1　背景

國家環(huán)境保護部和國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局早在2011年7月29日聯(lián)合發(fā)布了《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標準GB13223-2011》，要求燃煤電廠(chǎng)氮氧化物排放在100mg/Nm 3以?xún)?。結合國家越來(lái)越嚴格的環(huán)保政策，我國提出了更高的潔凈排放要求，即氮氧化物排放在50mg/Nm 3以下。雖然我國大部分燃煤電廠(chǎng)已完成了加裝SCR脫硝設備和改造原有的燃燒設備，且已逐步完成超凈排放的改造，取得了良好的環(huán)保社會(huì )效益。但是，由于SCR的實(shí)際運行時(shí)間較短，往往存在運行經(jīng)驗不足等問(wèn)題，并且國內對SCR的優(yōu)化運行尚屬新興的研究課題，尤其是SCR長(cháng)期連續在高效率下運行，“氨逃逸”現象時(shí)時(shí)威脅著(zhù)電廠(chǎng)鍋爐SCR后冷端設備的安全運行。

目前在各大電廠(chǎng)超低排放改造中廣泛使用的是簡(jiǎn)單的催化劑加層來(lái)提高脫硝效率、降低NOX排放的方法，通過(guò)增加催化劑和噴氨量，可以進(jìn)一步增加煙氣中NO X和氨的反應量，減少NO X排放。但是催化劑加層，會(huì )增加SO2/SO3的轉換幾率，并且大幅提高SCR的噴氨量，也加大了氨逃逸的可能性，從而帶來(lái)空預器堵塞等設備安全性降低、運維成本增加的新問(wèn)題。因此，在超凈排放的新要求下，有必要對現有SCR的AIG噴氨進(jìn)行更合理的更精細化的優(yōu)化管理，提供有效的解決方案，在保障環(huán)保效益的同時(shí)，切實(shí)保障設備的安全經(jīng)濟運行。

2　實(shí)施與應用

國內某電廠(chǎng)2×1000MW燃煤機組配套鍋爐為超超臨界變壓塔式直流鍋爐。鍋爐燃燒系統設計采用分級燃燒和濃淡燃燒等技術(shù)，可有效降低NO X排放量和降低鍋爐最低穩燃負荷。SCR脫硝系統催化劑采用蜂窩式，煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，SCR反應器采用雙煙道布置。單個(gè)SCR反應器凈空尺寸為14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素熱一次風(fēng)熱解法。在SCR入口煙道截面上的2×9個(gè)AIG噴嘴將氨噴入到SCR反應器內。SCR反應器入口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時(shí)SCR反應器入口煙道狹長(cháng)，煙氣流場(chǎng)復雜，氣流分布難以在各符合段達到均勻，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過(guò)量導致氨逃逸率過(guò)大，影響空預器等煙道后部設備運行，同時(shí)也影響了SCR效率。

AIG每個(gè)噴氨支管配有手動(dòng)調節閥，可在運行調試期間根據煙道中NH3和NOX的分布情況，進(jìn)行手動(dòng)調節。根據第三方試驗檢測機構對該電廠(chǎng)7號機組進(jìn)行的SCR裝置NOX分布均勻性檢測結果顯示：

7號機組SCR裝置本次測試區域的NO X分布C.V值：A側上層30.5%，A側下層42.2%。B側上層6.80%，B側下層43.5%。

根據以往經(jīng)驗，當SCR裝置NO X分布的C.V值在30%以下時(shí)，可認為NOX分布均勻性正常。

改造前SCR裝置噴氨優(yōu)化調整采用靜態(tài)調整AIG閥門(mén)的方法，該方式僅通過(guò)在線(xiàn)實(shí)驗方法調整，并且在工況改變的情況下無(wú)法做到及時(shí)調整，也無(wú)法實(shí)時(shí)監測SCR反應器入、出口煙氣截面NO X分布情況，所以不能及時(shí)根據分布情況調整每個(gè)噴氨小室的噴氨量，造成了局部氨逃逸率升高、區域性脫硝效率降低。

氨逃逸對脫銷(xiāo)系統的影響：如氨分布稍有不均，會(huì )出現局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。實(shí)際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問(wèn)題。這是因為脫硝效率較高時(shí)，如果系統沒(méi)有調節氨分布不均的能力，當部分煙氣含氨量超過(guò) NOX反應量時(shí)，多余的氨流經(jīng)系統時(shí)就會(huì )逃逸。氨逃逸會(huì )嚴重SCR的下游設備安全運行，如生成硫酸氫氨沉積在催化劑、空預器和低溫省煤器上,造成催化劑中毒和空預器和低溫省煤器的腐蝕，尤其以空預器和低溫省煤器在電除塵器前面的高溫部分嚴重；造成FGD廢水及空預器清洗水中含NH 3；增加飛灰中的NH3化合物，改變飛灰的品質(zhì)。

目前SCR出口NO X分布平均相對標準偏差（C.V）在機組某些負荷條件下，仍會(huì )出現偏高的現象，SCR長(cháng)期高效率運行過(guò)程中容易造成反應器出口局部氨逃逸濃度過(guò)大，降低SCR系統整體性能，威脅機組的安全運行。

針對以上情況，該電廠(chǎng)采用和利時(shí)SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案對7號機組進(jìn)行了SCR智能?chē)妰?yōu)化改造。

2.1　系統架構

SCR AIG在線(xiàn)噴氨優(yōu)化調整系統是針對目前SCR AIG粗放型噴氨的問(wèn)題而提出的。該系統主要構成為：SCR反應器入、出口煙道實(shí)時(shí)NO X區域化測量系統；數據分析處理系統；在線(xiàn)AIG分區優(yōu)化調整系統組成。

根據目前SCR反應器與現場(chǎng)噴氨的具體的布置情況（煙道的垂直段較短，這勢必影響氨/氮的充分混合），結合檢測報告，為了更好地提高“氨/氮等摩爾比”的實(shí)時(shí)均衡性，在實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化噴氨時(shí)，必須在SCR反應器入口煙道（AIG閥門(mén)前）也采用相應的區域化測量，作為整個(gè)優(yōu)化系統的前饋。這樣可從SCR的入口處就實(shí)時(shí)控制住氨/氮摩爾比，提升優(yōu)化控制品質(zhì)。

控制的最終目標值為SCR出口的氮氧化物的均衡性（C.V值）。

SCR反應器入口煙道（AIG閥門(mén)前）實(shí)時(shí)NO X區域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計12個(gè)。SCR反應器出口垂直煙道實(shí)時(shí)NOX區域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計12個(gè)，總計用24個(gè)NO X數據表征SCR A、B兩側氮氧化物濃度場(chǎng)的分布。SCR A、B兩側氮氧化物濃度場(chǎng)分布的32個(gè)NO X數據和測量系統的狀態(tài)（入口故障、吹掃等）變量統一經(jīng)過(guò)工業(yè)標準的RTUMODBUS接入DCS。

圖1 CR A側（B側為鏡像對稱(chēng)布置）入/出口測量裝置布置分布

在線(xiàn)AIG分區優(yōu)化調整系統，首先要在目前的各個(gè)AIG手動(dòng)調門(mén)（共2×9個(gè)）支管上改裝與入/出口測量裝置布置相對應的2×6個(gè)電動(dòng)調門(mén)。

為了系統的穩定可靠運行，2×6個(gè)AIG電動(dòng)調門(mén)信號（指令和開(kāi)度反饋,共2×6個(gè)模擬量輸入、2×6個(gè)模擬量輸出）全部直接連接至DCS。運行人員可在DCS畫(huà)面上手操各AIG電動(dòng)調門(mén)，AIG電動(dòng)調門(mén)亦可接受優(yōu)化控制器來(lái)的自動(dòng)指令，按照實(shí)際SCR入、出口NO X濃度場(chǎng)的分布情況，進(jìn)行優(yōu)化調整。優(yōu)化控制器采用A/B冗余機制。AIG調門(mén)優(yōu)化控制指令，通過(guò)數據交換機，再由數據處理系統統一經(jīng)過(guò)工業(yè)標準的RTUModbus接入DCS。

圖2 SCR AIG噴氨優(yōu)化系統構架

2.2　區域化NOX/O2測量網(wǎng)布設

本項目采用直插式原位在線(xiàn)NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置，直插式在線(xiàn)NOX/O2分析儀檢測探頭為直接插入煙道安裝模式，探頭采取噴射負壓取樣原理，將高溫煙氣導流桿插入高溫煙道，分析儀檢測探頭和噴射泵一起安裝在導流桿的根部，煙氣經(jīng)過(guò)導流桿進(jìn)入檢測探頭到達噴射泵負壓區，然后隨著(zhù)噴射泵的驅動(dòng)氣源返回煙道。

檢測器采用極限電流型半導體陶瓷傳感器，利用氧泵原理檢測煙氣中的O2含量和NOX濃度。具有安裝方便簡(jiǎn)單，無(wú)需超長(cháng)取樣管線(xiàn)響應速度快，無(wú)需取樣探頭過(guò)濾器減少維護量，同時(shí)測量NOX和O2雙組份，無(wú)需NO2轉化爐，直接使用于高溫煙氣中測量無(wú)需降溫脫水裝置，系統簡(jiǎn)單可靠，檢測尾氣直接返回煙道無(wú)二次污染更環(huán)保。

圖3 NOX/O2測量網(wǎng)布設示意圖

2.3　SCR AIG噴氨優(yōu)化監控模塊

（1）功能實(shí)現

該模塊實(shí)現SCR測量運行數據全面實(shí)時(shí)監控，運行數據質(zhì)量監控及信號過(guò)濾，各區域NOX濃度場(chǎng)實(shí)時(shí)監視，各區域與總閥智能聯(lián)動(dòng)控制，脫硝均值等各指標統計分析。

（2）控制策略

目前SCR上A、B兩側各裝有2×9個(gè)AIG手動(dòng)調門(mén)，考慮到各個(gè)SCR噴氨小室的相互干擾性，在SCR反應器A、B兩側入口煙道實(shí)時(shí)NO X區域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計12個(gè)。SCR反應器A、B兩側出口煙道實(shí)時(shí)NO X區域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計12個(gè)，因此將現有AIG電動(dòng)調門(mén)合并為對應SCR反應器測量裝置的單元，即2×6個(gè)電動(dòng)調門(mén)。

圖4 和利時(shí)SCR優(yōu)化控制系統全面監控操作站畫(huà)面示意圖

由于SCR反應器內各噴氨小室的噴氨量是相互干擾，還有SCR的入、出口的濃度場(chǎng)未必能一一對應，且SCR的脫硝是一個(gè)大延時(shí)反應，再者SCR單側就有6個(gè)調門(mén)，總計達12個(gè)，因此僅靠單回路PID調節器，幾乎是難以勝任優(yōu)化控制。所以采用一個(gè)基于實(shí)際運行情況的帶有預測功能前饋的，模塊化的多輸出（MOCS），且具有自適應的優(yōu)化閉環(huán)控制器。如果采用常規DCS控制，很有可能使DCS的運算負荷劇增，并且組態(tài)工作也難以實(shí)現，難維護。因此本方案采用帶有冗余功能的獨立控制器模式。

圖5 SCR AIG噴氨優(yōu)化控制策略簡(jiǎn)圖

（3）與DCS的通訊方式選擇

Modbus網(wǎng)絡(luò )已得到廣泛使用的工業(yè)通信系統DCS為和利時(shí)MACS-KV6.5,其提供了標準的Modbus通訊接口。Modbus具有標準、開(kāi)放、穩定傳輸接口及介質(zhì)多等特點(diǎn)。為確保通訊的實(shí)時(shí)性和穩定性，采納RTU模式。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：數據幀傳送之間沒(méi)有間隔，相同波特率下傳輸數據的密度可比ASCII高，傳輸速度更快。

3　應用創(chuàng )新性、重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題

（1）應用了和利時(shí)直插式原位在線(xiàn)NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置

正常應用于SCR入、出口的NOX/O2測量CEMS系統，為單點(diǎn)取樣分析系統，需要將煙氣從煙道內取出，經(jīng)過(guò)粉塵過(guò)濾、干燥脫水除濕后通過(guò)伴熱管線(xiàn)將取出的樣氣輸送至光譜分析儀表進(jìn)行分析。整個(gè)取樣分析過(guò)程長(cháng)達3~5分鐘，要實(shí)現區域化測量，系統體積龐大，結構復雜，造價(jià)成本高，維護量大，滯后時(shí)間過(guò)長(cháng)，不適用于本AIG優(yōu)化系統。

案例中采用直插式原位在線(xiàn)NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置，該分析裝置由取樣裝置、檢測探頭和控制變送單元三部分組成，具有結構簡(jiǎn)單、安裝維護方便、無(wú)需復雜的取樣系統，煙道原位安裝，響應速度快，測量準確等特點(diǎn)，易于在煙道內多點(diǎn)測量網(wǎng)的布置，是SCR脫硝工藝的最佳NO X和 O2的檢測儀器。

（2）結合流體模擬計算及試驗方式實(shí)現SCR出入口煙氣科學(xué)網(wǎng)格測量

根據網(wǎng)格法測得的煙氣成分數據依據流場(chǎng)計算獲得準確的煙氣分布圖，開(kāi)發(fā)智能化的測量數據統計和分析軟件，可清晰的查詢(xún)、分析、展現當前和歷史上SCR出口NO X濃度分布的均勻程度、各區脫銷(xiāo)效率等指標，有利于展開(kāi)催化劑壽命分析。

（3）脫銷(xiāo)優(yōu)化智能控制策略實(shí)現

基于SCR各噴氨小室“NO X/NH3等摩爾比優(yōu)化噴氨”的理念，研制SCR噴氨格柵門(mén)的最優(yōu)算法?！癝CR AIG實(shí)時(shí)智能?chē)姲毕到y”根據“實(shí)時(shí)場(chǎng)論優(yōu)化”思想，采用冗余的先進(jìn)控制算法，應用多測點(diǎn)的優(yōu)勢，思想內置前饋優(yōu)化控制，可根據SCR的 NOX的濃度場(chǎng)分布均衡性情況自動(dòng)優(yōu)化調整AIG閥門(mén)，收斂、控制NOX的濃度場(chǎng)分布均衡性。最終實(shí)現SCR系統的智能、精細控制，在保證NO X排放的前提下實(shí)現脫銷(xiāo)效率、氨和催化劑消耗量間的效益最大化。

4　效益分析

（1）環(huán)境和社會(huì )效益

系統實(shí)施后有利于確保NOX對周邊環(huán)境的超低排放，這樣既有利于改善電廠(chǎng)和周邊區域環(huán)境質(zhì)量，有利于維護與周?chē)用竦暮椭C友好關(guān)系。

（2）經(jīng)濟效益

根據理論計算，當SCR的脫硝效率在90%左右，SCR出口保證不大于50mg/Nm 3，SCR出口NO X分布的相對偏差每下降10%（按10個(gè)小區為計算單元），最大節省5%左右的氨用量。

根據國外相關(guān)機構的研究數據表明，實(shí)現“優(yōu)化等摩爾比”噴氨后，預計可延長(cháng)催化劑使用年限5%左右，按一層催化劑費用1500萬(wàn)元（包含拆裝人工費）、每4~5年三層催化劑更換一遍計算，每年約節省催化劑費用約60萬(wàn)元。

另外，系統運行后將有效降低NH3逃逸量，可提高空預器效率，降低排煙溫度和維護成本，減少機組因空預器堵塞引起的機組非停幾率，提高機組可靠性，這幾項少說(shuō)也有60萬(wàn)/年的收益左右。

綜上分析可發(fā)現，方案實(shí)施后經(jīng)濟效益將大大提升。

5　結語(yǔ)

和利時(shí)SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案不僅實(shí)現了低氮燃燒和脫硝控制的協(xié)調優(yōu)化，滿(mǎn)足環(huán)保要求實(shí)現低NOX排放，提高SCR出口脫硝控制品質(zhì)，降低氨逃逸率，提高設備運行可靠性及運行經(jīng)濟性；同時(shí)還可以在同類(lèi)發(fā)電企業(yè)進(jìn)行應用推廣，具有極強的推廣價(jià)值，從而有助于提升所有燃煤發(fā)電企業(yè)的環(huán)保設施運行水平。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊