300 MW機(jī)組在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張志強(qiáng)， 曲同良， 石德勝， 安冬冬， 李 軍， 朱曉磊

(1. 華電青島發(fā)電有限公司，山東青島 266031；2. 華電國(guó)際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，濟(jì)南 250000；3. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

隨著火電機(jī)組超凈排放要求的普遍實(shí)施，摻燒劣質(zhì)煤和低負(fù)荷運(yùn)行成為機(jī)組的常態(tài)，空氣預(yù)熱器堵灰的問(wèn)題愈發(fā)普遍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某集團(tuán)80余臺(tái)火電機(jī)組，其中70%機(jī)組的空氣預(yù)熱器阻力比脫硝改造前升高300～1 000 Pa。當(dāng)嚴(yán)控氮氧化物(NOx)排放指標(biāo)時(shí)，部分機(jī)組空氣預(yù)熱器阻力一周內(nèi)可升高1 000 Pa。此外，煙道兩側(cè)脫硝噴氨不均，以及在線測(cè)點(diǎn)不能有效實(shí)施監(jiān)控等因素，均會(huì)引起單側(cè)空氣預(yù)熱器阻力快速上升，造成風(fēng)機(jī)功耗增大，在影響運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，造成風(fēng)機(jī)搶風(fēng)、失速等運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響火電機(jī)組運(yùn)行安全。

空氣預(yù)熱器積灰主要由上游設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行控制問(wèn)題造成，如脫硝系統(tǒng)噴氨不均勻、煙氣分布變化、燃燒控制不佳、煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)、煙溫控制不均等。當(dāng)問(wèn)題積累到一定程度時(shí)，才表現(xiàn)為空氣預(yù)熱器積灰，積灰后空氣預(yù)熱器阻力會(huì)持續(xù)快速升高。積灰后若采用吹灰、沖洗等清灰方法，空氣預(yù)熱器阻力也不能完全恢復(fù)到原始情況。此時(shí)，上游設(shè)備原因未完全消除，噴氨過(guò)量長(zhǎng)期存在又造成脫硝催化劑過(guò)早失效，氨耗量和氨逃逸率繼續(xù)升高，空氣預(yù)熱器積灰呈惡性循環(huán)，最終造成堵灰、板結(jié)等不可逆現(xiàn)象。

氨氮比分布不均勻是空氣預(yù)熱器堵灰的主要原因，而缺少方便及時(shí)的在線優(yōu)化調(diào)整手段加劇了堵灰[1]。因此，為降低NOx排放量，對(duì)燃燒調(diào)整和噴氨調(diào)平進(jìn)行了大量的研究工作。方朝君等[2]在某600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)入口、出口對(duì)NOx和氨氣(NH3)質(zhì)量濃度分布進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果對(duì)噴氨格柵進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后脫硝系統(tǒng)兩側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都降低至8%以下。劉建航等[3]對(duì)某300 MW機(jī)組的燃燒側(cè)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)空氣分級(jí)等方法達(dá)到主動(dòng)降低NOx生成量的目的，最終實(shí)現(xiàn)整體噴氨量的下降。麻紅寶等[4]針對(duì)火電機(jī)組噴氨不均勻的問(wèn)題，進(jìn)行脫硝噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化控制方式、合理調(diào)整參數(shù)設(shè)定值，將氨逃逸率控制在最低的水平。熊天科[5]對(duì)火電機(jī)組選SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行噴氨優(yōu)化探究，通過(guò)對(duì)組分場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，得到最佳噴氨量，可以最大限度減少下游空氣預(yù)熱器硫酸氫銨的生成。

現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)隨時(shí)進(jìn)行調(diào)平，無(wú)在線測(cè)量裝置測(cè)量噴氨均勻性，噴氨調(diào)平依靠人工試驗(yàn)方式定期進(jìn)行。但是，煙氣流場(chǎng)隨時(shí)變化導(dǎo)致噴氨不均勻。噴氨量由噴氨格柵多個(gè)手動(dòng)閥的開度決定，煙氣流速和NOx濃度的分布會(huì)隨著機(jī)組負(fù)荷、制粉、燃燒狀態(tài)、配風(fēng)、煙道積灰、導(dǎo)流板磨損等情況的改變隨時(shí)發(fā)生變化，氨氮比分布不均勻的情況長(zhǎng)期存在。

因此，筆者基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度算法，研發(fā)新型在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氨量的精確和實(shí)時(shí)控制，保證SCR脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

1 設(shè)備概況

以亞臨界、中間一次再熱、控制循環(huán)汽包爐為例，鍋爐布置2臺(tái)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，煙氣脫硝系統(tǒng)采用SCR脫硝工藝，脫硝反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。

機(jī)組完成超低排放改造后，增加第3層催化劑，SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下，SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度為550 mg/m3時(shí)，SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度小于50 mg/m3。在SCR脫硝系統(tǒng)入口，分為A/B側(cè)，兩側(cè)中間有方形隔板，將布滿噴嘴的管道從中間隔開，最終左右平行布置的4根噴氨支管將NH3均勻地噴入煙道內(nèi)，具體見圖1。單側(cè)的NH3流量分別由上游的7組噴氨手動(dòng)閥控制，每組手動(dòng)閥包含2個(gè)噴氨支管。在SCR脫硝系統(tǒng)出口，沿寬度方向共預(yù)留7個(gè)測(cè)孔，2個(gè)噴氨支管分別對(duì)應(yīng)沿深度方向不同的測(cè)孔。每個(gè)測(cè)孔與對(duì)應(yīng)的每組噴氨手動(dòng)閥有強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于一組手動(dòng)閥，噴氨格柵處后墻側(cè)的手動(dòng)閥對(duì)應(yīng)出口處測(cè)孔位置淺的NOx濃度，格柵前墻側(cè)的手動(dòng)閥對(duì)應(yīng)出口處測(cè)孔位置深的NOx濃度。

圖1 噴氨格柵布置

為嚴(yán)控NOx排放指標(biāo)，入口存在噴氨過(guò)量的情況。因此，多次對(duì)機(jī)組進(jìn)行手動(dòng)噴氨優(yōu)化調(diào)平試驗(yàn)，并且產(chǎn)生了一定的效果。但是，由于現(xiàn)有的噴氨調(diào)平系統(tǒng)復(fù)雜、通用性不高，同時(shí)需要在入口及出口進(jìn)行多次測(cè)量，因此調(diào)平周期長(zhǎng)、單次費(fèi)用高。此外，機(jī)組負(fù)荷、煤質(zhì)、燃燒狀況等因素多變，定期的手動(dòng)噴氨調(diào)平無(wú)法滿足復(fù)雜的運(yùn)行狀況，需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、可實(shí)時(shí)調(diào)整的在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)。

2 應(yīng)用方案

2.1 系統(tǒng)原理

圖2為在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)原理圖。在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)利用在兩側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口煙道布置的測(cè)量系統(tǒng)，采用切換箱實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格法巡測(cè)，通過(guò)同一臺(tái)NOx分析儀計(jì)算并記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx和O2質(zhì)量濃度，同時(shí)通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)上傳到本地服務(wù)器生成檢測(cè)記錄。通過(guò)安裝在服務(wù)器上的軟件對(duì)記錄進(jìn)行分析處理，生成截面上NOx質(zhì)量濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、歷史趨勢(shì)值、A/B側(cè)總量偏差等參數(shù)?；谶@些參數(shù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)計(jì)算，濃度高的位置開大對(duì)應(yīng)的噴氨自動(dòng)閥，濃度低的位置關(guān)小對(duì)應(yīng)的噴氨自動(dòng)閥，生成噴氨調(diào)整方案。在工程師站的授權(quán)操作下，按照方案調(diào)整噴氨自動(dòng)閥的開度。

圖2 在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)原理圖

調(diào)整后，測(cè)量SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx濃度，分析其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化，并通過(guò)算法再次進(jìn)行調(diào)整。重復(fù)計(jì)算后，使SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和總量偏差穩(wěn)定在最小值，實(shí)現(xiàn)噴氨實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，降低氨逃逸率。

2.2 設(shè)備組成

在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括云服務(wù)器、軟件。硬件系統(tǒng)包括取樣探頭、取樣管路、切換箱、NOx分析儀，自動(dòng)閥控制器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。該系統(tǒng)為獨(dú)立系統(tǒng)，通過(guò)服務(wù)器端的軟件系統(tǒng)控制硬件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、吹掃和調(diào)整，完成SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨均勻性調(diào)整。設(shè)置本地服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器上運(yùn)行的軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)不與電廠內(nèi)其他設(shè)備連接。

在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)包含的系統(tǒng)如下：

(1) 取樣分析系統(tǒng)。

在SCR脫硝系統(tǒng)出口原取樣測(cè)孔處布置取樣網(wǎng)格，網(wǎng)格包括取樣探頭、切換箱、NOx分析儀及相應(yīng)的控制、供電電纜等。取樣探頭插入到煙道上的7個(gè)測(cè)孔中，每個(gè)探頭包括2個(gè)測(cè)點(diǎn)(0.7 m和2.3 m)，其示意圖見圖3。使用在線式煙氣切換箱，通過(guò)切換箱內(nèi)控制板控制閥門的通斷實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)煙氣通道的切換。

圖3 取樣分析系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)

在煙道外部平臺(tái)處，布置前置過(guò)濾器、切換箱和NOx分析儀，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)取樣和輪巡測(cè)量。按設(shè)定頻次定期檢測(cè)反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度。圖4為應(yīng)用前后的取樣分析系統(tǒng)。

圖4 應(yīng)用前后的取樣分析系統(tǒng)

(2) 分析控制系統(tǒng)。

分析控制系統(tǒng)布置在SCR脫硝系統(tǒng)出口，由智能網(wǎng)關(guān)、本地服務(wù)器、調(diào)平軟件等組成。系統(tǒng)接收取樣分析系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)軟件內(nèi)嵌的大數(shù)據(jù)和調(diào)平測(cè)量經(jīng)驗(yàn)算法，計(jì)算出自動(dòng)閥需要調(diào)整的開度，再將其發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給自動(dòng)閥控制器。

(3) SCR脫硝系統(tǒng)入口自動(dòng)閥。

圖5為應(yīng)用前后的自動(dòng)閥。

圖5 應(yīng)用前后的自動(dòng)閥

對(duì)應(yīng)SCR脫硝系統(tǒng)出口的不同位置，在SCR脫硝系統(tǒng)入口噴氨格柵各手動(dòng)閥上游增加1個(gè)遠(yuǎn)程自動(dòng)閥，自動(dòng)閥包括電動(dòng)閥及執(zhí)行器。在改造過(guò)程中，需要將原蝶閥上部管路根據(jù)新閥門的尺寸進(jìn)行切割，焊接新的法蘭，增設(shè)電動(dòng)閥并與原手動(dòng)蝶閥串聯(lián)布置。自動(dòng)閥控制器通過(guò)得到的開度信號(hào)來(lái)操作閥門執(zhí)行器以執(zhí)行特定的開度動(dòng)作，保持SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布得較為均勻。正常運(yùn)行時(shí)，全開手動(dòng)蝶閥并由電動(dòng)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)；電動(dòng)閥發(fā)生異常問(wèn)題時(shí)，全關(guān)手動(dòng)蝶閥并進(jìn)行電動(dòng)閥的在線修理。

(4) 遠(yuǎn)程查詢控制系統(tǒng)。

檢測(cè)和調(diào)整數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)畫面、工程師站服務(wù)器和個(gè)人手機(jī)進(jìn)行查看，授權(quán)用戶能遠(yuǎn)程發(fā)送檢測(cè)系統(tǒng)工作指令。該系統(tǒng)就地設(shè)置控制柜，不需要接入分散控制系統(tǒng)(DCS)，保證原系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2.3 工作流程

(1) 巡測(cè)流程。

通過(guò)手機(jī)、服務(wù)器或就地控制柜對(duì)需要測(cè)量的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選定，并對(duì)測(cè)量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，由服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)解析數(shù)據(jù)后，按照選定的通道和參數(shù)，下發(fā)指令給切換箱和NOx分析儀，按照順序打開切換箱的通道，NOx分析儀抽取氣體進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)測(cè)量過(guò)程需要20 min左右，測(cè)量完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器和觸摸屏進(jìn)行顯示。同時(shí)，根據(jù)自動(dòng)閥與測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出自動(dòng)閥的指導(dǎo)策略。

(2) 吹掃流程。

對(duì)需要吹掃的通道進(jìn)行選定，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)解析數(shù)據(jù)后，按照選定的通道和參數(shù)，打開切換箱內(nèi)的相應(yīng)通道，通入0.3 MPa的壓縮氣體進(jìn)行吹掃。每路吹掃30～60 s，吹掃完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器和觸摸屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)每次巡測(cè)之后都要進(jìn)行一次吹掃，防止持續(xù)的抽氣造成管路堵灰。

3 應(yīng)用效果與分析

3.1 系統(tǒng)本體效果

系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)格法自動(dòng)巡測(cè)和記錄SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx和O2質(zhì)量濃度，采用NOx質(zhì)量濃度為50 mg/m3的標(biāo)氣檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量誤差小于2 mg/m3，同時(shí)一個(gè)月的漂移誤差不大于5 mg/m3，可大幅降低各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)偏差，保證數(shù)據(jù)的一致性。單側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性輪巡測(cè)量時(shí)間小于20 min，并且自動(dòng)生成檢測(cè)和調(diào)整記錄，自動(dòng)記錄調(diào)整時(shí)間、均勻性、閥門開度指導(dǎo)值等相關(guān)指標(biāo)。系統(tǒng)兼具自動(dòng)吹掃、系統(tǒng)故障報(bào)警功能，完成巡測(cè)和調(diào)整的時(shí)間小于40 min，提高了系統(tǒng)的智能化和實(shí)時(shí)效果。系統(tǒng)平均無(wú)故障(影響指標(biāo)監(jiān)督管理)時(shí)間一年內(nèi)不低于200 d。測(cè)量系統(tǒng)在防堵、防腐、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面能保證一年內(nèi)可靠工作。

3.2 脫硝均勻性效果

應(yīng)用在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)前，SCR脫硝反應(yīng)器出口煙道截面NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，各點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度偏差明顯，具體見表1。A/B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口煙道截面NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為86%、64%，最高點(diǎn)最低點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度的偏差可達(dá)到55～104 mg/m3。NOx分布不均勻造成噴氨不均勻，并且噴氨過(guò)量情況嚴(yán)重。

表1 A、B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx分布指標(biāo)

利用在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)重復(fù)進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)和分區(qū)調(diào)整，經(jīng)重復(fù)計(jì)算后，SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性得到明顯改善，具體見圖6。A/B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別由應(yīng)用前的86%、64%變?yōu)閼?yīng)用后的21%、14%。

圖6 SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布

圖7為在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)投運(yùn)前后NOx排放質(zhì)量濃度均值的變化。應(yīng)用前B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口實(shí)測(cè)平均NOx質(zhì)量濃度比A側(cè)低15～20 mg/m3。通過(guò)在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)可均衡兩側(cè)噴氨總量，以兩側(cè)NOx排放質(zhì)量濃度均值波動(dòng)為判據(jù)，參照在線檢測(cè)結(jié)果，合理分配兩側(cè)噴氨量，避免單側(cè)過(guò)量噴氨，NOx排放質(zhì)量濃度均值壓上限值運(yùn)行。在排放不超標(biāo)的情況下盡量少噴氨，實(shí)現(xiàn)了A/B側(cè)噴氨量的調(diào)平。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用前后NOx排放質(zhì)量濃度均值的變化

3.3 空氣預(yù)熱器降阻效果

在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)兩次調(diào)整投運(yùn)前空氣預(yù)熱器A/B側(cè)阻力都處于升高趨勢(shì)，系統(tǒng)投運(yùn)后兩側(cè)阻力變化趨勢(shì)均被扭轉(zhuǎn)，具體見圖8。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可實(shí)時(shí)投運(yùn)在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)，結(jié)合A/B側(cè)的原始基礎(chǔ)阻力差別，A側(cè)阻力長(zhǎng)期穩(wěn)定在1.1 kPa，B側(cè)阻力長(zhǎng)期穩(wěn)定在1.0 kPa。這說(shuō)明在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)通過(guò)改善空間噴氨均勻性，可在一定周期內(nèi)維持空氣預(yù)熱器阻力的穩(wěn)定，改善空氣預(yù)熱器運(yùn)行現(xiàn)狀，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

圖8 空氣預(yù)熱器阻力的變化

4 結(jié)語(yǔ)

以在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)在某300 MW機(jī)組上的應(yīng)用為例，主要的研究結(jié)論為：

(1)通過(guò)分布取樣和輪巡測(cè)量，提高NOx質(zhì)量濃度測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)NOx質(zhì)量濃度高精度、高可靠性的分區(qū)測(cè)量。

(2)利用在線自動(dòng)噴氨調(diào)平系統(tǒng)重復(fù)進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)和分區(qū)調(diào)整，A/B側(cè)SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別由應(yīng)用前的86%、64%變?yōu)閼?yīng)用后21%、14%，大幅提高了NOx分布的均勻性。同時(shí)，該系統(tǒng)以兩側(cè)NOx質(zhì)量濃度均值波動(dòng)為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了噴氨總量的調(diào)平。

(3)噴氨均勻性提高后，空氣預(yù)熱器阻力長(zhǎng)期穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值附近，可以提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。