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1　背景

國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局早在2011年7月29日聯(lián)合發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011》，要求燃煤電廠氮氧化物排放在100mg/Nm 3以內(nèi)。結(jié)合國(guó)家越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保政策，我國(guó)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(guó)大部分燃煤電廠已完成了加裝SCR脫硝設(shè)備和改造原有的燃燒設(shè)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(yùn)行時(shí)間較短，往往存在運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題，并且國(guó)內(nèi)對(duì)SCR的優(yōu)化運(yùn)行尚屬新興的研究課題，尤其是SCR長(zhǎng)期連續(xù)在高效率下運(yùn)行，“氨逃逸”現(xiàn)象時(shí)時(shí)威脅著電廠鍋爐SCR后冷端設(shè)備的安全運(yùn)行。

目前在各大電廠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(yīng)量，減少NO X排放。但是催化劑加層，會(huì)增加SO2/SO3的轉(zhuǎn)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(yù)器堵塞等設(shè)備安全性降低、運(yùn)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(duì)現(xiàn)有SCR的AIG噴氨進(jìn)行更合理的更精細(xì)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(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2　實(shí)施與應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某電廠2×1000MW燃煤機(jī)組配套鍋爐為超超臨界變壓塔式直流鍋爐。鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分級(jí)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(wěn)燃負(fù)荷。SCR脫硝系統(tǒng)催化劑采用蜂窩式，煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，SCR反應(yīng)器采用雙煙道布置。單個(gè)SCR反應(yīng)器凈空尺寸為14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素?zé)嵋淮物L(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(yīng)器內(nèi)。SCR反應(yīng)器入口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時(shí)SCR反應(yīng)器入口煙道狹長(zhǎng)，煙氣流場(chǎng)復(fù)雜，氣流分布難以在各符合段達(dá)到均勻，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過(guò)量導(dǎo)致氨逃逸率過(guò)大，影響空預(yù)器等煙道后部設(shè)備運(yùn)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(diào)節(jié)閥，可在運(yùn)行調(diào)試期間根據(jù)煙道中NH3和NOX的分布情況，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)第三方試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)該電廠7號(hào)機(jī)組進(jìn)行的SCR裝置NOX分布均勻性檢測(cè)結(jié)果顯示：

7號(hào)機(jī)組SCR裝置本次測(cè)試區(qū)域的NO X分布C.V值：A側(cè)上層30.5%，A側(cè)下層42.2%。B側(cè)上層6.80%，B側(cè)下層43.5%。

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

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

氨逃逸對(duì)脫銷系統(tǒng)的影響：如氨分布稍有不均，會(huì)出現(xiàn)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?yàn)槊撓跣瘦^高時(shí)，如果系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，當(dāng)部分煙氣含氨量超過(guò) NOX反應(yīng)量時(shí)，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)就會(huì)逃逸。氨逃逸會(huì)嚴(yán)重SCR的下游設(shè)備安全運(yùn)行，如生成硫酸氫氨沉積在催化劑、空預(yù)器和低溫省煤器上,造成催化劑中毒和空預(yù)器和低溫省煤器的腐蝕，尤其以空預(yù)器和低溫省煤器在電除塵器前面的高溫部分嚴(yán)重；造成FGD廢水及空預(yù)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（C.V）在機(jī)組某些負(fù)荷條件下，仍會(huì)出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象，SCR長(zhǎng)期高效率運(yùn)行過(guò)程中容易造成反應(yīng)器出口局部氨逃逸濃度過(guò)大，降低SCR系統(tǒng)整體性能，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

針對(duì)以上情況，該電廠采用和利時(shí)SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案對(duì)7號(hào)機(jī)組進(jìn)行了SCR智能噴優(yōu)化改造。

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

SCR AIG在線噴氨優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)是針對(duì)目前SCR AIG粗放型噴氨的問(wèn)題而提出的。該系統(tǒng)主要構(gòu)成為：SCR反應(yīng)器入、出口煙道實(shí)時(shí)NO X區(qū)域化測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；在線AIG分區(qū)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)組成。

根據(jù)目前SCR反應(yīng)器與現(xiàn)場(chǎng)噴氨的具體的布置情況（煙道的垂直段較短，這勢(shì)必影響氨/氮的充分混合），結(jié)合檢測(cè)報(bào)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(yīng)器入口煙道（AIG閥門(mén)前）也采用相應(yīng)的區(qū)域化測(cè)量，作為整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)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(biāo)值為SCR出口的氮氧化物的均衡性（C.V值）。

SCR反應(yīng)器入口煙道（AIG閥門(mén)前）實(shí)時(shí)NO X區(qū)域化測(cè)量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)。SCR反應(yīng)器出口垂直煙道實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測(cè)量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)，總計(jì)用24個(gè)NO X數(shù)據(jù)表征SCR A、B兩側(cè)氮氧化物濃度場(chǎng)的分布。SCR A、B兩側(cè)氮氧化物濃度場(chǎng)分布的32個(gè)NO X數(shù)據(jù)和測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)（入口故障、吹掃等）變量統(tǒng)一經(jīng)過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RTUMODBUS接入DCS。

圖1 CR A側(cè)（B側(cè)為鏡像對(duì)稱布置）入/出口測(cè)量裝置布置分布

在線AIG分區(qū)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)，首先要在目前的各個(gè)AIG手動(dòng)調(diào)門(mén)（共2×9個(gè)）支管上改裝與入/出口測(cè)量裝置布置相對(duì)應(yīng)的2×6個(gè)電動(dòng)調(diào)門(mén)。

為了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，2×6個(gè)AIG電動(dòng)調(diào)門(mén)信號(hào)（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(yùn)行人員可在DCS畫(huà)面上手操各AIG電動(dòng)調(diào)門(mén)，AIG電動(dòng)調(diào)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(diào)整。優(yōu)化控制器采用A/B冗余機(jī)制。AIG調(diào)門(mén)優(yōu)化控制指令，通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)統(tǒng)一經(jīng)過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RTUModbus接入DCS。

圖2 SCR AIG噴氨優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架

2.2　區(qū)域化NOX/O2測(cè)量網(wǎng)布設(shè)

本項(xiàng)目采用直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測(cè)量智能分析裝置，直插式在線NOX/O2分析儀檢測(cè)探頭為直接插入煙道安裝模式，探頭采取噴射負(fù)壓取樣原理，將高溫?zé)煔鈱?dǎo)流桿插入高溫?zé)煹溃治鰞x檢測(cè)探頭和噴射泵一起安裝在導(dǎo)流桿的根部，煙氣經(jīng)過(guò)導(dǎo)流桿進(jìn)入檢測(cè)探頭到達(dá)噴射泵負(fù)壓區(qū)，然后隨著噴射泵的驅(qū)動(dòng)氣源返回?zé)煹馈?/p>

檢測(cè)器采用極限電流型半導(dǎo)體陶瓷傳感器，利用氧泵原理檢測(cè)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(zhǎng)取樣管線響應(yīng)速度快，無(wú)需取樣探頭過(guò)濾器減少維護(hù)量，同時(shí)測(cè)量NOX和O2雙組份，無(wú)需NO2轉(zhuǎn)化爐，直接使用于高溫?zé)煔庵袦y(cè)量無(wú)需降溫脫水裝置，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，檢測(cè)尾氣直接返回?zé)煹罒o(wú)二次污染更環(huán)保。

圖3 NOX/O2測(cè)量網(wǎng)布設(shè)示意圖

2.3　SCR AIG噴氨優(yōu)化監(jiān)控模塊

（1）功能實(shí)現(xiàn)

該模塊實(shí)現(xiàn)SCR測(cè)量運(yùn)行數(shù)據(jù)全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控及信號(hào)過(guò)濾，各區(qū)域NOX濃度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視，各區(qū)域與總閥智能聯(lián)動(dòng)控制，脫硝均值等各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。

（2）控制策略

目前SCR上A、B兩側(cè)各裝有2×9個(gè)AIG手動(dòng)調(diào)門(mén)，考慮到各個(gè)SCR噴氨小室的相互干擾性，在SCR反應(yīng)器A、B兩側(cè)入口煙道實(shí)時(shí)NO X區(qū)域化測(cè)量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)。SCR反應(yīng)器A、B兩側(cè)出口煙道實(shí)時(shí)NO X區(qū)域化測(cè)量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)，因此將現(xiàn)有AIG電動(dòng)調(diào)門(mén)合并為對(duì)應(yīng)SCR反應(yīng)器測(cè)量裝置的單元，即2×6個(gè)電動(dòng)調(diào)門(mén)。

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

由于SCR反應(yīng)器內(nèi)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(duì)應(yīng)，且SCR的脫硝是一個(gè)大延時(shí)反應(yīng)，再者SCR單側(cè)就有6個(gè)調(diào)門(mén)，總計(jì)達(dá)12個(gè)，因此僅靠單回路PID調(diào)節(jié)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(yùn)行情況的帶有預(yù)測(cè)功能前饋的，模塊化的多輸出（MOCS），且具有自適應(yīng)的優(yōu)化閉環(huán)控制器。如果采用常規(guī)DCS控制，很有可能使DCS的運(yùn)算負(fù)荷劇增，并且組態(tài)工作也難以實(shí)現(xiàn)，難維護(hù)。因此本方案采用帶有冗余功能的獨(dú)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(tǒng)DCS為和利時(shí)MACS-KV6.5,其提供了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊接口。Modbus具有標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放、穩(wěn)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(wěn)定性，采納RTU模式。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒(méi)有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度可比ASCII高，傳輸速度更快。

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

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

正常應(yīng)用于SCR入、出口的NOX/O2測(cè)量CEMS系統(tǒng)，為單點(diǎn)取樣分析系統(tǒng)，需要將煙氣從煙道內(nèi)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(zhǎng)達(dá)3~5分鐘，要實(shí)現(xiàn)區(qū)域化測(cè)量，系統(tǒng)體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高，維護(hù)量大，滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適用于本AIG優(yōu)化系統(tǒng)。

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

（2）結(jié)合流體模擬計(jì)算及試驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)SCR出入口煙氣科學(xué)網(wǎng)格測(cè)量

根據(jù)網(wǎng)格法測(cè)得的煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)依據(jù)流場(chǎng)計(jì)算獲得準(zhǔn)確的煙氣分布圖，開(kāi)發(fā)智能化的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析軟件，可清晰的查詢、分析、展現(xiàn)當(dāng)前和歷史上SCR出口NO X濃度分布的均勻程度、各區(qū)脫銷效率等指標(biāo)，有利于展開(kāi)催化劑壽命分析。

（3）脫銷優(yōu)化智能控制策略實(shí)現(xiàn)

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。“SCR AIG實(shí)時(shí)智能噴氨系統(tǒng)”根據(jù)“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(yīng)用多測(cè)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，思想內(nèi)置前饋優(yōu)化控制，可根據(jù)SCR的 NOX的濃度場(chǎng)分布均衡性情況自動(dòng)優(yōu)化調(diào)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(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)控制，在保證NO X排放的前提下實(shí)現(xiàn)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(huán)境和社會(huì)效益

系統(tǒng)實(shí)施后有利于確保NOX對(duì)周邊環(huán)境的超低排放，這樣既有利于改善電廠和周邊區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，有利于維護(hù)與周圍居民的和諧友好關(guān)系。

（2）經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)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(duì)偏差每下降10%（按10個(gè)小區(qū)為計(jì)算單元），最大節(jié)省5%左右的氨用量。

根據(jù)國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)表明，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化等摩爾比”噴氨后，預(yù)計(jì)可延長(zhǎng)催化劑使用年限5%左右，按一層催化劑費(fèi)用1500萬(wàn)元（包含拆裝人工費(fèi)）、每4~5年三層催化劑更換一遍計(jì)算，每年約節(jié)省催化劑費(fèi)用約60萬(wàn)元。

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

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

5　結(jié)語(yǔ)

和利時(shí)SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案不僅實(shí)現(xiàn)了低氮燃燒和脫硝控制的協(xié)調(diào)優(yōu)化，滿足環(huán)保要求實(shí)現(xiàn)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(shè)備運(yùn)行可靠性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)還可以在同類發(fā)電企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用推廣，具有極強(qiáng)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(shè)施運(yùn)行水平。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊