火电机组SCR脱硝系统精准喷氨优化研究

郝正，胡小夫，王云，汪洋，沈宪明，李伟，王桦

(中国华电科工集团有限公司，北京 100070)

0 引言

选择性催化还原(SCR)脱硝技术是目前火电机组应用最广、技术最成熟的烟气脱硝技术。由于国家鼓励火电厂进行灵活性改造，机组负荷变动更加频繁，变动幅度也变得更大，而机组负荷的大幅变化会导致SCR脱硝系统入口烟气流场发生改变，同时会导致入口NOx质量浓度复杂多变和NOx分析仪响应滞后等问题，使得常规SCR脱硝控制系统难以精确控制氨氮摩尔比。运行人员为保证达标排放，只能过量喷氨，而逸出的氨会与烟气中的SO3和H2O反应生成硫酸氢铵(ABS)，烟温降低后ABS易附着在空气预热器(以下简称空预器)的表面造成空预器堵塞、系统阻力增大，甚至会导致风机失速，被迫停炉清理空预器，给机组的安全运行带来负面影响［1－8］。

本文以江苏某电厂#7机组SCR系统为研究对象，针对该机组运行中存在的反应器出口NOx质量浓度分布偏差大、氨逃逸率偏高以及空预器堵塞等问题，对该机组SCR脱硝系统进行精准喷氨优化改造。通过大数据分析站进行NOx大数据预测，结合外挂智能控制器稳定喷氨总量，同时利用分区喷氨控制阀和NOx全断面多点测量系统均衡控制各分区喷氨量，显著降低氨耗量，实现SCR系统稳定超低排放，同时大幅减少氨逃逸率，基本解决空预器由于ABS引起的结垢堵塞问题。

1 机组概况

江苏某电厂330 MW机组锅炉为四角切圆燃烧方式、自然循环汽包炉，优化改造前在SCR脱硝装置反应器出、入口进行了网格法测试，测试结果显示，反应器入口烟气中NOx质量浓度最高约为400 mg/m3，烟气速度场分布较好，无需进行流场改造，反应器出口NOx质量浓度场分布较差，不均匀度(用相对标准偏差来衡量)约为40%。该脱硝装置反应器采用液氨作为脱硝还原剂，按3层催化剂布置设计，设置1层预留层，采用蜂窝式催化剂，催化剂主要参数见表1，脱硝系统入口烟气设计值见表2(6%O2、标态、干基)。在烟气出口处A侧和B侧分别加装1套NOx检测仪，各设8个采样点，各采样点处于同一平面上。

表1 催化剂主要参数Tab.1 Main parameters of the catalyst

表2 脱硝系统入口烟气设计值Tab.2 Design value of the flue gas at denitration system inlet mg /m3

2 SCR脱硝精准喷氨优化系统

该机组改造前，NOx质量浓度高的区域由于喷氨不足易造成脱硝效率低，NOx质量浓度低的区域由于喷氨过量易造成氨逃逸率高。SCR脱硝精准喷氨优化系统对入口NOx质量浓度进行高精度实时预测，结合外挂智能控制器稳定喷氨总量，在反应器喷氨格栅之前对喷氨管道进行分区，均衡控制各分区喷氨量，最终实现SCR系统稳定超低排放。控制系统主要由喷氨总量控制单元和分区喷氨控制单元构成。

2.1 喷氨总量控制单元

喷氨总量控制单元主要由外挂智能控制器和大数据分析站组成。外挂智能控制器是SCR脱硝精准喷氨优化系统的核心，大数据分析站是喷氨总量控制单元强有力的支撑。大数据分析站可与外挂智能控制器协同共存，亦可单独为分散控制系统(DCS)提供预测结果。

外挂智能控制器可以在复杂多变的运行工况下实现喷氨系统的完全自我控制，核心是通过在线神经网络实时训练模型，实时辨识系统参数并进行滚动预测，然后根据预测结果寻找最优控制指令。该控制器的具体功能如下。

(1)内置燃烧NOx质量浓度预测模块，根据燃烧机理，采用基于改进径向基函数(RBF)的神经网络对入口NOx质量浓度进行高精度实时预测，解决常规仪表测量延迟的问题。

(2)内置自适应内模控制及超前相位补偿模块，针对控制对象的迟延惯性及非线性等控制难点，实现脱硝的快速稳定控制。

(3)内置吹扫自闭环模块，完成吹扫工况下各参数的无扰预测，实现脱硝全程无盲区控制。

大数据分析站的预测结果将辅助喷氨控制系统进行喷氨量调节，随着技术手段的调整及实际运行数据的积累，其预测精度会越来越高。图1为大数据分析站的工作原理示意图。该分析站根据采集到的相关数据，利用基于长短期记忆网络(LSTM)的大数据分析算法建立炉膛燃烧NOx生成量预测模型［9］，实现全负荷范围内NOx生成量的实时预测，为精准喷氨提供准确的前馈数据，从而解决复杂燃烧系统无法快速、准确预测NOx的问题，大幅度降低喷氨量，减少氨逃逸。图2为大数据分析站对反应器入口NOx质量浓度预测的结果，由图2可知，预测结果与真实值相比，准确率高达98.9%。

图1 大数据分析站工作原理示意Fig.1 Working principle of the big data analysis station

图2 大数据分析站预测结果Fig.2 Prediction results of big data analysis station

2.2 分区喷氨控制单元

喷氨格栅分区技术已逐渐在火电厂脱硝领域推广应用，其控制目标是使同一截面上出口NOx质量浓度分布均衡。在反应器喷氨格栅之前对喷氨管道进行分区，各分区增加调节阀门和测量仪表，同时在反应器出口安装NOx多点测量系统，测量结果反馈至DCS中的分区喷氨控制系统，控制系统依据反应器出口NOx的分布情况，调整各喷氨分区调节阀开度，其优化目标为控制反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差在10%以内，同时可显著降低氨逃逸率［10］。

根据喷氨总量控制单元的特性，将其与分区喷氨控制单元进行一体化设计，以喷氨总量控制为主，分区喷氨控制为辅，优化分区喷氨调节的速度及幅度，并设置联锁条件，使两者互相包容，互不干扰。经收集运行数据得知，精准喷氨优化改造系统正式投运半年后，耗氨量可降低8% ～10%，且空预器差压平稳，未发现增大现象。

3 测试结果及分析

3.1 精准喷氨优化前、后系统运行参数测试结果及分析

图3为优化前的A侧脱硝系统运行参数趋势图。由图3可知，入口和出口NOx质量浓度变化趋势基本一致，出口NOx质量浓度随负荷变化而波动。在2.5—8.0min这段时间，机组负荷由242MW降至212 MW，入口NOx质量浓度由250 mg/m3升至395mg/m3，之后的几分钟出口NOx质量浓度波动较大，最高为60 mg/m3，最低为20 mg/m3，并且稳定时间较长，易造成NOx局部超标排放。

图3 改造前入口、出口NO x质量浓度和机组负荷变化趋势Fig.3 Changes of NO x mass concentrations at inlet/outlet and actual power before the retrofit

图4 为优化后的A侧脱硝系统运行参数趋势图。由图4可知，优化后出口NOx质量浓度随入口NOx质量浓度变化波动较小，控制精度明显优于改造前。1.0—3.5 min这段时间，机组负荷由249 MW降至233 MW;2.5—6.0 min，入口 NOx质量浓度由246 mg/m3升至429 mg/m3，之后出口NOx质量浓度在35～49 mg/m3的区间内波动，并且在入口NOx质量浓度波动结束后迅速进入稳定状态。精准喷氨优化后出口NOx质量浓度波动小、稳定快的原因是：在入口NOx质量浓度未反馈测量值之前，精准喷氨系统利用预测模型超前调整喷氨调节阀的开度，控制喷氨量匹配预测NOx质量浓度变化量，在得到出、入口NOx质量浓度测量值后，又利用神经网络的特性快速进行精确调整，使得目标值在极小的范围内波动，显著降低了耗氨量。

图4 改造后入口、出口NO x质量浓度和机组负荷变化趋势Fig.4 Changes of NO x mass concentrations at inlet/outlet and actual power after the retrofit

3.2 精准喷氨优化前、后出口NO x测试结果及分析

在330 MW工况下对SCR装置优化改造前、后的运行情况进行了测试。反应器A，B出口8个测点的标准NOx测量结果分别如图5、图6所示。改造前反应器A出口NOx排放不均匀度高达37%，改造后降至8%，比改造前降低了29百分点;反应器B出口NOx排放不均匀度由改造前的47%降至改造后的8%，比改造前降低了39百分点;反应器A，B出口NOx质量浓度分布不均匀度由改造前的37%和47%降至10%以内。

图5 A侧精准喷氨优化前、后出口NO x质量浓度对比Fig.5 Comparison of NO x mass concentrations before and after the precise ammonia injection retrofit on side A

3.3 精准喷氨优化前、后氨逃逸率测试结果及分析

图6 B侧精准喷氨优化前、后出口NO x质量浓度对比Fig.6 Comparison of NO x mass concentrations before and after the precise ammonia injection retrofit on side B

SCR脱硝反应器在保持高脱硝效率的同时，NH3/NOx分布偏差越大氨逃逸率越高［4］。在330 MW工况下对SCR装置优化调整前、后的氨逃逸情况进行了测试。反应器A，B的8个测点氨逃逸率测试结果分别如图7、图8所示。改造前反应器A，B均存在较严重的氨逃逸情况，最高可达 6.1 mg/m3，改造后两侧反应器出口氨逃逸率分布均匀，均维持在1.0 mg/m3以下。通过精准喷氨优化系统降低了顶层催化剂入口NH3/NOx分布偏差，从而消除了SCR脱硝反应器局部过高的氨逃逸率，并减轻了空预器ABS堵塞风险。

图7 A侧精准喷氨优化前、后出口氨逃逸率对比Fig.7 Comparison of ammonia escape rates before and after the precise ammonia injection retrofit on side A

图8 B侧精准喷氨优化前、后出口氨逃逸率对比Fig.8 Comparison of ammonia escape rates before and after the precise ammonia injection retrofit on side B

4 结论

本文采用由喷氨总量控制单元和分区喷氨控制单元构成的SCR脱硝精准喷氨优化系统，解决了因脱硝系统首层催化剂入口处NH3/NOx分布偏差较大和控制精度差而引起的NOx局部排放超标、氨逃逸率偏高和空预器堵塞等问题，使得该系统可降低8% ～10%耗氨量，具有出口NOx排放均匀、氨逃逸率较低且空预器差压平稳等优点。