基于大數(shù)據(jù)的火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算模型

盧建彬 李健韜 劉曉英

（內(nèi)蒙古京能盛樂熱電有限公司）

火電廠火力發(fā)電過程中，燃料通過燃燒釋放熱能［1］并形成大量煙氣。 煙氣中的大量氮氧化物排放至空氣中，會造成嚴(yán)重的空氣污染［2］，嚴(yán)重時會形成霧霾。 選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)是脫除火力發(fā)電燃煤機(jī)組生成的氮氧化物的重要系統(tǒng)［3］，其利用還原劑氨氣與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成對環(huán)境無污染的水和氮氣［4～6］，從而達(dá)到脫除氮氧化物的目的。 但是在火電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中， 氨氣泄漏問題頻發(fā)。 氨氣是常見的有毒物質(zhì)，液氨具有易燃易爆、毒性強(qiáng)的特點［7］，若發(fā)生泄漏，極易造成人員中毒傷亡甚至爆炸等事故，因此分析氨氣泄漏的危險區(qū)域［8］，制定氨氣泄漏的相關(guān)處理措施是極為重要的。

目前眾多研究學(xué)者針對液氨泄漏危險進(jìn)行了研究，郭虎城等針對重大危險源區(qū)域的液氨泄漏問題， 利用重大危險源區(qū)域定量風(fēng)險評估方法，評估了液氨泄漏以及在固定泄漏模式下的社會與個人風(fēng)險，明確了大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速對液氨泄漏事故風(fēng)險的影響［9］；韓軼等模擬了液氨存儲區(qū)的火災(zāi)爆炸事故場景，有效評估了液氨泄漏造成的火災(zāi)爆炸事故；當(dāng)獲取了工藝參數(shù)并在工藝條件一定時，對液氨泄漏造成的火災(zāi)事故后果進(jìn)行了研究，結(jié)果驗證了火災(zāi)防控對事故損失降低的有效性［10］。 這些方法雖然模擬了液氨泄漏的風(fēng)險，但是并未確定液氨泄漏的危險區(qū)域。 為此，筆者設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)的火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算模型，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)確定影響火電廠SCR脫硝系統(tǒng)、 液氨泄漏區(qū)域以及泄漏濃度的主要因素， 利用高斯煙羽模型模擬SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏的動態(tài)變化， 為火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的液氨泄漏事故分析， 提供定量的風(fēng)險評估依據(jù)。

1 火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算模型

1.1 火電廠SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。火電廠SCR脫硝系統(tǒng)在省煤器后設(shè)置了反應(yīng)器， 利用反應(yīng)器為SCR脫硝系統(tǒng)提供催化劑。SCR脫硝系統(tǒng)利用混合器混合送風(fēng)機(jī)送入的空氣和供氨站液氨儲罐送來的氨氣［11］，利用噴氨調(diào)節(jié)閥將混合后的均勻稀釋氣體傳送至反應(yīng)器。 反應(yīng)器中的催化劑與混合氣體發(fā)生反應(yīng)，即可達(dá)到去除氮氧化物的目的。

圖1 火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于大數(shù)據(jù)的SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域分析

筆者采用K-means聚類算法作為火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險分析的數(shù)據(jù)挖掘算法。 該算法利用火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的海量運行數(shù)據(jù)，分析其中包含的有價值的可以應(yīng)用于液氨泄漏危險區(qū)域估算的數(shù)據(jù)。 火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算的大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)

由圖2可知， 大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)展示層。 數(shù)據(jù)采集層利用溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、 濃度傳感器等傳感器采集SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)［12］并存儲至數(shù)據(jù)存儲層內(nèi)。 利用數(shù)據(jù)分析層，通過K-means聚類算法，對數(shù)據(jù)存儲層內(nèi)的不同類型數(shù)據(jù)實施聚類，挖掘與液氨泄漏區(qū)域相關(guān)的數(shù)據(jù)［13］，為液氨泄漏區(qū)域估算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)分析層將所挖掘數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)應(yīng)用層， 數(shù)據(jù)應(yīng)用層的現(xiàn)場模擬模塊利用MATLAB軟件模擬火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏情況，估算液氨泄漏區(qū)域，并通過數(shù)據(jù)展示模塊展示給用戶。 大數(shù)據(jù)分析過程以及液氨泄漏區(qū)域估算結(jié)果，可通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至云端，利用云端實現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的在線存儲。 火電廠SCR脫硝系統(tǒng)管理人員可以隨時登錄云端， 查看火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏區(qū)域估算結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果下發(fā)液氨泄漏處置的相關(guān)決策指令。

K-means聚類算法以最小化誤差函數(shù)作為聚類準(zhǔn)則，并依據(jù)所制定的聚類準(zhǔn)則，將海量液氨泄漏數(shù)據(jù)劃分為預(yù)定的類別數(shù)量K， 具體步驟如下。

第1步。 從數(shù)據(jù)存儲層的海量大數(shù)據(jù)中，隨機(jī)抽取K個數(shù)據(jù)，作為聚類的初始簇中心。抽取火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏相關(guān)數(shù)據(jù)前， 需要預(yù)處理數(shù)據(jù)， 將火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏相關(guān)數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù)剔除。

第2步。 將采集的數(shù)據(jù)劃分至與該數(shù)據(jù)樣本點較近的簇中。

選取歐式距離作為火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏相關(guān)數(shù)據(jù)聚類分析的劃分準(zhǔn)則。 歐式距離d（x，y）計算式如下：

其中，n表示數(shù)據(jù)樣本維度。 利用式（1）計算數(shù)據(jù)存儲層數(shù)據(jù)間的距離，并依據(jù)最近鄰原則將數(shù)據(jù)劃分至相應(yīng)類別中。

第3步。計算火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏相關(guān)數(shù)據(jù)樣本與聚類中心的間距。 依據(jù)最近鄰原則，重新劃分各數(shù)據(jù)以及與該數(shù)據(jù)距離最近的中心點所在類別，重新分配各簇的中心點。

第4步。 重復(fù)以上3步，直至數(shù)據(jù)聚類中心不再變化。

K-means聚類算法通過重復(fù)迭代計算， 更新各聚類中心的值，輸出最佳聚類結(jié)果。 K-measn聚類算法可從海量大數(shù)據(jù)中挖掘與液氨泄漏危險區(qū)域估算相關(guān)的數(shù)據(jù)， 分析數(shù)據(jù)的變化趨勢［14］，為不同工況下火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算模擬提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 由數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果可知， 影響液氨泄漏危險區(qū)域的因素眾多，包括液氨泄漏孔徑、泄漏孔高度、泄漏孔位置等內(nèi)在因素以及火電廠SCR脫硝系統(tǒng)的環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等外在因素。型中的煙羽模型來模擬液氨泄漏擴(kuò)散情況。

1.3.1 液氨泄漏速率

液氨泄漏主要包括泄漏、閃蒸和氣態(tài)形式擴(kuò)散3個過程。 液氨泄漏至空氣中，由高壓轉(zhuǎn)化為常壓，導(dǎo)致部分液氨快速蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。

利用小孔泄漏公式， 確定液氨泄漏速率Q的計算式為：

1.3 液氨泄漏危險區(qū)域估算模型

利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)確定火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏風(fēng)險的影響因素后， 可利用MATLAB軟件模擬液氨泄漏危險區(qū)域。 MATLAB通過三維動畫方式模擬液氨泄漏現(xiàn)場，同時可以依據(jù)用戶需求設(shè)定不同大小和不同位置的泄漏源。 MATLAB軟件利用TGid網(wǎng)格類型劃分所構(gòu)建的泄漏危險區(qū)域估算模型， 選取Tet/Hybrid網(wǎng)格單元劃分網(wǎng)格，模型網(wǎng)格間距為5 m×5 m×5 m。 液化氣體泄漏存在瞬時泄漏擴(kuò)散以及連續(xù)泄漏擴(kuò)散兩種情況，而液氨泄漏屬于連續(xù)泄漏擴(kuò)散，因此選取高斯模

其中，C表示液氨泄漏系數(shù)；A與M分別表示液氨泄漏面積和氨氣的氣體分子量；P與k分別表示液氨儲罐壓力和絕熱系數(shù)；R與T分別表示氨氣的氣體常數(shù)和氣體絕對溫度；d表示環(huán)境溫度。

1.3.2 液氨擴(kuò)散煙羽模型

液氨泄漏過程中，液氨密度和液氨儲罐壓力隨著液氨泄漏量的逐漸提升而變化。 假設(shè)液氨儲罐壓力和液氨密度不變，利用MATLAB軟件，選取高斯煙羽模型，模擬液氨在風(fēng)速變化時的泄漏擴(kuò)散情況。

高斯煙羽模型的表達(dá)式如下：

其中，μ表示風(fēng)速；σy表示y方向的擴(kuò)散系數(shù)；H表示有效源高度；σz與z分別表示氨氣濃度測量點高度和豎向擴(kuò)散系數(shù)。

1.3.3 液氨泄漏危險區(qū)域劃分

液氨泄漏擴(kuò)散時， 不同區(qū)域的氨氣濃度不同，故危險等級不同。對火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域進(jìn)行劃分，結(jié)果見表1。過治療才可康復(fù)，因此需要通過專業(yè)救援人員進(jìn)行有序疏散。 對于中度危險區(qū)域的受困人員，可能會出現(xiàn)重度中毒或傷亡情況。 重度危險區(qū)域的氨氣濃度較高，可能會出現(xiàn)爆炸的情況，危險程度極高，此時受困人員極易出現(xiàn)傷亡情況。

表1 液氨泄漏危險區(qū)域劃分結(jié)果

2 模型測試

選取某火電廠1 000 MW燃煤機(jī)組配套的SCR脫硝裝置作為研究對象。 該SCR脫硝裝置采用高塵布置方式，液氨的絕熱指數(shù)為1.295 K，臨界壓力為1.842 MPa。 利用MATLAB軟件模擬液氨儲罐的泄漏情況。 設(shè)置液氨泄漏口的半徑為10、30、80 mm，泄漏口形狀為圓形。液氨儲罐內(nèi)的壓力為1.3 MPa，泄漏速率為4.35 kg/s。儲罐體積為800 m3，

對于受影響危險區(qū)域，僅需要對相關(guān)人員進(jìn)行疏散即可，對被困人員影響較小。 對于輕度危險區(qū)域，被困人員可能會出現(xiàn)中毒情況，需要經(jīng)液氨重裝量為80%，液氨的實際體積為640 m3。 設(shè)置液氨泄漏口的泄漏高度為1 m。MATLAB仿真軟件的模擬區(qū)域為1800 m×500 m×10 m， 液氨泄漏源的位置坐標(biāo)為（0，0，1）。 模擬時假設(shè)液氨為均勻、連續(xù)的泄漏源。 液氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時，其質(zhì)量保持守恒，氨氣不再發(fā)生相變和化學(xué)反應(yīng)。 液氨泄漏過程中與外界不存在熱量交換情況。

考慮不同因素對液氨泄漏危險區(qū)域的影響，設(shè)定液氨泄漏危險區(qū)域估算的3個模擬場景見表2。

表2 液氨泄漏模擬場景設(shè)置

選取表2中的場景1作為模擬對象，設(shè)置液氨泄漏源強(qiáng)為固定。 不同泄漏孔徑下氨氣泄漏濃度隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。 可以看出，液氨泄漏源強(qiáng)和火電廠的環(huán)境風(fēng)向為固定狀態(tài)時，不同泄漏孔徑下的氨氣擴(kuò)散規(guī)律相同。 液氨發(fā)生泄漏時，氨氣濃度逐漸升高，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。泄漏孔徑越大，氨氣濃度升高速度越快，對環(huán)境及周圍人員的危害程度越高。

圖3 不同泄漏孔徑下氨氣泄漏濃度隨時間的變化關(guān)系

為了進(jìn)一步驗證本文方法對液氨泄漏危險區(qū)域估算的有效性， 設(shè)置場景1的風(fēng)速為2.5 m/s。統(tǒng)計不同氨氣濃度時，本文方法的液氨泄漏危險區(qū)域估算結(jié)果（表3）。 由表3可以看出，液氨泄漏轉(zhuǎn)化為氨氣，氨氣濃度較高時，氨氣擴(kuò)散的影響范圍較小。 這是因為隨著氨氣濃度的增加，高濃度的氨氣在空中漂浮，降低了擴(kuò)散速度，因此其影響區(qū)域變小。

表3 不同氨氣濃度的泄漏危險區(qū)域估算結(jié)果

采用本文方法模擬3種場景下的液氨泄漏危險區(qū)域，結(jié)果如圖4所示。 可以看出，相同泄漏速率和泄漏源強(qiáng)下，風(fēng)速越高，液氨泄漏危險區(qū)域越小。 這是因為風(fēng)速較高時，空氣流動速度加快，此時空氣中的大氣穩(wěn)定性高，故液氨泄漏危險區(qū)域面積變小。 當(dāng)風(fēng)速較小時，空氣流動速度降低，空氣中的大氣穩(wěn)定性較差，因此液氨泄漏危險區(qū)域面積變大。

圖4 3種場景下的液氨泄漏危險區(qū)域

3 結(jié)束語

利用基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，確定影響火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)，利用所獲取的影響指標(biāo)，估算火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域。 液氨泄漏造成的后果極為嚴(yán)重，因此在火電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)采取防爆技術(shù)措施，及時消除安全隱患。 規(guī)范員工的生產(chǎn)操作行為，重視風(fēng)險防范管理的重要性， 從根源上避免火電廠SCR脫銷系統(tǒng)液氨泄漏事故的發(fā)生。 所設(shè)計的火電廠SCR脫硝系統(tǒng)液氨泄漏危險區(qū)域估算模型，可有效估算液氨泄漏危險區(qū)域， 為保障SCR脫硝系統(tǒng)安全生產(chǎn)運行提供重要依據(jù)。