9F級(jí)燃機(jī)余爐SCR脫硝噴氨精細(xì)調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用及控制策略分析

文_呂建輝 王建光 于洪海

1 天津華電南疆熱電有限公司 2 中國(guó)華電集團(tuán)有限公司天津分公司 3 華電電力科學(xué)研究院有限公司東北分公司

在火力發(fā)電機(jī)組中，因燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組采用的燃料相對(duì)較為清潔，相比與燃煤發(fā)電機(jī)組更為清潔高效，產(chǎn)生的大氣污染物中煙塵和SO2含量極低，排放的大氣污染物主要為NOx。近年來(lái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在火力發(fā)電機(jī)組中較為突出，截至2017年底，我國(guó)天然氣發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了7570萬(wàn)kW，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的4.3%，根據(jù)《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確的目標(biāo)，2020年天然氣發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1.1億kW以上，占發(fā)電總裝機(jī)比例超過(guò)5%。與此同時(shí)，據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)專家分析預(yù)測(cè)，目前我國(guó)相比發(fā)達(dá)國(guó)家天然氣在終端能源消費(fèi)中的比重存在一定差距，力爭(zhēng)在2030年達(dá)到15%左右。

近年來(lái)，霧霾等大氣環(huán)境惡劣天氣頻繁發(fā)生，火力發(fā)電作為大氣污染物排放大戶受到了重點(diǎn)關(guān)注。燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施超低排放改造，大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷趨于嚴(yán)格，燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)超低排放改造后，主要大氣污染物（即煙塵、NOx、SO2）在基準(zhǔn)氧為6%的條件下，排放濃度已經(jīng)達(dá)到了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2001）中燃?xì)廨啓C(jī)排放限值。但是，GB13223-2001中燃?xì)廨啓C(jī)排放限值的基準(zhǔn)氧為15%，燃?xì)鈾C(jī)組的NOx排放濃度若折算到相同含氧量，則是燃煤機(jī)組的2.5倍；若折算到單位發(fā)電量污染物排放量，則是燃煤機(jī)組的1.55倍。

目前，燃?xì)鈾C(jī)組NOx控制技術(shù)按照控制部位和手段不同，大致可以分為以下3類(lèi)：燃機(jī)本體控制技術(shù)、余熱鍋爐SCR控制技術(shù)和外部因素控制技術(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)專家學(xué)者研究表明，余熱鍋爐SCR控制技術(shù)是使NOx達(dá)到更低排放濃度的經(jīng)濟(jì)有效手段，但由于燃?xì)鈾C(jī)組流場(chǎng)不均勻性問(wèn)題，噴氨控制策略，在線污染物監(jiān)測(cè)等問(wèn)題導(dǎo)致脫硝效果達(dá)到不到預(yù)期的效果。

本研究以“2+26”城市中某重點(diǎn)城市的9F級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組余熱鍋爐SCR脫硝裝置為研究對(duì)象，采取精細(xì)噴氨技術(shù)與控制策略優(yōu)化相結(jié)合的方式，對(duì)余熱鍋爐SCR脫硝控制進(jìn)行研究分析，構(gòu)建完整的脫硝精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)，使機(jī)組在全工況下NOx排放濃度穩(wěn)定達(dá)到15mg/m3，進(jìn)一步降低燃?xì)鈾C(jī)組NOx排放量。

1 SCR進(jìn)口分區(qū)精細(xì)調(diào)節(jié)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于余熱鍋爐進(jìn)口煙道爬升較快，且燃機(jī)出口煙氣為高速旋轉(zhuǎn)氣流，導(dǎo)致余熱鍋爐入口煙氣渦流較大、分布嚴(yán)重不均，從而導(dǎo)致SCR入口流場(chǎng)分布不均，如圖1所示。

圖1 煙道流場(chǎng)分布三維示意圖

本研究將煙道截面分隔成多個(gè)分區(qū)（單臺(tái)余熱鍋爐分區(qū)不少于10個(gè)），如圖2所示。在每個(gè)分區(qū)噴氨支管上增加一個(gè)數(shù)字式氨空流量計(jì)和一個(gè)氣動(dòng)分區(qū)調(diào)平閥，氨空流量信號(hào)作為分區(qū)調(diào)平閥調(diào)整的前饋信號(hào)，啟動(dòng)分區(qū)調(diào)平閥可在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。根據(jù)SCR出口NOx/NH3/O2濃度分布狀況和分區(qū)的噴氨流量，對(duì)分區(qū)調(diào)平閥進(jìn)行聯(lián)控調(diào)節(jié)。

圖2 噴氨格柵分區(qū)示意圖

2 SCR出口NOx/NH3/O2全截面分布測(cè)量系統(tǒng)

本研究將單臺(tái)余熱鍋爐SCR出口煙道沿寬高兩個(gè)方向分成多個(gè)虛擬分區(qū)（單臺(tái)余熱鍋爐分區(qū)不少于10個(gè)）。每個(gè)分區(qū)內(nèi)布置一套多點(diǎn)取樣槍，多點(diǎn)取樣槍的每個(gè)采樣孔位于該區(qū)域的中心點(diǎn)，再通過(guò)一根取樣支管連接至煙道外的切換裝置。在取樣母管上安裝NOx/NH3/O2探頭，實(shí)現(xiàn)NOx/NH3/O2的分區(qū)及混合測(cè)量。獲取SCR出口的NOx、O2和NH3逃逸分布濃度，能夠真實(shí)反映噴氨均勻性效果，進(jìn)而確定各分區(qū)噴氨偏差調(diào)節(jié)目標(biāo)值，作為噴氨優(yōu)化控制的主信號(hào)。

2.1 系統(tǒng)測(cè)量可靠性分析

稀釋系統(tǒng)作為煙氣進(jìn)入分析儀的第一道防線，其可靠性和準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。稀釋系統(tǒng)采用獨(dú)特的現(xiàn)場(chǎng)樣品預(yù)處理的氣體采集方式。在采樣探頭頂部，通過(guò)一個(gè)音速小孔進(jìn)行采樣,并用干燥的儀表空氣在探頭內(nèi)部進(jìn)行稀釋。稀釋法可以徹底避免樣品氣在采樣管線中冷凝結(jié)水，無(wú)需加熱氣體傳輸管線并可避免許多與其他采樣技術(shù)伴隨而來(lái)的麻煩。

2.2 系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確性分析

2.2.1 雙探頭輪巡切換取樣

本研究采用雙探頭輪巡切換取樣，同步對(duì)取樣探桿及取樣管路進(jìn)行改造，加快樣氣的置換速度，提高整個(gè)取樣系統(tǒng)的響應(yīng)速度。兩個(gè)探頭輪巡取樣，即第一個(gè)探頭在取樣一定時(shí)間后，切換至第二個(gè)探頭取樣，因儀表遲滯等原因，當(dāng)前儀表仍在分析第一個(gè)探頭取樣煙氣，如此輪巡，每個(gè)分區(qū)的取樣支管連通時(shí)間控制為30s以內(nèi)，NOx測(cè)量分析儀、氧量分析儀和氨逃逸測(cè)量分析儀即可獲取相應(yīng)分區(qū)的NOx/NH3/O2濃度平均值，巡測(cè)一遍的時(shí)間控制在5min以內(nèi)，確保了測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 雙探頭測(cè)量

為進(jìn)步一確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，本研究采用雙探頭測(cè)量，即一個(gè)探頭進(jìn)行各分區(qū)的混合測(cè)量，另一個(gè)探頭進(jìn)行分區(qū)巡測(cè)，混合測(cè)量與巡測(cè)同時(shí)進(jìn)行，并利用混合測(cè)量結(jié)果對(duì)巡測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。在非巡測(cè)期間，取樣切換閥全開(kāi)，兩探頭同步取混合樣；待接收到巡測(cè)觸發(fā)信號(hào)，取樣切換裝置僅保留一個(gè)分區(qū)的取樣支管與取樣母管連通，其它分區(qū)的取樣支管與取樣母管之間被隔斷，之后依次連通其它分區(qū)的取樣支管與取樣母管，從而實(shí)現(xiàn)巡測(cè)；在巡測(cè)期間另一個(gè)探頭一直保持混合取樣狀態(tài)，混合取樣與分區(qū)巡測(cè)同步進(jìn)行，每個(gè)分區(qū)巡測(cè)后的結(jié)果都會(huì)根據(jù)混合取樣結(jié)果進(jìn)行修正，并將修正后的NOx/NH3/O2濃度作為分區(qū)均衡測(cè)量的反饋信號(hào)，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)

3.1 噴氨總量控制部分研究

本研究噴氨總量控制采用改進(jìn)PID策略，除利用脫硝出口NOx測(cè)量值回饋控制外，還自動(dòng)對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)合專家知識(shí)，不斷提高理論噴氨量的計(jì)算準(zhǔn)確性以及對(duì)多種工況的適應(yīng)性（PID參數(shù)自整定），逐步趨優(yōu)，實(shí)現(xiàn)精確前饋控制，減小對(duì)反饋控制的依賴性，最大限度消除脫硝噴氨控制的大延遲問(wèn)題，保證脫硝出口NOx排放濃度穩(wěn)定，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)任意工況下控制脫硝出口NOx排放濃度為15mg/Nm3以下。精準(zhǔn)噴氧控制系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)總圖

3.1.1 預(yù)測(cè)控制技術(shù)

預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法，它利用性能指標(biāo)來(lái)對(duì)被控對(duì)象的控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究在SCR系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，采用預(yù)測(cè)控制方法，對(duì)噴氨量進(jìn)行優(yōu)化控制。將SCR機(jī)理模型作為控制對(duì)象，SCR數(shù)據(jù)模型作為預(yù)測(cè)模型，基于以上模型以及預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)SCR噴氨量的最優(yōu)控制。噴氨量預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SCR噴氨量預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

本研究將所選取的輔助變量經(jīng)過(guò)相似度函數(shù)優(yōu)化、核主元分析、歸一化作為模型輸入，入口氮氧化物為模型輸出，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，得到靜態(tài)軟測(cè)量模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的入口氮氧化物軟測(cè)量模型，提高在線預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和快速性，然后把優(yōu)化好的參數(shù)帶入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合預(yù)報(bào)誤差和當(dāng)前預(yù)測(cè)誤差的大小在線修改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，并更新訓(xùn)練數(shù)據(jù)，采用變學(xué)習(xí)速率提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度。

3.2 分區(qū)噴氨均衡控制部分研究

分區(qū)調(diào)平閥的控制由新增的先進(jìn)控制系統(tǒng)獨(dú)立完成，且采用與總量控制閥的控制解耦設(shè)計(jì)，保證分區(qū)調(diào)平閥調(diào)節(jié)過(guò)程中不影響總量控制閥的控制品質(zhì)。分區(qū)調(diào)平閥的調(diào)節(jié)上、下限可設(shè)定保護(hù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)僅在設(shè)定范圍內(nèi)小幅調(diào)節(jié)，以保證在閥門(mén)的良好線性度區(qū)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)方案的實(shí)施可全面提升噴氨控制的品質(zhì)，使SCR性能適應(yīng)機(jī)組深度調(diào)峰需求，達(dá)到節(jié)約噴氨量、降低NOx排放濃度等綜合效果。

3.3 常見(jiàn)故障自愈功能

對(duì)于脫硝出口煙氣取樣裝置，在線監(jiān)測(cè)各取樣支路煙氣流量，若存在取樣管堵塞跡象，系統(tǒng)鎖定易堵塞管路進(jìn)行自動(dòng)強(qiáng)化反吹，消除煙氣取樣裝置堵塞隱患；對(duì)于噴氨格柵，可依據(jù)各分區(qū)氨空流量監(jiān)測(cè)值判斷是否存在局部噴氨格柵管路或噴嘴堵塞跡象，若存在，系統(tǒng)自動(dòng)短時(shí)段減小其它正常分區(qū)氨空流量，以加大當(dāng)前存在堵塞跡象分區(qū)的噴氨格柵內(nèi)流速，自動(dòng)消除管路或噴嘴堵塞問(wèn)題后，恢復(fù)至正常噴氨分區(qū)控制狀態(tài)。

3.4 催化劑分區(qū)性能在線評(píng)估

在線統(tǒng)計(jì)分析各分區(qū)累計(jì)脫除的NOx總量以及氨逃逸變化趨勢(shì)，并實(shí)時(shí)顯示各分區(qū)在允許氨逃逸范圍內(nèi)的最大脫硝效率衰變趨勢(shì)。此外，根據(jù)各分區(qū)氨空流量占比、脫硝出口NOx及氨逃逸分布狀況，判定各分區(qū)催化劑是否存在積灰、磨損或局部失活等問(wèn)題，為脫硝裝置的狀態(tài)檢修及確定催化劑更換方案等提供重要參考。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)9F燃機(jī)余熱鍋爐SCR裝置噴氨系統(tǒng)精細(xì)化升級(jí)，增加出口NOx/O2/NH3全截面分布測(cè)量，在設(shè)備的可靠性和測(cè)量的精準(zhǔn)性方面，較傳統(tǒng)的設(shè)備和測(cè)量方式有了極大的提升。同時(shí)，通過(guò)對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，增加了常見(jiàn)故障自愈功能和催化劑分區(qū)性能在線評(píng)估功能，構(gòu)建完整的脫硝精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)，為9F燃機(jī)NOx排放濃度穩(wěn)定達(dá)到更低的限值提供可靠的保障。