SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案

實(shí)施與應(yīng)用背景國內(nèi)某電廠2×1000MW燃煤機(jī)組配套鍋爐為超超臨界變壓塔式直流鍋爐。鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分級燃燒和濃淡燃燒等技術(shù)，可有效降低NOX排放量和降低鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷。SCR脫硝系統(tǒng)催化劑采用蜂窩式，煙氣脫硝裝置采用高塵型工藝，SCR反應(yīng)器采用雙煙道布置。單個(gè)SCR反應(yīng)器凈空尺寸為14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素?zé)嵋淮物L(fēng)熱解法。在SCR入口煙道截面上的2×9個(gè)AIG噴嘴將氨噴入到SCR反應(yīng)器內(nèi)。SCR反應(yīng)器入口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時(shí)SCR反應(yīng)器入口煙道狹長，煙氣流場復(fù)雜，氣流分布難以在各符合段達(dá)到均勻，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過量導(dǎo)致氨逃逸率過大，影響空預(yù)器等煙道后部設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)也影響了SCR效率。AIG每個(gè)噴氨支管配有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可在運(yùn)行調(diào)試期間根據(jù)煙道中NH3和NOX的分布情況，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)第三方試驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)對該電廠7號機(jī)組進(jìn)行的SCR裝置NOX分布均勻性檢測結(jié)果顯示：7號機(jī)組SCR裝置本次測試區(qū)域的NOX分布C.V值：A側(cè)上層30.5%，A側(cè)下層42.2%。B側(cè)上層6.80%，B側(cè)下層43.5%。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)SCR裝置NOX分布的C.V值在30%以下時(shí)，可認(rèn)為NOX分布均勻性正常。改造前SCR裝置噴氨優(yōu)化調(diào)整采用靜態(tài)調(diào)整AIG閥門的方法，該方式僅通過在線實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整，并且在工況改變的情況下無法做到及時(shí)調(diào)整，也無法實(shí)時(shí)監(jiān)測SCR反應(yīng)器入、出口煙氣截面NOX分布情況，所以不能及時(shí)根據(jù)分布情況調(diào)整每個(gè)噴氨小室的噴氨量，造成了局部氨逃逸率升高、區(qū)域性脫硝效率降低。氨逃逸對脫銷系統(tǒng)的影響：如氨分布稍有不均，會(huì)出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。實(shí)際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因?yàn)槊撓跣瘦^高時(shí)，如果系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，當(dāng)部分煙氣含氨量超過NOX反應(yīng)量時(shí)，多余的氨流經(jīng)系統(tǒng)時(shí)就會(huì)逃逸。氨逃逸會(huì)嚴(yán)重SCR的下游設(shè)備安全運(yùn)行，如生成硫酸氫氨沉積在催化劑、空預(yù)器和低溫省煤器上,造成催化劑中毒和空預(yù)器和低溫省煤器的腐蝕，尤其以空預(yù)器和低溫省煤器在電除塵器前面的高溫部分嚴(yán)重；造成FGD廢水及空預(yù)器清洗水中含NH3；增加飛灰中的NH3化合物，改變飛灰的品質(zhì)。目前SCR出口NOX分布平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（C.V）在機(jī)組某些負(fù)荷條件下，仍會(huì)出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象，SCR長期高效率運(yùn)行過程中容易造成反應(yīng)器出口局部氨逃逸濃度過大，降低SCR系統(tǒng)整體性能，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。針對以上情況，該電廠采用和利時(shí)SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案對7號機(jī)組進(jìn)行了SCR智能噴優(yōu)化改造。2.1系統(tǒng)架構(gòu)SCRAIG在線噴氨優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)是針對目前SCRAIG粗放型噴氨的問題而提出的。該系統(tǒng)主要構(gòu)成為：SCR反應(yīng)器入、出口煙道實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；在線AIG分區(qū)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)組成。根據(jù)目前SCR反應(yīng)器與現(xiàn)場噴氨的具體的布置情況（煙道的垂直段較短，這勢必影響氨/氮的充分混合），結(jié)合檢測報(bào)告，為了更好地提高“氨/氮等摩爾比”的實(shí)時(shí)均衡性，在實(shí)施實(shí)時(shí)優(yōu)化噴氨時(shí)，必須在SCR反應(yīng)器入口煙道（AIG閥門前）也采用相應(yīng)的區(qū)域化測量，作為整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)的前饋。這樣可從SCR的入口處就實(shí)時(shí)控制住氨/氮摩爾比，提升優(yōu)化控制品質(zhì)?？刂频淖罱K目標(biāo)值為SCR出口的氮氧化物的均衡性（C.V值）。SCR反應(yīng)器入口煙道（AIG閥門前）實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)。SCR反應(yīng)器出口垂直煙道實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)，總計(jì)用24個(gè)NOX數(shù)據(jù)表征SCRA、B兩側(cè)氮氧化物濃度場的分布。SCRA、B兩側(cè)氮氧化物濃度場分布的32個(gè)NOX數(shù)據(jù)和測量系統(tǒng)的狀態(tài)（入口故障、吹掃等）變量統(tǒng)一經(jīng)過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RTUMODBUS接入DCS。圖1CRA側(cè)（B側(cè)為鏡像對稱布置）入/出口測量裝置布置分布在線AIG分區(qū)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)，首先要在目前的各個(gè)AIG手動(dòng)調(diào)門（共2×9個(gè)）支管上改裝與入/出口測量裝置布置相對應(yīng)的2×6個(gè)電動(dòng)調(diào)門。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，2×6個(gè)AIG電動(dòng)調(diào)門信號（指令和開度反饋,共2×6個(gè)模擬量輸入、2×6個(gè)模擬量輸出）全部直接連接至DCS。運(yùn)行人員可在DCS畫面上手操各AIG電動(dòng)調(diào)門，AIG電動(dòng)調(diào)門亦可接受優(yōu)化控制器來的自動(dòng)指令，按照實(shí)際SCR入、出口NOX濃度場的分布情況，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化控制器采用A/B冗余機(jī)制。AIG調(diào)門優(yōu)化控制指令，通過數(shù)據(jù)交換機(jī)，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)統(tǒng)一經(jīng)過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RTUModbus接入DCS。圖2SCRAIG噴氨優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架2.2區(qū)域化NOX/O2測量網(wǎng)布設(shè)本項(xiàng)目采用直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置，直插式在線NOX/O2分析儀檢測探頭為直接插入煙道安裝模式，探頭采取噴射負(fù)壓取樣原理，將高溫?zé)煔鈱?dǎo)流桿插入高溫?zé)煹?，分析儀檢測探頭和噴射泵一起安裝在導(dǎo)流桿的根部，煙氣經(jīng)過導(dǎo)流桿進(jìn)入檢測探頭到達(dá)噴射泵負(fù)壓區(qū)，然后隨著噴射泵的驅(qū)動(dòng)氣源返回?zé)煹?。檢測器采用極限電流型半導(dǎo)體陶瓷傳感器，利用氧泵原理檢測煙氣中的O2含量和NOX濃度。具有安裝方便簡單，無需超長取樣管線響應(yīng)速度快，無需取樣探頭過濾器減少維護(hù)量，同時(shí)測量NOX和O2雙組份，無需NO2轉(zhuǎn)化爐，直接使用于高溫?zé)煔庵袦y量無需降溫脫水裝置，系統(tǒng)簡單可靠，檢測尾氣直接返回?zé)煹罒o二次污染更環(huán)保。圖3NOX/O2測量網(wǎng)布設(shè)示意圖2.3SCRAIG噴氨優(yōu)化監(jiān)控模塊（1）功能實(shí)現(xiàn)該模塊實(shí)現(xiàn)SCR測量運(yùn)行數(shù)據(jù)全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控及信號過濾，各區(qū)域NOX濃度場實(shí)時(shí)監(jiān)視，各區(qū)域與總閥智能聯(lián)動(dòng)控制，脫硝均值等各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。（2）控制策略目前SCR上A、B兩側(cè)各裝有2×9個(gè)AIG手動(dòng)調(diào)門，考慮到各個(gè)SCR噴氨小室的相互干擾性，在SCR反應(yīng)器A、B兩側(cè)入口煙道實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)。SCR反應(yīng)器A、B兩側(cè)出口煙道實(shí)時(shí)NOX區(qū)域化測量裝置布置2×6個(gè)單元，共計(jì)12個(gè)，因此將現(xiàn)有AIG電動(dòng)調(diào)門合并為對應(yīng)SCR反應(yīng)器測量裝置的單元，即2×6個(gè)電動(dòng)調(diào)門。圖4和利時(shí)SCR優(yōu)化控制系統(tǒng)全面監(jiān)控操作站畫面示意圖由于SCR反應(yīng)器內(nèi)各噴氨小室的噴氨量是相互干擾，還有SCR的入、出口的濃度場未必能一一對應(yīng)，且SCR的脫硝是一個(gè)大延時(shí)反應(yīng)，再者SCR單側(cè)就有6個(gè)調(diào)門，總計(jì)達(dá)12個(gè)，因此僅靠單回路PID調(diào)節(jié)器，幾乎是難以勝任優(yōu)化控制。所以采用一個(gè)基于實(shí)際運(yùn)行情況的帶有預(yù)測功能前饋的，模塊化的多輸出（MOCS），且具有自適應(yīng)的優(yōu)化閉環(huán)控制器。如果采用常規(guī)DCS控制，很有可能使DCS的運(yùn)算負(fù)荷劇增，并且組態(tài)工作也難以實(shí)現(xiàn)，難維護(hù)。因此本方案采用帶有冗余功能的獨(dú)立控制器模式。圖5SCRAIG噴氨優(yōu)化控制策略簡圖（3）與DCS的通訊方式選擇Modbus網(wǎng)絡(luò)已得到廣泛使用的工業(yè)通信系統(tǒng)DCS為和利時(shí)MACS-KV6.5,其提供了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊接口。Modbus具有標(biāo)準(zhǔn)、開放、穩(wěn)定傳輸接口及介質(zhì)多等特點(diǎn)。為確保通訊的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，采納RTU模式。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，相同波特率下傳輸數(shù)據(jù)的密度可比ASCII高，傳輸速度更快。應(yīng)用創(chuàng)新性、重點(diǎn)與難點(diǎn)問題（1）應(yīng)用了和利時(shí)直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置正常應(yīng)用于SCR入、出口的NOX/O2測量CEMS系統(tǒng)，為單點(diǎn)取樣分析系統(tǒng)，需要將煙氣從煙道內(nèi)取出，經(jīng)過粉塵過濾、干燥脫水除濕后通過伴熱管線將取出的樣氣輸送至光譜分析儀表進(jìn)行分析。整個(gè)取樣分析過程長達(dá)3~5分鐘，要實(shí)現(xiàn)區(qū)域化測量，系統(tǒng)體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高，維護(hù)量大，滯后時(shí)間過長，不適用于本AIG優(yōu)化系統(tǒng)。案例中采用直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置，該分析裝置由取樣裝置、檢測探頭和控制變送單元三部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、無需復(fù)雜的取樣系統(tǒng)，煙道原位安裝，響應(yīng)速度快，測量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，易于在煙道內(nèi)多點(diǎn)測量網(wǎng)的布置，是SCR脫硝工藝的最佳NOX和O2的檢測儀器。（2）結(jié)合流體模擬計(jì)算及試驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)SCR出入口煙氣科學(xué)網(wǎng)格測量根據(jù)網(wǎng)格法測得的煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)依據(jù)流場計(jì)算獲得準(zhǔn)確的煙氣分布圖，開發(fā)智能化的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析軟件，可清晰的查詢、分析、展現(xiàn)當(dāng)前和歷史上SCR出口NOX濃度分布的均勻程度、各區(qū)脫銷效率等指標(biāo)，有利于展開催化劑壽命分析。（3）脫銷優(yōu)化智能控制策略實(shí)現(xiàn)基于SCR各噴氨小室“NOX/NH3等摩爾比優(yōu)化噴氨”的理念，研制SCR噴氨格柵門的最優(yōu)算法?！癝CRAIG實(shí)時(shí)智能噴氨系統(tǒng)”根據(jù)“實(shí)時(shí)場論優(yōu)化”思想，采用冗余的先進(jìn)控制算法，應(yīng)用多測點(diǎn)的優(yōu)勢，思想內(nèi)置前饋優(yōu)化控制，可根據(jù)SCR的NOX的濃度場分布均衡性情況自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整AIG閥門，收斂、控制NOX的濃度場分布均衡性。最終實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細(xì)控制，在保證NOX排放的前提下實(shí)現(xiàn)脫銷效率、氨和催化劑消耗量間的效益最大化。效益分析（1）環(huán)境和社會(huì)效益系統(tǒng)實(shí)施后有利于確保NOX對周邊環(huán)境的超低排放，這樣既有利于改善電廠和周邊區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，有利于維護(hù)與周圍居民的和諧友好關(guān)系。（2）經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)SCR的脫硝效率在90%左右，SCR出口保證不大于50mg/Nm3，SCR出口NOX分布的相對偏差每下降10%（按10個(gè)小區(qū)為計(jì)算單元），最大節(jié)省5%左右的氨用量。根據(jù)國外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)表明，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化等摩爾比”噴氨后，預(yù)計(jì)可延長催化劑使用年限5%左右，按一層催化劑費(fèi)用1500萬元（包含拆裝人工費(fèi)）、每4~5年三層催化劑更換一遍計(jì)算，每年約節(jié)省催化劑費(fèi)用約60萬元。另外，系統(tǒng)運(yùn)行后將有效降低NH3逃逸量，可提高空預(yù)器效率，降低排煙溫度和維護(hù)成本，減