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1　背景

國家環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局早在2011年7月29日聯合發布了《火電廠大氣污染物排放標準GB13223-2011》，要求燃煤電廠氮氧化物排放在100mg/Nm 3以內。結合國家越來越嚴格的環保政策，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，取得了良好的環保社會效益。但是，由于SCR的實際運行時間較短，往往存在運行經驗不足等問題，并且國內對SCR的優化運行尚屬新興的研究課題，尤其是SCR長期連續在高效率下運行，“氨逃逸”現象時時威脅著電廠鍋爐SCR后冷端設備的安全運行。

目前在各大電廠超低排放改造中廣泛使用的是簡單的催化劑加層來提高脫硝效率、降低NOX排放的方法，通過增加催化劑和噴氨量，可以進一步增加煙氣中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，從而帶來空預器堵塞等設備安全性降低、運維成本增加的新問題。因此，在超凈排放的新要求下，有必要對現有SCR的AIG噴氨進行更合理的更精細化的優化管理，提供有效的解決方案，在保障環保效益的同時，切實保障設備的安全經濟運行。

2　實施與應用

國內某電廠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，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SCR反應器凈空尺寸為14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素熱一次風熱解法。在SCR入口煙道截面上的2×9個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SCR反應器入口煙道狹長，煙氣流場復雜，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量導致氨逃逸率過大，影響空預器等煙道后部設備運行，同時也影響了SCR效率。

AIG每個噴氨支管配有手動調節閥，可在運行調試期間根據煙道中NH3和NOX的分布情況，進行手動調節。根據第三方試驗檢測機構對該電廠7號機組進行的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%。

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

改造前SCR裝置噴氨優化調整采用靜態調整AIG閥門的方法，該方式僅通過在線實驗方法調整，并且在工況改變的情況下無法做到及時調整，也無法實時監測SCR反應器入、出口煙氣截面NO X分布情況，所以不能及時根據分布情況調整每個噴氨小室的噴氨量，造成了局部氨逃逸率升高、區域性脫硝效率降低。

氨逃逸對脫銷系統的影響：如氨分布稍有不均，會出現局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。實際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發問題。這是因為脫硝效率較高時，如果系統沒有調節氨分布不均的能力，當部分煙氣含氨量超過 NOX反應量時，多余的氨流經系統時就會逃逸。氨逃逸會嚴重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。

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，仍會出現偏高的現象，SCR長期高效率運行過程中容易造成反應器出口局部氨逃逸濃度過大，降低SCR系統整體性能，威脅機組的安全運行。

針對以上情況，該電廠采用和利時SCR智能脫硝優化解決方案對7號機組進行了SCR智能噴優化改造。

2.1　系統架構

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

根據目前SCR反應器與現場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”的實時均衡性，在實施實時優化噴氨時，必須在SCR反應器入口煙道（AIG閥門前）也采用相應的區域化測量，作為整個優化系統的前饋。這樣可從SCR的入口處就實時控制住氨/氮摩爾比，提升優化控制品質。

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閥門前）實時NO X區域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個。SCR反應器出口垂直煙道實時NOX區域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個，總計用24個NO X數據表征SCR A、B兩側氮氧化物濃度場的分布。SCR A、B兩側氮氧化物濃度場分布的32個NO X數據和測量系統的狀態（入口故障、吹掃等）變量統一經過工業標準的RTUMODBUS接入DCS。

圖1 CR A側（B側為鏡像對稱布置）入/出口測量裝置布置分布

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

為了系統的穩定可靠運行，2×6個AIG電動調門信號（指令和開度反饋,共2×6個模擬量輸入、2×6個模擬量輸出）全部直接連接至DCS。運行人員可在DCS畫面上手操各AIG電動調門，AIG電動調門亦可接受優化控制器來的自動指令，按照實際SCR入、出口NO X濃度場的分布情況，進行優化調整。優化控制器采用A/B冗余機制。AIG調門優化控制指令，通過數據交換機，再由數據處理系統統一經過工業標準的RTUModbus接入DCS。

圖2 SCR AIG噴氨優化系統構架

2.2　區域化NOX/O2測量網布設

本項目采用直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置，直插式在線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，煙氣經過導流桿進入檢測探頭到達噴射泵負壓區，然后隨著噴射泵的驅動氣源返回煙道。

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。具有安裝方便簡單，無需超長取樣管線響應速度快，無需取樣探頭過濾器減少維護量，同時測量NOX和O2雙組份，無需NO2轉化爐，直接使用于高溫煙氣中測量無需降溫脫水裝置，系統簡單可靠，檢測尾氣直接返回煙道無二次污染更環保。

圖3 NOX/O2測量網布設示意圖

2.3　SCR AIG噴氨優化監控模塊

（1）功能實現

該模塊實現SCR測量運行數據全面實時監控，運行數據質量監控及信號過濾，各區域NOX濃度場實時監視，各區域與總閥智能聯動控制，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AIG手動調門，考慮到各個SCR噴氨小室的相互干擾性，在SCR反應器A、B兩側入口煙道實時NO X區域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個。SCR反應器A、B兩側出口煙道實時NO X區域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個，因此將現有AIG電動調門合并為對應SCR反應器測量裝置的單元，即2×6個電動調門。

圖4 和利時SCR優化控制系統全面監控操作站畫面示意圖

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、出口的濃度場未必能一一對應，且SCR的脫硝是一個大延時反應，再者SCR單側就有6個調門，總計達12個，因此僅靠單回路PID調節器，幾乎是難以勝任優化控制。所以采用一個基于實際運行情況的帶有預測功能前饋的，模塊化的多輸出（MOCS），且具有自適應的優化閉環控制器。如果采用常規DCS控制，很有可能使DCS的運算負荷劇增，并且組態工作也難以實現，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噴氨優化控制策略簡圖

（3）與DCS的通訊方式選擇

Modbus網絡已得到廣泛使用的工業通信系統DCS為和利時MACS-KV6.5,其提供了標準的Modbus通訊接口。Modbus具有標準、開放、穩定傳輸接口及介質多等特點。為確保通訊的實時性和穩定性，采納RTU模式。這種方式的主要優點是：數據幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數據的密度可比ASCII高，傳輸速度更快。

3　應用創新性、重點與難點問題

（1）應用了和利時直插式原位在線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，為單點取樣分析系統，需要將煙氣從煙道內取出，經過粉塵過濾、干燥脫水除濕后通過伴熱管線將取出的樣氣輸送至光譜分析儀表進行分析。整個取樣分析過程長達3~5分鐘，要實現區域化測量，系統體積龐大，結構復雜，造價成本高，維護量大，滯后時間過長，不適用于本AIG優化系統。

案例中采用直插式原位在線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，具有結構簡單、安裝維護方便、無需復雜的取樣系統，煙道原位安裝，響應速度快，測量準確等特點，易于在煙道內多點測量網的布置，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現SCR出入口煙氣科學網格測量

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

（3）脫銷優化智能控制策略實現

基于SCR各噴氨小室“NO X/NH3等摩爾比優化噴氨”的理念，研制SCR噴氨格柵門的最優算法。“SCR AIG實時智能噴氨系統”根據“實時場論優化”思想，采用冗余的先進控制算法，應用多測點的優勢，思想內置前饋優化控制，可根據SCR的 NOX的濃度場分布均衡性情況自動優化調整AIG閥門，收斂、控制NOX的濃度場分布均衡性。最終實現SCR系統的智能、精細控制，在保證NO X排放的前提下實現脫銷效率、氨和催化劑消耗量間的效益最大化。

4　效益分析

（1）環境和社會效益

系統實施后有利于確保NOX對周邊環境的超低排放，這樣既有利于改善電廠和周邊區域環境質量，有利于維護與周圍居民的和諧友好關系。

（2）經濟效益

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個小區為計算單元），最大節省5%左右的氨用量。

根據國外相關機構的研究數據表明，實現“優化等摩爾比”噴氨后，預計可延長催化劑使用年限5%左右，按一層催化劑費用1500萬元（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，這幾項少說也有60萬/年的收益左右。

綜上分析可發現，方案實施后經濟效益將大大提升。

5　結語

和利時SCR智能脫硝優化解決方案不僅實現了低氮燃燒和脫硝控制的協調優化，滿足環保要求實現低NOX排放，提高SCR出口脫硝控制品質，降低氨逃逸率，提高設備運行可靠性及運行經濟性；同時還可以在同類發電企業進行應用推廣，具有極強的推廣價值，從而有助于提升所有燃煤發電企業的環保設施運行水平。

摘自《自動化博覽》2019年9月刊