噴氨運行優化技術在鄒縣電廠的應用

閆修峰，何修年

（華電鄒縣發電有限公司，山東 濟寧 273513）

0 引言

近年來，為實現電廠超低排放，脫硝系統催化劑出口NOx/NH 3混合不均勻、各分區噴氨量不能實現智能控制等問題日趨突出，本文是基于當前脫硝超低改造及運行現狀，為了實現脫硝系統的優化運行，而開展的課題研究。

本課題主要研究內容有：

（1）研究百萬機組大截面煙道氣體濃度分布在線精準測量技術。研究脫硝出口NOx、入口CO的精確測量技術，實時監測脫硝入口CO和脫硝出口NOx濃度，有效地反映脫硝系統噴氨和爐膛燃燒情況。

（2）基于數據驅動的噴氨精準分區運行優化。研究脫硝出口網格法分區測量技術，掌握噴氨分門開度與出口NOx變化對應關系，結合人工調平數據積累、數模分析，確定噴氨分門分區改造方式并控制分區噴氨量。確保空間上氨氮比均勻，無局部噴氨過量和噴氨不足，定期噴氨調平校驗控制模型的準確度。

1 噴氨運行優化技術的研究應用

1.1 噴氨運行優化技術研究進展

國內外學者對噴氨運行優化技術已經有廣泛的研究。西安熱工院侯玉婷等人以某350MW機組脫硝系統為研究對象，采用神經網絡結構，通過輔助變量遞推最小二乘法優化氨氮摩爾比來控制噴氨量，改善系統靜態性能及動態性能[1]。西安熱工院黃飛等人以國內某1000MW機組為例，采用流場分析方法提出了雙母管供氨系統的優化建議，通過供氨系統的改造實現了系統品質的提升，對塔式爐單母管供氨系統的優化改造具有重要的指導意義[2]。華北電力大學潘巖針對燃煤火電廠的脫硝系統設計了網格法噴氨優化分區改造方案；基于脫硝原理建立了傳遞函數模型；以總閥和支管調節閥為基礎的并行控制策略；參考受限玻爾茲曼機結構設計了深度結構控制方案和深度控制方案，以實現脫硝系統的整體優化及系統控制品質的改善[3]。

1.2 噴氨運行優化技術應用實踐

SCR脫硝系統重要參數控制是為了保障脫硝效率和避免氨的逃逸量超限現象發生，煙道中的氨在和NOx的反應中充當還原劑，它們在進入脫硝反應器前需要先進行整體混合，其混合過程是影響脫硝效果的重要因素，因此建立適合的流場模型在脫硝系統實際運行過程中有重要的地位，這也是SCR脫硝系統建模重要的研究對象。文獻［4］首先根據目前火電廠百萬機組噴氨子系統百萬數量級網格流場分布情況建立了多種條件下的靜態流體模型，對現場實際運行數據進行了數值模擬研究，并提出噴氨支管手動式閥門測量的優化措施，并在相同測量點上進行多種相同深度的測量值，驗證了它們對于噴氨優化的策略理論性與實際指導性。文獻［5］基于數值模擬法，將優化還原劑濃度場作為重點考慮因素，以噴氨格柵和導流板等裝置對脫硝煙氣流程的影響為課題進行了深入探究，提出增設整流格柵和混合器等方式有利于提高脫硝系統整體運行水平。文獻［6］針對SCR脫硝系統中噴氨量的優化調節問題，在原有PID控制系統的基礎上，援用基于支持向量機（SVM）模型的噴氨量補償器，對噴氨量進行補償，從而在實現噴氨量優化控制的同時使脫硝系統出口NOx濃度穩定在設定值，具有重要的工程應用價值。

2 噴氨運行優化技術的應用

2.1 鄒縣電廠現狀

華電國際電力股份有限公司鄒縣發電廠1000MW機組投產于2007年7月，目前已服役13年，脫硝系統入口的煙氣流場存在偏差，噴氨格柵系統的噴氨均勻性及調節性能也較弱，造成催化劑出口氮氧化物和氨濃度場不均勻的現象，也有部分區域氮氧化物含量低而氨逃逸量大或部分區域氨逃逸較少但氮氧化物含量較高的現象。其次，當機組負荷或磨組發生變化時，SCR入口NOx分布狀態通常相應改變，某個特定工況下達到較好匹配狀態的噴氨手動調門開度很難滿足各個工況下系統對各分區噴氨量的需求，影響系統總體的脫硝效果。近年來，為實現超低排放，脫硝設施上述問題更加突出，針對鄒縣電廠當前脫硝超低改造及運行現狀設計脫硝系統運行優化系統。

2.2 系統功能設計

（1）燃盡風優化指導。鍋爐主燃燒區上方設計燃盡風（含附加風）的目的主要有兩個：一是促進飛灰可燃物的燃盡；二是控制鍋爐尾部煙氣中的氮氧化物含量。所以在不同運行工況下，燃盡風風率的大小對鍋爐燃燒效率與低氮排放具有重要影響。

根據影響鍋爐燃燒特性的各種因素，選擇機組負荷、煤質參數、磨機組合、給煤量、磨機入口風量、二次風門及燃盡風門擋板開度、氧量等數據作為燃盡風優化模型的輸入參數，采用神經網絡算法建立燃盡風優化模型，模型的輸出參數為鍋爐熱效率和NOx排放量，具體模型的結構如圖1所示。

圖1 燃盡風優化模型結構

根據模型輸出結果，合理平衡鍋爐熱效率和NOx排放量之間的關系，在保證不對鍋爐燃燒穩定性和換熱設備造成不良影響的前提下降低NOx生成量。

（2）脫硝入口NOx濃度預測。為克服NOx儀表反應遲緩、控制系統調節滯后的問題，脫硝系統運行優化系統通過大數據（包含燃燒方式、運行參數、燃用煤種等多種因素）建立脫硝預測模型，實現對鍋爐燃燒數據的分析，完成對脫硝入口NOx和煙氣流量的預測，預估NOx的變化趨勢，并將該信息應用到自動控制系統，設置外掛或嵌入式智能控制系統，進行提前調節，對SCR脫硝系統的重要影響參數進行動態補償，通過辨識干擾模型，增加負荷、煤質等智能前饋，提高噴氨的精確性及快速性，減少出口NOx波動幅度。

脫硝系統控制的影響因素包括：氧量、給煤量、風量、噴氨量、負荷、磨機啟停等參數。

圖2、圖3為某600MW機組的入口NOx預測值與真實值的對比圖，其R2約為0.93，模型可靠性和準確度非常高。

圖2 NOx預測值與真實值對比-1

圖3 NOx預測值與真實值對比-2

（3）脫硝出口NOx濃度預測。根據機組在線脫硝入口氮氧化物濃度、煙氣流量、煙溫、噴氨量、催化劑運行時間等參數數據，建立基于神經網絡的NOx排放測點預測模型，實時獲取當前運行工況下的NOx排放濃度，并將其作為脫硝噴氨控制系統的前饋輸入信號調節噴氨量，提高控制系統的響應速度，消除脫硝系統控制滯后性，實現脫硝系統的精細控制，降低系統波動穩定運行，降低不必要的氨耗量。

（4）流場數值模擬。將煙氣流道、噴氨裝置、引導流氣裝置、煙氣和氨的混合裝置及整流裝置等統一為單個系統，搭建合適的流場模型，進行數值模擬，保證整個系統中不同區域的煙氣分布均勻。（比例為1:10）。

在對計算模型進行模擬計算時，為了計算時間更短計算精度更高選擇合適的數學模型至關重要。大型的煤炭燃燒發電站的脫硝過程比較復雜，在其煙道中包含有煙氣和粉塵顆粒以及還原劑等其他物質，故在對其煙道流場進行模擬時并不是僅僅只有氣體流場，其涉及到氣體流動、氣固兩相混合流動、熱傳導等方面。

數值模擬過程中用到的數學模型如下：

①氣相湍流模型。

②多孔介質模型。

③物質輸運模型。

圖4 SCR系統流線圖

圖5 SCR壓力分布

氨氣流線分布云圖如圖6所示，氨氮摩爾比為35%遠遠大于規范要求的5%，因此需要進行噴氨性能優化，降低氨逃逸及提高脫硝效率。

圖6 氨氮摩爾比分析

（5）噴氨總量動態控制優化。在噴氨總量控制方面，其控制難點是由于NOx測量的滯后以及對煙氣流量預測的準確度等因素。

采用神經網絡來優化SCR脫硝過程中的噴氨總量，解決測量儀表滯后問題，精準調整噴氨總量，穩定排放指標。影響噴氨自動控制的因素主要有負荷、鍋爐氧量、總風量、燃料量、反應器入口/出口NOx含量、煙囪入口NOx含量、噴氨流量、供氨壓力、磨煤機啟停操作等一系列測點，這些測點直接或間接影響噴氨自動調節的結果。噴氨總量動態控制優化系統設計了自適應內模調節和超前相位補償功能，達到氮氧化物脫除快速穩定的控制效果；設計了吹掃自閉環功能，達到氮氧化物脫除全過程無遺漏的控制效果；最終使噴氨總量控制系統可以在復雜多變的運行工況下滿足環保及機組運行要求。

閉環控制通過在安全一區外掛或嵌入式實現。

噴氨總量控制單元主要由外掛或嵌入式智能控制系統和大數據分析算法組成。外掛或嵌入式智能控制系統是動態控制系統的重心，大數據分析算法是噴氨總量控制單元強有力的支撐。具體功能為：

（1）氮氧化物生成量預測功能，依照燃燒原理，利用RBF神經網絡對煙囪進口氮氧化物含量實時地預測，克服了入口測量儀表數據滯后的困難。

（2）自適應內模調節和超前相位補償功能，解決了監測指標的滯后及非線性等問題，達到氮氧化物脫除快速穩定的控制效果。

（3）吹掃閉環功能，完成吹掃工況下各指標的無干擾預測，達到氮氧化物脫除全過程無遺漏的控制效果。

大數據分析算法的預測結果主要用于通過輔助噴氨優化控制系統對噴氨流量進行調節。噴氨總量控制系統采用神經網絡搭建預測控制模型，采用多種SCR脫硝系統控制的影響因素，作為神經網絡輸入量，建立了爐膛燃燒中氮氧化物產生總量預估模型，實現了全負荷范圍內爐膛氮氧化物產生總量的及時預估，為噴氨優化控制系統提供了精確的前饋信息，克服了復雜的燃燒系統不能快速、精確地預測氮氧化物含量的難點，在很大程度上降低了噴氨量，減少了氨逃逸現象[7]。

總量系統實施后，可根據情況在原有系統與新實施系統之間實現無擾切換，在自動切換過程中或系統發生故障時，不會發生控制參數突變現象，不對原有控制系統產生影響，不會影響機組運行狀態及其他控制系統工作。

2.3 關鍵技術

（1）動態神經網絡預測控制。系統根據GGAP-RBF中增減神經元的思路，通過輸出敏感度法來構建合適的隱含層神經元，構造出動態結構的RBF神經網絡控制器。系統采用動態神經網絡來優化脫硝過程中的噴氨量，建立起出口NOx濃度與脫硝效率有關狀態量的網絡結構模型，以NOx排放量最小為訓練信號，解決了系統波動負荷下的非線性和時變性的問題，預測脫硝裝置的噴氨量，以達到噴氨量的最優控制。

基于傳統的PID控制器，援用敏感度法動態RBF神經網絡控制器，綜合學習體現煙氣狀態的核心指標，根據敏感度學習算法來明確隱含層結構，解決了系統非線性和延遲性的難題，整體改善脫硝系統效果和不同條件下運行的快速調節能力，降低氨逃逸現象發生率。

其中，RBF預測控制器是系統的主控制器，原有PID控制器是干擾作用，其輸出的干擾數據傳遞至系統的主控制器，作為干擾補償，用來改善對系統穩定狀態控制的精度。SA-RBF預測控制器首先通過綜合分析學習了與脫硝效率相關的重要狀態量數據，該模型的訓練目標是為了最大程度的減小煙氣進出口氮氧化物濃度和設定值之間的偏差，計算最優噴氨量。

將流場模擬、神經網絡預測的計算結果作為噴氨控制系統的輸入信號，將全流程關聯分析結果作為噴氨控制系統的前饋預警信號，根據煙氣量分布情況自動調節對應位置的噴氨格柵閥門開度，實現自動精準噴氨。

由于SCR脫硝系統監測指標（噴氨量到煙囪入口處氮氧化物含量）的響應純滯后時間約為3min，整個響應過程達十幾分鐘，是典型的大延遲監測指標。帶有前置反饋回路的分區串級控制系統已實現分區精細化控制，但為達到更精準控制噴氨量的目標，并使得煙囪出口氮氧化物濃度滿足環保考核范圍，根據環保考核要求，設計了一種基于預測和控制的優化方案。選擇煙囪入口氮氧化物含量作為最終控制指標，也就是調整總噴氨量。左右兩個煙道需要的噴氨流量取決于煙道兩側脫硝塔出口分區氮氧化物測量濃度的加權平均值。該預測和控制系統采用了神經網絡系統在線辨識的策略，將噴氨流量、燃煤量、煙氣流量作為系統的輸入數據，輸出數據為反應器出口氮氧化物含量，經過神經網絡算法在線辨識，分辨出輸出數據和輸入數據之間的邏輯關系，根據當前噴氨量預測出口氮氧化物含量，提前進行相應的操作，保證煙囪出口NOx濃度達標[8]。

（2）CFD流場模擬技術。

①幾何模型及簡化假設

CFD流場模擬的研究模型如圖8所示。

圖8 CFD流場模擬幾何模型

起始計算位置設置在省煤器出口，通過對模擬結果進行對比分析，給出精準噴氨的措施。

SCR脫硝過程復雜，為降低物理過程的復雜程度，做出如下假設：

1.將熱煙氣視為不可壓縮理想氣體。

2.實際系統漏風較小，因此不考慮系統的漏風。3.流動是定常流動。

②網格劃分

網格是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬和分析的載體。網格質量是CFD計算精度和計算效率的重要影響因素，生成網格過程如下：

1.建立幾何模型，在此過程中根據計算需要對幾何模型進行適當的簡化。

2.劃分網格時，結構較為簡單的網格劃分時采用六面體網格劃分為主；結構復雜的網格劃分時采用四面體網格劃分為主。根據此模型結構噴氨格柵及整流格柵區域采用四面體網格劃分，省煤器及催化劑多孔介質區域采用六面體網格劃分，系統整體采用混合網格劃分。

3.指定邊界區域，為模型的每個區域指定名稱和類型，為后續給定模型的物理屬性、邊界條件和初始條件做好準備。

脫硝系統模型的網格劃分結果如圖9所示。

圖9 脫硝系統模型網格劃分

（3）數值計算采用的理論模型。數值計算中，根據不同裝置內的流體流動特性，需選用不同的湍流計算模型。對于SCR裝置，因為煙氣流線基本無旋流，需采用標準湍流模型模擬氣相湍流輸送。壓力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。大型電站鍋爐中SCR煙氣脫硝過程是十分復雜的，它涉及到煙氣、飛灰顆粒及還原劑的氣相湍流流動、氣固兩相流動、傳熱傳質及流動混合等過程。

（1）氣相湍流模型

連續性方程：

X方向的動量方程：

Y方向上的動量方程：

Z方向上的動量方程：

K方程：

ε方程：

其中，湍流產生項G k：

以上微分方程，可以寫成以下的通用形式：

方程（1）－（6）可以表示成統一的輸運方程形式：

其中，公式左邊為對流項，公式右邊為擴散項+源項。

（2）物質輸運模型。由于SCR反應過程中的主要流動介質是煙氣和NH3，直接影響到考慮在流動過程中各種物質之間的混合程度，因此系統采用了混合物的物質輸運模型來進行模擬。通過對數據進行求解描述混合物中各種組成物質之間的對流、擴散和反應源之間的守恒方程式來模擬物質混合、輸運過程，用來模擬多種同期發生的化學反應情況。

求解化學物質的守恒方程時，通過第i種物質的對流擴散方程計算各種物質質量分數Yi的守恒方程為：

當一個系統中出現n種物質時，需要求解n-1個同類型方程。因為質量分數的總和始終是1，第n種物質的分數可以用1減n-1個已知的質量分數來計算。為了盡可能地使得數據誤差達到最小，第n種物質盡量選用質量分數最高的物質。

（3）多孔介質模型。對于催化劑，其結構復雜，孔數較多，為了降低計算量，將其看作多孔介質進行模擬。其壓降損失模擬公式如下：

2.4 標準偏差的定義及計算

所謂偏差系數，就是SCR反應器內各截面處速度或濃度的標準偏差占該截面速度或濃度平均值的百分量，主要考察為首層催化劑上面同一橫截面上偏差值，偏差系數計算方法如下：

其中：

式中，C v—標準偏差系數；σ—標準偏差；—平均值。

在進行數值模擬計算時，一般常用鍋爐最大連續運行工況時，SCR反應器內第一層催化劑上面的速度及NH3濃度分布等偏差（Cv值）是否達到標準來考核系統性能的優劣。

3 結語

脫硝系統噴氨運行優化技術可以在滿足環保排放要求的前提下，對脫硝系統運營方式進行指導和智能控制，實現優化噴氨，從而系統性的降低運維生產成本。并對設備健康狀況進行跟蹤和分析，通過總結歷史檢修經驗及設備劣化趨勢，提前預判設備故障，指導檢修人員開展狀態檢修，降低設備非停帶來的經濟損失，提高脫硝投運率。通過信息系統智能化手段提高脫硝系統及電廠整體管理水平，實現卓越運營。