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火电厂脱硝系统分区测量与优化控制应用分析

2024-10-27 70 上传者：管理员

摘要：漳山电厂SCR （Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）反应器烟道弯头较多、布置曲折、烟道狭长等，致使烟气流场复杂且气流分布不均，NOx单一测点无法准确地反映烟道内NOx的分布，且不能在工况改变的情况下及时对喷氨量进行按需分配，造成局部欠喷或过喷现象，导致一部分NOx没有充分反应，一部分氨气发生逃逸，脱硝效率降低。通过脱硝系统分区测量与优化控制改造，在SCR反应器的入、出口安装烟气NOx网格法测量系统，对NOx进行分区多点测量，准确反映SCR反应器烟道内污染物的分布状况。同时各分区调门按需喷氨，保证了喷氨格栅（AIG）氨氮摩尔比的相对高度均匀，有效降低了NOx的排放量，减少了氨逃逸，降低了液氨成本，确保了SCR下游冷端设备的安全运行，达到了很好的控制效果。

关键词：
AIG
分区测量
喷氨格栅
网格法测量系统
脱硝系统
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漳山电厂SCR反应器入口烟道弯头很多，布置非常曲折，同时SCR反应器入口烟道狭长，烟气流场复杂，气流分布不均匀，采用均衡喷氨极易引起局部喷氨过量导致氨逃逸率过大，影响空预器等烟道后部设备运行，同时也影响了SCR效率。SCR反应器入口布置有2×40个喷氨小室，每个喷氨小室有一个“氨”喷入嘴，每个喷嘴原来设计有一个手动门控制，通过手动调节方式来解决SCR反应器入口烟气分布不均匀的问题，并且在工况改变的情况下无法做到及时调整，不能实时在线监测SCR反应器入口烟气截面NOx分布情况，不能及时根据分布情况调整每个喷氨小室的喷氨量，造成局部氨逃逸率升高或者脱硝效果差[1]。通过脱硝系统分区测量与优化控制改造，在SCR反应器的入、出口安装烟气NOx网格法测量系统，对NOx进行分区多点测量，准确反映SCR反应器烟道内污染物的分布状况。同时各分区调门按需喷氨，保证了喷氨格栅氨氮摩尔比的相对高度均匀，有效降低了NOx的排放量，减少了氨逃逸，降低了液氨成本，确保了SCR下游冷端设备的安全运行，达到了很好的控制效果[2]。

1、技术改造

对SCR系统进行改造，架构如图1所示。

1）在SCR反应器的入、出口安装烟气NOx网格法测量系统[3]，根据现场喷氨格栅和催化剂布局将A、B侧烟道划分为不同的小区，然后在各个小区内布置相应的取样点，SCR反应器A、B侧出口取样点各布置7点。

2）对现有的SCR反应器入口A、B侧各个喷氨支管增加调节阀，并实现远程控制。

3）由喷氨格栅优化控制器实现优化控制。

4）控制器通过DCS获取机组实时数据，同时设上位监控。

5）最终实现快速测量并计算出NOx分布的不均匀情况，同时依据计算结果在线调整各个喷氨格栅阀门开度，实现快速、自动的调平功能，保证喷氨格栅氨氮摩尔比的相对高度均匀[4]。

图1分区测量与优化控制架构图

1.1 网格法测量系统

在SCR反应器的每侧各安装1套网格测量系统，该测量系统对SCR反应器入、出口的NOx和O2进行在线快速断面扫描测量。按照目前SCR喷氨格栅门组布置情况，将每个SCR反应器入口划分为3个测量小区，每个SCR反应器出口划分为7个测量小区。为避免产生测量误差，将对各个测量小区进行同步取样分析。根据SCR反应器出口流场的变化规律，定期对网络测点进行同步测量[5]。

取样点安装位置为入口在喷氨格栅前烟道宽度方向布置3点，采取水平插入。出口取样点紧邻催化剂出口布置，在竖直烟道采用“前三后四”的方式水平插入不同深度的取样枪，最终布置图如图2、图3和图4所示。

1.2 喷氨调节阀改造

为了解决手动喷氨阀无法实现喷氨量实时调节的问题，根据现场烟道状况及实验数据分析后，对手动阀门进行了组合，前端加上调节阀门，可实时对喷氨量进行控制。调节阀采用316L不锈钢，执行机构采用性能可靠的气动调节阀。手动喷氨调节阀组合如图5所示。

图2出口测点布置图

图3入口测点布置图

图4测点安装图

图5可靠的气动调节阀效果图（前后墙）

2、控制策略优化

结合目前SCR系统的实际运行情况及针对影响因素的优化方案，在对NOx浓度场进行实时检测的前提下，对SCR喷氨格栅中的电动阀门进行在线闭环控制，该控制方案逻辑如图6所示。该方案可通过烟道A、B侧的SCR反应器出口及入口NOx质量浓度均值的差来修正A、B侧总喷氨阀开度，以减小A、B两侧SCR反应器出口NOx总体质量浓度的偏差。采用多模式模糊推理算法作为前馈量，根据不同的工况组合计算各区域喷氨阀门开度，实现变工况下SCR反应器出口NOx浓度场的快速均衡前馈控制。采用均衡控制算法，根据SCR反应器出口各区域NOx质量浓度值与均值的偏差修正各区域阀门开度，实现对SCR反应器出口NOx浓度场的精确均衡反馈控制[6]。均衡控制是以出口NOx分布标准偏差达到设定值作为收敛目标值。

2.1 状态控制器

基于SCR各喷氨小室“氨氮摩尔比优化喷氨”的理念，建立了SCR各AIG喷氨小室的多维数学模型，研制了SCR喷氨格栅调门的状态控制器，在提高SCR脱硝效率的同时，降低了氨逃逸率。1）多入多出（MIMO）矩阵状态控制器可根据SCR反应器出、入口烟气成分（NOx和O2）分布平衡AIG各个调节阀开度，实现AIG小区按需喷氨，同时保证各小区脱硝效率。2）进行偏差率、平衡度等多目标控制（见图7）。

2.2 均衡控制

均衡控制包括A、B侧烟道的平衡，单侧烟道每个AIG小区的平衡，由单点控制提升为面控制，同时有机结合喷氨总量控制和喷氨分布控制，改善整体脱硝效率，降低氨量，减少氨逃逸。

为了减小出口NOx的质量浓度偏差，使区域间NOx质量浓度相互兼顾，添加均衡控制来对每个喷氨阀门进行细调。根据网格测量法的分区，均衡控制器有n个输入，分别为SCR反应器出口n个测点质量浓度值与平均值之差；n个输出分别控制对应的喷氨阀门。

2.3 预测控制

依据机组历史运行数据模型，建立以模型为基础的预测控制系统，在机组工况发生变化时能够快速运算出AIG调节阀开度分布图，实现系统快速响应。图8为预测控制原理图。

图6优化控制策略

图7偏差率、平衡度等多目标控制原理图

图8预测控制原理图

前馈控制器有快速补偿的作用，能够有效克服变工况时系统的滞后性。多模式模糊推理器可以根据不同的工况组合推理出各个阀门对应的开度输出，作为喷氨阀门的开度指令。其输入量分别为：负荷（LOAD）、磨煤机组合方式（MILL）、烟气含氧量（O2）、SOFA风挡板开度、COFA风挡板开度和燃烧器摆角（TILT),8个输出量分别对应8个喷氨阀门。利用多重多维模糊推理模型将变量模糊化，并用隶属度函数计算相应的隶属度，应用规则库的控制规则得到相应阀门调整值。

3、效果分析

在机组600、480、300 MW稳定负荷下，进行网格测量法分区喷氨控制系统的单体扰动调试。经过扰动试验后，进行了摸底试验和考核试验，试验结果分别如表1、表2和表3所示，机组氨逃逸对比情况如表4所示。

表1摸底试验脱硝SCR氨逃逸测量数据汇总分析

从考核试验的数据看，CEMS (Continuous Emission Monitoring System，连续排放监测系统）的NOx质量浓度、氨逃逸率与手工网格法测量、在线区域化测量系统的读数是比较吻合的，可以认为考核试验真实可靠地反映了“锅炉脱硝AIG喷氨实时优化系统”的实际运行情况。

表2机组脱硝A侧考核试验在线测量数据汇总表

注：ρ为质量浓度，t1—t3为3个不同的时间段。

摸底试验氨逃逸率平均值为4×10-6左右，最大值达1.2×10-5左右，SCR反应器A侧出口NOx质量浓度平均值为40 mg/m3左右，NOx分布标准偏差为16%～35%。

考核试验氨逃逸率平均值为2×10-6左右，最大值为4×10-6左右，SCR反应器A侧出口NOx质量浓度平均值为40 mg/m3左右，NOx分布标准偏差小于8%。

经优化，在严格控制氨逃逸率的水平下，脱硝取得了很好的效果，输入输出前后相比，NOx质量浓度大幅下降，满足排放要求。

4、结束语

通过对漳山电厂SCR系统进行分区测量与优化控制改造，解决了现有测量方式因单点测量和取样点位置的原因导致的表征性差问题，可以准确测量整个截面污染物的分布情况，同时得到准确的污染物质量浓度平均值。优化喷氨进一步提高了SCR脱硝效率，帮助燃煤机组达到了“洁净排放”和“近零排放”，同时有效预防了氨逃逸造成的二次污染，确保了SCR下游冷端设备的安全运行，达到了很好的控制效果。

表3机组脱硝B侧考核试验在线测量数据汇总表

表4机组氨逃逸对比表

参考文献:

[1]方垒.多模型切换DMC-PID串级预测控制在SCR脱硝系统中应用的仿真分析[J].热能动力工程,2023,38(4):75-81.

[2]李前,梁杰辉,李圣强,等.燃气发电机组试验台烟气脱硝系统设计与运行[J].内燃机与动力装置,2022,39(5):72-77.

[3]樊士杰.锅炉SCR系统中喷氨格栅运行参数调整[J].工业锅炉,2022(3):54-57.

[4]谢晔,王宏铭,马丽媛,等.660 MW机组脱硝SCR分区喷氨控制技术改造[J].宁夏电力,2022(2):66-70.

[5]王克,陈艺,汤陈怀.630 MW超临界机组锅炉全负荷脱硝技术路径选型研究[J].特种设备安全技术,2022(2):16-20.

[6]杨正波.关于燃煤热风炉脱硫除尘超低排放改造措施的讨论[J].化工管理,2020(23):54-55.

文章来源:柴飞虎.火电厂脱硝系统分区测量与优化控制应用分析[J].能源与节能,2024,(10):6-10.