李一波

（廣東省能源集團有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞 523936）

氮氧化物 NOx 是燃煤機組釋放的主要污染物之一，嚴重危害著人類的生存環(huán)境。因此，目前燃煤機組均采取了有效的脫硝措施以降低 NOx 排放。國內大多數(shù)火電廠采用選擇性催化還原技術（簡稱SCR ），該裝置存在以下問題：噴氨量的控制較粗略，現(xiàn)有SCR 在噴氨控制過程中不能根據反應器橫截面上NOx 濃度、煙氣流速、煙氣溫度的差異調整噴氨量，不利于NH3/NOx 的良好混合、提高脫硝效率并控制氨逃逸；噴氨量的調整速度較慢，現(xiàn)有SCR 在反應器入口NOx 濃度發(fā)生變化時，調整噴氨量的相應時間較長，容易導致NOx排放或者氨逃逸超標噴氨不合理，脫硝反應器出口NOx 分布偏差大，局部氨逃逸濃度過大的現(xiàn)象，同時燃煤機組負荷變化頻繁、煤質特性復雜等因素使得SCR 運行難度加大，影響機組的穩(wěn)定經濟運行。通過優(yōu)化噴氨調節(jié)裝置，提高噴氨調節(jié)速率，調整出口截面的NOx 分布，降低氨逃逸峰值，并有效提高SCR 系統(tǒng)的脫硝效率，延長催化劑的使用壽命，達到精細化控制，對火電廠SCR 裝置的噴氨優(yōu)化調整有著重要的意義。

1 脫硝設備概況

廣東能源有限公司沙角C 電廠 660 MW 亞臨界燃煤發(fā)電機組脫硝系統(tǒng)采用SCR 脫硝工藝，單爐體雙 SCR 結構體布置在鍋爐省煤器出口和空氣預熱器之間。脫硝還原劑采用液氨法方案，催化劑采用蜂窩式催化劑。SCR 裝置內沿煙氣流向在煙道不同位置設置導流板、靜態(tài)混合器和整流格柵。氨與稀釋空氣混合后經噴氨格柵( AIG) 進入SCR煙道，自格柵式噴嘴噴出，可通過手動蝶閥分區(qū)控制煙道截面上的氨噴射流量。SCR 入口煙氣參數(shù)見表 1，原始SCR 系統(tǒng)總體結構（見圖 1） 主要由進口煙道和反應器組成。SCR 系統(tǒng)噴氨格柵（AIG）沿爐膛寬度方向布置14 根支管，每根支管最終連接4 個噴孔，共56 個噴孔。反應器內在彎頭處及漸擴段總共布置有4 組導流板。反應器有2 層催化劑層，催化劑層上部安裝整流格柵，使進入催化劑層的煙氣更加均勻[1]。

表1 SCR 入口煙氣參數(shù)

圖 1 原始SCR 系統(tǒng)總體結構

2 動態(tài)精細化噴氨關鍵技術

2.1 精細化系統(tǒng)簡介

SCR 脫硝動態(tài)精細化控制系統(tǒng)是基于SCR 反應器入口/出口NOx 濃度的分區(qū)監(jiān)測數(shù)據，采用智能噴氨控制算法和分區(qū)噴氨氣動閥，實現(xiàn)SCR噴氨量的實時精確控制，提高反應器內各個區(qū)域均勻的氨氮混合效果，以達到提高脫硝效率和降低氨逃逸率的目的。系統(tǒng)概括圖如圖2 所示。

SCR 脫硝動態(tài)精細化控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)PID控制模式的基礎上加入前饋控制模塊、模糊處理單元以及分區(qū)級聯(lián)架構的智能化控制系統(tǒng)，基于SCR 脫硝裝置入口/出口NOx 濃度的分區(qū)實時監(jiān)測數(shù)據，采用機器學習算法建立NOx 排放模型，動態(tài)跟蹤入口NOx 濃度分布特征，進而實時給出噴氨支路電動閥的調整指令，使出口NOx 分布趨于均勻。系統(tǒng)還能通過對歷史監(jiān)測數(shù)據的統(tǒng)計和分析來評估不同分區(qū)對應的催化劑活性級別，為催化劑的壽命評估和更新策略提供數(shù)據上的支撐。

2.2 分區(qū)實時控制技術

SCR 脫硝系統(tǒng)是利用NH3對NOx 的還原特性，在催化劑的作用下將NOx 還原為對環(huán)境無害的N2和H2O。該系統(tǒng)的實施首先通過熱態(tài)試驗獲得SCR入口煙氣流速、NOx 濃度和SCR 出口NOx 濃度的分布特征，將噴氨格柵分區(qū)對應的入口煙氣分區(qū)、催化劑分區(qū)和出口煙氣分區(qū)均劃入同一區(qū)分區(qū)，按照每個分區(qū)的SCR 出口煙氣氣氛濃度分布在線測量數(shù)據，對該分區(qū)進行單獨的噴氨量控制。在沙角C 電廠的分區(qū)實施方案為：A 側出口安裝4 個NOx濃度檢測測點，B 側出口安裝6 個NOx 濃度檢測測點，A 側出口煙道測點如圖3 所示，B 側出口煙道測點如圖4 所示。

圖2 精細化系統(tǒng)結構概括總圖

圖3 A 側煙道測點選位圖

圖4 B 側煙道測點選位圖

每個區(qū)域均以本區(qū)域對應的出入口NOx 濃度及催化劑現(xiàn)有催化效率作為控制依據來精確計算本區(qū)域的噴氨量，由于SCR 裝置內部的流場復雜，所以可能出現(xiàn)同一個區(qū)域需要另外兩個區(qū)或多個區(qū)同時調節(jié)噴氨閥門的情況，故需要現(xiàn)場采集大量的運行數(shù)據來達到理想的控制目標。而要達到噴氨實時優(yōu)化控制，關鍵是要對出入口的NOx 的濃度分布進行實時在線的檢測，這也是實現(xiàn)分區(qū)、實時控制的關鍵。

根據電廠運行情況對煙道進行分區(qū)是精細化智能控制噴氨系統(tǒng)的前提，而實現(xiàn)精細化智能控制噴氨系統(tǒng)三大關鍵技術包括氣氛濃度分布在線監(jiān)測技術、噴氨調節(jié)閥分區(qū)遠程電控調節(jié)技術、智能控制技術。

2.3 噴氨總閥控制策略

噴氨總閥控制策略如圖5 所示。與現(xiàn)有的PID控制不同的是：建立前饋控制專家?guī)?，利用鍋爐側的5 個參數(shù)得到入口NOx 濃度的變化趨勢作為前饋控制來代替現(xiàn)有PID 控制中的利用入口NOx 濃度的微分項作為前饋控制；另外在計算煙氣濃度時，考慮到A、B 側風量不均等情況，增加一個系數(shù)K 作為修正。

圖 5 噴氨總閥控制策略

本質上講，專家系統(tǒng)就是一個包含知識和推理的智能計算機程序。通過對電廠在運行過程中產生的數(shù)據的學習，根據一定的規(guī)則，將這些數(shù)據轉換為可實用的專家知識，存在專家?guī)熘幸员阌谠趯嶋H中使用。當實時數(shù)據輸入到專家?guī)熘袝r，就可以利用以往的知識迅速獲得優(yōu)化的結果[2]。

專家?guī)斓慕⒑瓦\行方式如圖6 所示。每隔一段時間，利用電廠的歷史數(shù)據，將數(shù)值轉換為符號形式，經過設定的入庫規(guī)則，進入專家?guī)熘?，更新專家?guī)靸热?，這其中可以通過人工干涉確定其入庫的規(guī)則以及直接通過人工經驗調整專家?guī)?。專家?guī)煨纬苫蚋潞?，實時數(shù)據輸入進來，進行同樣的符號化處理，找到對應的結果，輸出這個結果至控制系統(tǒng)。

圖6 專家?guī)斓慕⑴c運行

2.4 噴氨分閥控制策略

圖7 給出了分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)總體結構的設計方案，系統(tǒng)在傳統(tǒng)PID 控制模塊的基礎上，引入模糊處理單元、RBF 神經網絡補償控制器以及智能前饋控制模塊三大部分。

圖7 分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)策略

其中，模糊處理單元的主要功能在于對各測點測量值進行適當分級分檔；模糊處理單元的輸入參量包括：入口NOx 濃度、入口煙氣溫度、出口五個區(qū)域NOx 濃度、出口NH3濃度、出口煙氣溫度、支管閥門開度、支管閥門流量、主管閥門開度、主管閥門流量；輸出參量為分級后的各測點模糊值。

反饋控制模塊以RBF 神經網絡補償預測控制器為主，模糊處理單元作為數(shù)據輔助處理單元，整個模塊的輸出量作為反饋回路的控制補償值與傳統(tǒng)PID 控制器的輸出量疊加后，用于控制各區(qū)域的支管和主管閥門開度，從而提高整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使各個區(qū)域的NOx 濃度分布均衡值始終控制在設定的方差范圍內。

典型的RBF 神經網絡結構如圖8 所示，補償預測控制器是在典型RBF 神經網絡結構的基礎上加入敏感分析系統(tǒng)，通過判斷每個輸入參量對輸出量的價值，根據期望值對輸入參量進行修正，達到滿意的期望輸入值，即對輸入參量進行帶有權值的反饋修正，RBF 神經網絡補償預測控制器的基本學習流程圖如圖9 所示。

圖8 RBF 神經網絡結構圖

圖9 RBF 神經網絡補償預測控制器學習過程圖

前饋控制模塊主要由氨氣流量智能前饋控制器實現(xiàn)，通過智能前饋技術對脫硝控制系統(tǒng)受到的外部擾動（如負荷、風量和給煤量等）進行及時動態(tài)補償，從干擾源頭消除NOx 濃度的劇烈波動，使得整個系統(tǒng)各個區(qū)域的NOx 濃度值均處于設定濃度值以下。為了嚴格控制系統(tǒng)的NOx 排放量，前饋控制模塊有別于反饋控制模塊，不采用模糊分級控制模式，對主管閥門的開度給出精確補償。

圖10 數(shù)據處理流程圖

2.5 數(shù)據處理單元

數(shù)據處理單元的整體構架及數(shù)據流如圖10 所示。數(shù)據處理業(yè)務由下位機和上位機執(zhí)行。

2.5.1 下位機

下位機軟件系統(tǒng)構建如圖11所示。下位機實現(xiàn)的主要功能分為以下幾個部分：①采集相關傳感器上面的數(shù)據，進行數(shù)據傳輸；②通過modbus 通訊協(xié)議將數(shù)據傳輸?shù)缴衔粰C；③根據實時采集的數(shù)據，調節(jié)控制器上面的相關參數(shù)。

2.5.2 上位機

上位機中系統(tǒng)構架如圖12 所示。

圖11 下位機結構設計圖

圖12 上位機系統(tǒng)構架

上位機軟件部分主要包括三個模塊：

a)界面繪制模塊

該模塊主要負責完成相關的界面操作功能，主要包括：①登錄界面；②運行狀態(tài)界面；③歷史數(shù)據查詢界面；④實時數(shù)據界面。

b）通訊模塊

該模塊分為modbus 通訊和DCS 通訊兩個部分。

c) 數(shù)據處理模塊

該模塊分為以下幾個部分：①解析數(shù)據；②存儲數(shù)據。

2.6 催化劑壽命輔助評估技術

分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)中出入口處NOx 濃度和NH3濃度的變化趨勢可以直接反應催化劑的活性程度，通過對經過催化劑前后的NOx 和NH3濃度歷史數(shù)據的統(tǒng)計分析，加入專家系統(tǒng)判定模塊，催化劑壽命輔助評估模塊可以輸出對催化劑活性級別的智能評估，催化劑壽命輔助評估模塊的基本邏輯結構圖如圖13 所示。

在圖13 中可以看到，催化劑壽命評估專家系統(tǒng)通過對控制系統(tǒng)采集到的監(jiān)測點歷史數(shù)據做基本的統(tǒng)計分析，配合使用通過專家經驗所描述的“催化劑壽命-出入口NOx 含量”數(shù)學模型，不斷地在線學習與調整催化劑活性級別的特性曲線，同時，通過輸入分區(qū)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據，催化劑壽命輔助評估模塊可以通過擬合曲線對當前催化劑使用活性進行分級分檔的評估，為電廠更新催化劑的策略、機組運維周期的制定以及維護成本的核算等提供基于數(shù)據與模型的支撐。催化劑壽命輔助評估模塊的評估結果可以通過自動和手動兩種模式反饋到優(yōu)化噴氨控制系統(tǒng)的反饋控制模塊中，從而可以根據不同區(qū)域催化劑的活性來精細化補償各區(qū)域支管閥門的開度比例，在實際運行中可以明顯降低催化劑整體失活效率、通過分區(qū)噴氨的精細化調整延長催化劑的使用壽命、降低脫硝系統(tǒng)的運行與維護成本。

3 應用情況及效果

3.1 均勻性提高，兩側濃度偏差減少，脫硝效率提高

在投運分區(qū)優(yōu)化之前，AB 兩側NOx 濃度各測點差異非常大，可以看到A 側1 號測點處NOx濃度值高達79.45mg/m3，而3 號測點處濃度只有11.95mg/m3，1 號測點NOx 濃度值與平均值偏差在44mg/m3左右，這將很大程度影響脫硝效果。

B 側雖然稍好，但是最高值與最低值差距也有21mg/m3，與平均值的偏差最大也在13mg/m3左右這勢必會影響SCR 系統(tǒng)的脫硝效果。在投運分區(qū)優(yōu)化控制之后，可以看到各測點NOx 的濃度差異顯著減小，AB 兩側各測點NOx 濃度最大偏差均在10mg/m3以內，分區(qū)優(yōu)化控制對分區(qū)的氨氮混合效果有明顯改善。

圖13 催化劑壽命輔助評估模塊邏輯結構圖

在分閥控制響應時間方面，選取B 側閥門做為參考，當9 號測點NOx 濃度突然出現(xiàn)一個較大上升的時候（偏差值=平均值-測點值），整體平均值會明顯上升，各測點處的偏差值也會改變，在程序檢測到偏差變動后，各閥門迅速響應，進行了調節(jié)，5 號閥門開度減小，使6 號測點濃度偏差恢復到設定范圍附近，7 號閥門開度減小，使8 號測點濃度偏差恢復，響應時間迅速，控制效果良好。通過對投運圖像的分析，當偏差出現(xiàn)較大波動的時候，大約在4～7 分鐘之后可以調節(jié)平穩(wěn)，整體調節(jié)速度比較迅速。

3.2 脫硝效益

沙角C 電廠精細化控制系統(tǒng)項目總投資為250萬元，該系統(tǒng)自投運以來，穩(wěn)定可靠，產生了較大的經濟效益。

3.2.1 通過SCR 精細化控制后：2018 年減小出口NOx 相對標準偏差，增加催化劑壽命一年以上，催化劑壽命按3 年計算，每次更換催化劑費用393 萬元，由此估算節(jié)省催化劑費用131 萬元。

3.2.2 減少空預器運行維護成本：降低氨逃逸，有效緩解空預器堵塞現(xiàn)象，減少風機電耗0.2%，節(jié)約費用660MW×4000h×0.3元/kWh×0.2%≈160萬元，減少空預器維護一次，維護費用約238萬元，合計398萬元。

3.2.3 節(jié)省脫硝劑消耗費用：低氮燃燒技術降低NOx 排放，精細化智能噴氨實現(xiàn)按需噴氨，避免脫硝劑浪費，一側噴氨量100kg/h，一臺機組按年5000h 計算，每年噴氨量約100×2×5000=1000000kg=1000 噸氨； 按節(jié)約10%計算，那么節(jié)省100 噸氨，每年節(jié)省氨費用約100噸×3000 元/噸=30 萬，每年節(jié)約60 萬元。

3.2.4 減少氮氧化物超標環(huán)保費用：2 號機組2018 年1-3 月退出精細化控制，運行時間1184 小時，氮氧化物超標30 小時超低排放合格率，合格率97.46%，供電66518.5 萬千瓦時，每千瓦時損失超低電價補貼0.001 元，合計損失約66 萬元，4月份應用精細化控制后，氮氧化物未出現(xiàn)小時均值超標情況。

2018 年共節(jié)?。?31+398+ 60+66=655 萬元。

4 結語

SCR 脫硝動態(tài)精細化控制系統(tǒng)自投運以來，穩(wěn)定可靠，特別是機組在深度調峰調頻以及煤種變化的工況下，能快速響應，在保證凈煙氣NOx 排放符合環(huán)保要求的條件下，實現(xiàn)SCR 出口NOx 濃度調節(jié)的高品質及壓邊界運行，以達到最佳噴氨總量，減少氨逃逸。通過SCR 精細化控制，NOx 排放瞬時超標減少，達到國家超低排放各項要求。該系統(tǒng)能很好地解決全國在役300MW～1000MW 機組SCR 系統(tǒng)超調、NH3逃逸量大等問題，既能實現(xiàn)超低排放要求，又能節(jié)省設備的運維成本，實現(xiàn)節(jié)能、綠色、環(huán)保的顯著社會效益，有較高的應用價值。