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1　背景

國家環(huán)境保護部和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局早在2011年7月29日聯(lián)合發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標準GB13223-2011》，要求燃煤電廠氮氧化物排放在100mg/Nm 3以內。結合國家越來越嚴格的環(huán)保政策，我國提出了更高的潔凈排放要求，即氮氧化物排放在50mg/Nm 3以下。雖然我國大部分燃煤電廠已完成了加裝SCR脫硝設備和改造原有的燃燒設備，且已逐步完成超凈排放的改造，取得了良好的環(huán)保社會效益。但是，由于SCR的實際運行時間較短，往往存在運行經驗不足等問題，并且國內對SCR的優(yōu)化運行尚屬新興的研究課題，尤其是SCR長期連續(xù)在高效率下運行，“氨逃逸”現(xiàn)象時時威脅著電廠鍋爐SCR后冷端設備的安全運行。

目前在各大電廠超低排放改造中廣泛使用的是簡單的催化劑加層來提高脫硝效率、降低NOX排放的方法，通過增加催化劑和噴氨量，可以進一步增加煙氣中NO X和氨的反應量，減少NO X排放。但是催化劑加層，會增加SO2/SO3的轉換幾率，并且大幅提高SCR的噴氨量，也加大了氨逃逸的可能性，從而帶來空預器堵塞等設備安全性降低、運維成本增加的新問題。因此，在超凈排放的新要求下，有必要對現(xiàn)有SCR的AIG噴氨進行更合理的更精細化的優(yōu)化管理，提供有效的解決方案，在保障環(huán)保效益的同時，切實保障設備的安全經濟運行。

2　實施與應用

國內某電廠2×1000MW燃煤機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)設計采用分級燃燒和濃淡燃燒等技術，可有效降低NO X排放量和降低鍋爐最低穩(wěn)燃負荷。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反應器采用雙煙道布置。單個SCR反應器凈空尺寸為14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素熱一次風熱解法。在SCR入口煙道截面上的2×9個AIG噴嘴將氨噴入到SCR反應器內。SCR反應器入口煙道彎頭較多，布置非常曲折，同時SCR反應器入口煙道狹長，煙氣流場復雜，氣流分布難以在各符合段達到均勻，采用均衡噴氨極易引起局部噴氨過量導致氨逃逸率過大，影響空預器等煙道后部設備運行，同時也影響了SCR效率。

AIG每個噴氨支管配有手動調節(jié)閥，可在運行調試期間根據(jù)煙道中NH3和NOX的分布情況，進行手動調節(jié)。根據(jù)第三方試驗檢測機構對該電廠7號機組進行的SCR裝置NOX分布均勻性檢測結果顯示：

7號機組SCR裝置本次測試區(qū)域的NO X分布C.V值：A側上層30.5%，A側下層42.2%。B側上層6.80%，B側下層43.5%。

根據(jù)以往經驗，當SCR裝置NO X分布的C.V值在30%以下時，可認為NOX分布均勻性正常。

改造前SCR裝置噴氨優(yōu)化調整采用靜態(tài)調整AIG閥門的方法，該方式僅通過在線實驗方法調整，并且在工況改變的情況下無法做到及時調整，也無法實時監(jiān)測SCR反應器入、出口煙氣截面NO X分布情況，所以不能及時根據(jù)分布情況調整每個噴氨小室的噴氨量，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，會出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。實際上，即使分布不均程度較輕，氨逃逸峰值也足以引發(fā)問題。這是因為脫硝效率較高時，如果系統(tǒng)沒有調節(jié)氨分布不均的能力，當部分煙氣含氨量超過 NOX反應量時，多余的氨流經系統(tǒng)時就會逃逸。氨逃逸會嚴重SCR的下游設備安全運行，如生成硫酸氫氨沉積在催化劑、空預器和低溫省煤器上,造成催化劑中毒和空預器和低溫省煤器的腐蝕，尤其以空預器和低溫省煤器在電除塵器前面的高溫部分嚴重；造成FGD廢水及空預器清洗水中含NH 3；增加飛灰中的NH3化合物，改變飛灰的品質。

目前SCR出口NO X分布平均相對標準偏差（C.V）在機組某些負荷條件下，仍會出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象，SCR長期高效率運行過程中容易造成反應器出口局部氨逃逸濃度過大，降低SCR系統(tǒng)整體性能，威脅機組的安全運行。

針對以上情況，該電廠采用和利時SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案對7號機組進行了SCR智能噴優(yōu)化改造。

2.1　系統(tǒng)架構

SCR AIG在線噴氨優(yōu)化調整系統(tǒng)是針對目前SCR AIG粗放型噴氨的問題而提出的。該系統(tǒng)主要構成為：SCR反應器入、出口煙道實時NO X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)化調整系統(tǒng)組成。

根據(jù)目前SCR反應器與現(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），結合檢測報告，為了更好地提高“氨/氮等摩爾比”的實時均衡性，在實施實時優(yōu)化噴氨時，必須在SCR反應器入口煙道（AIG閥門前）也采用相應的區(qū)域化測量，作為整個優(yōu)化系統(tǒng)的前饋。這樣可從SCR的入口處就實時控制住氨/氮摩爾比，提升優(yōu)化控制品質。

控制的最終目標值為SCR出口的氮氧化物的均衡性（C.V值）。

SCR反應器入口煙道（AIG閥門前）實時NO X區(qū)域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個。SCR反應器出口垂直煙道實時NOX區(qū)域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個，總計用24個NO X數(shù)據(jù)表征SCR A、B兩側氮氧化物濃度場的分布。SCR A、B兩側氮氧化物濃度場分布的32個NO X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)一經過工業(yè)標準的RTUMODBUS接入DCS。

圖1 CR A側（B側為鏡像對稱布置）入/出口測量裝置布置分布

在線AIG分區(qū)優(yōu)化調整系統(tǒng)，首先要在目前的各個AIG手動調門（共2×9個）支管上改裝與入/出口測量裝置布置相對應的2×6個電動調門。

為了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，2×6個AIG電動調門信號（指令和開度反饋,共2×6個模擬量輸入、2×6個模擬量輸出）全部直接連接至DCS。運行人員可在DCS畫面上手操各AIG電動調門，AIG電動調門亦可接受優(yōu)化控制器來的自動指令，按照實際SCR入、出口NO X濃度場的分布情況，進行優(yōu)化調整。優(yōu)化控制器采用A/B冗余機制。AIG調門優(yōu)化控制指令，通過數(shù)據(jù)交換機，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)統(tǒng)一經過工業(yè)標準的RTUModbus接入DCS。

圖2 SCR AIG噴氨優(yōu)化系統(tǒng)構架

2.2　區(qū)域化NOX/O2測量網(wǎng)布設

本項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，探頭采取噴射負壓取樣原理，將高溫煙氣導流桿插入高溫煙道，分析儀檢測探頭和噴射泵一起安裝在導流桿的根部，煙氣經過導流桿進入檢測探頭到達噴射泵負壓區(qū)，然后隨著噴射泵的驅動氣源返回煙道。

檢測器采用極限電流型半導體陶瓷傳感器，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速度快，無需取樣探頭過濾器減少維護量，同時測量NOX和O2雙組份，無需NO2轉化爐，直接使用于高溫煙氣中測量無需降溫脫水裝置，系統(tǒng)簡單可靠，檢測尾氣直接返回煙道無二次污染更環(huán)保。

圖3 NOX/O2測量網(wǎng)布設示意圖

2.3　SCR AIG噴氨優(yōu)化監(jiān)控模塊

（1）功能實現(xiàn)

該模塊實現(xiàn)SCR測量運行數(shù)據(jù)全面實時監(jiān)控，運行數(shù)據(jù)質量監(jiān)控及信號過濾，各區(qū)域NOX濃度場實時監(jiān)視，各區(qū)域與總閥智能聯(lián)動控制，脫硝均值等各指標統(tǒng)計分析。

（2）控制策略

目前SCR上A、B兩側各裝有2×9個AIG手動調門，考慮到各個SCR噴氨小室的相互干擾性，在SCR反應器A、B兩側入口煙道實時NO X區(qū)域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個。SCR反應器A、B兩側出口煙道實時NO X區(qū)域化測量裝置布置2×6個單元，共計12個，因此將現(xiàn)有AIG電動調門合并為對應SCR反應器測量裝置的單元，即2×6個電動調門。

圖4 和利時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反應器內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，且SCR的脫硝是一個大延時反應，再者SCR單側就有6個調門，總計達12個，因此僅靠單回路PID調節(jié)器，幾乎是難以勝任優(yōu)化控制。所以采用一個基于實際運行情況的帶有預測功能前饋的，模塊化的多輸出（MOCS），且具有自適應的優(yōu)化閉環(huán)控制器。如果采用常規(guī)DCS控制，很有可能使DCS的運算負荷劇增，并且組態(tài)工作也難以實現(xiàn)，難維護。因此本方案采用帶有冗余功能的獨立控制器模式。

圖5 SCR AIG噴氨優(yōu)化控制策略簡圖

（3）與DCS的通訊方式選擇

Modbus網(wǎng)絡已得到廣泛使用的工業(yè)通信系統(tǒng)DCS為和利時MACS-KV6.5,其提供了標準的Modbus通訊接口。Modbus具有標準、開放、穩(wěn)定傳輸接口及介質多等特點。為確保通訊的實時性和穩(wěn)定性，采納RTU模式。這種方式的主要優(yōu)點是：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。

3　應用創(chuàng)新性、重點與難點問題

（1）應用了和利時直插式原位在線NOX/O2雙組分快速測量智能分析裝置

正常應用于SCR入、出口的NOX/O2測量CEMS系統(tǒng)，為單點取樣分析系統(tǒng)，需要將煙氣從煙道內取出，經過粉塵過濾、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行分析。整個取樣分析過程長達3~5分鐘，要實現(xiàn)區(qū)域化測量，系統(tǒng)體積龐大，結構復雜，造價成本高，維護量大，滯后時間過長，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，具有結構簡單、安裝維護方便、無需復雜的取樣系統(tǒng)，煙道原位安裝，響應速度快，測量準確等特點，易于在煙道內多點測量網(wǎng)的布置，是SCR脫硝工藝的最佳NO X和 O2的檢測儀器。

（2）結合流體模擬計算及試驗方式實現(xiàn)SCR出入口煙氣科學網(wǎng)格測量

根據(jù)網(wǎng)格法測得的煙氣成分數(shù)據(jù)依據(jù)流場計算獲得準確的煙氣分布圖，開發(fā)智能化的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析軟件，可清晰的查詢、分析、展現(xiàn)當前和歷史上SCR出口NO X濃度分布的均勻程度、各區(qū)脫銷效率等指標，有利于展開催化劑壽命分析。

（3）脫銷優(yōu)化智能控制策略實現(xiàn)

基于SCR各噴氨小室“NO X/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。“SCR AIG實時智能噴氨系統(tǒng)”根據(jù)“實時場論優(yōu)化”思想，采用冗余的先進控制算法，應用多測點的優(yōu)勢，思想內置前饋優(yōu)化控制，可根據(jù)SCR的 NOX的濃度場分布均衡性情況自動優(yōu)化調整AIG閥門，收斂、控制NOX的濃度場分布均衡性。最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細控制，在保證NO X排放的前提下實現(xiàn)脫銷效率、氨和催化劑消耗量間的效益最大化。

4　效益分析

（1）環(huán)境和社會效益

系統(tǒng)實施后有利于確保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)境質量，有利于維護與周圍居民的和諧友好關系。

（2）經濟效益

根據(jù)理論計算，當SCR的脫硝效率在90%左右，SCR出口保證不大于50mg/Nm 3，SCR出口NO X分布的相對偏差每下降10%（按10個小區(qū)為計算單元），最大節(jié)省5%左右的氨用量。

根據(jù)國外相關機構的研究數(shù)據(jù)表明，實現(xiàn)“優(yōu)化等摩爾比”噴氨后，預計可延長催化劑使用年限5%左右，按一層催化劑費用1500萬元（包含拆裝人工費）、每4~5年三層催化劑更換一遍計算，每年約節(jié)省催化劑費用約60萬元。

另外，系統(tǒng)運行后將有效降低NH3逃逸量，可提高空預器效率，降低排煙溫度和維護成本，減少機組因空預器堵塞引起的機組非停幾率，提高機組可靠性，這幾項少說也有60萬/年的收益左右。

綜上分析可發(fā)現(xiàn)，方案實施后經濟效益將大大提升。

5　結語

和利時SCR智能脫硝優(yōu)化解決方案不僅實現(xiàn)了低氮燃燒和脫硝控制的協(xié)調優(yōu)化，滿足環(huán)保要求實現(xiàn)低NOX排放，提高SCR出口脫硝控制品質，降低氨逃逸率，提高設備運行可靠性及運行經濟性；同時還可以在同類發(fā)電企業(yè)進行應用推廣，具有極強的推廣價值，從而有助于提升所有燃煤發(fā)電企業(yè)的環(huán)保設施運行水平。

摘自《自動化博覽》2019年9月刊