu)化前后實(shí)時(shí)噴氨量對(duì)比

5 結(jié)論

大數(shù)據(jù)預(yù)判避免了SCR入口、SCR出口、總排口CEMS測(cè)點(diǎn)不同時(shí)序下數(shù)據(jù)的多次調(diào)節(jié)引起的實(shí)際噴氨量與所需噴氨量偏差較大，提高變負(fù)荷工況下實(shí)際噴氨量與所需噴氨量的同步性、總排口NOX數(shù)據(jù)的收斂性，有效解決負(fù)荷升降過(guò)程噴氨過(guò)量的問(wèn)題。全工況下，無(wú)需運(yùn)行人員干預(yù)，能很好地控制脫硝出口氮氧化物均勻性，有效減少?lài)姲绷?，降低脫硝運(yùn)行成本，有著良好社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。