文_呂建輝 王建光 于洪海

1 天津華電南疆熱電有限公司 2 中國華電集團有限公司天津分公司 3 華電電力科學(xué)研究院有限公司東北分公司

在火力發(fā)電機組中，因燃氣發(fā)電機組采用的燃料相對較為清潔，相比與燃煤發(fā)電機組更為清潔高效，產(chǎn)生的大氣污染物中煙塵和SO2含量極低，排放的大氣污染物主要為NOx。近年來燃氣發(fā)電機組在火力發(fā)電機組中較為突出，截至2017年底，我國天然氣發(fā)電裝機容量達到了7570萬kW，占全國發(fā)電裝機總量的4.3%，根據(jù)《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確的目標(biāo)，2020年天然氣發(fā)電裝機規(guī)模將達到1.1億kW以上，占發(fā)電總裝機比例超過5%。與此同時，據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)專家分析預(yù)測，目前我國相比發(fā)達國家天然氣在終端能源消費中的比重存在一定差距，力爭在2030年達到15%左右。

近年來，霧霾等大氣環(huán)境惡劣天氣頻繁發(fā)生，火力發(fā)電作為大氣污染物排放大戶受到了重點關(guān)注。燃煤發(fā)電機組實施超低排放改造，大氣污染物排放標(biāo)準也不斷趨于嚴格，燃煤發(fā)電機組經(jīng)過超低排放改造后，主要大氣污染物（即煙塵、NOx、SO2）在基準氧為6%的條件下，排放濃度已經(jīng)達到了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準》（GB13223-2001）中燃氣輪機排放限值。但是，GB13223-2001中燃氣輪機排放限值的基準氧為15%，燃氣機組的NOx排放濃度若折算到相同含氧量，則是燃煤機組的2.5倍；若折算到單位發(fā)電量污染物排放量，則是燃煤機組的1.55倍。

目前，燃氣機組NOx控制技術(shù)按照控制部位和手段不同，大致可以分為以下3類：燃機本體控制技術(shù)、余熱鍋爐SCR控制技術(shù)和外部因素控制技術(shù)。根據(jù)國內(nèi)專家學(xué)者研究表明，余熱鍋爐SCR控制技術(shù)是使NOx達到更低排放濃度的經(jīng)濟有效手段，但由于燃氣機組流場不均勻性問題，噴氨控制策略，在線污染物監(jiān)測等問題導(dǎo)致脫硝效果達到不到預(yù)期的效果。

本研究以“2+26”城市中某重點城市的9F級燃氣機組余熱鍋爐SCR脫硝裝置為研究對象，采取精細噴氨技術(shù)與控制策略優(yōu)化相結(jié)合的方式，對余熱鍋爐SCR脫硝控制進行研究分析，構(gòu)建完整的脫硝精準噴氨控制系統(tǒng)，使機組在全工況下NOx排放濃度穩(wěn)定達到15mg/m3，進一步降低燃氣機組NOx排放量。

1 SCR進口分區(qū)精細調(diào)節(jié)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于余熱鍋爐進口煙道爬升較快，且燃機出口煙氣為高速旋轉(zhuǎn)氣流，導(dǎo)致余熱鍋爐入口煙氣渦流較大、分布嚴重不均，從而導(dǎo)致SCR入口流場分布不均，如圖1所示。

圖1 煙道流場分布三維示意圖

本研究將煙道截面分隔成多個分區(qū)（單臺余熱鍋爐分區(qū)不少于10個），如圖2所示。在每個分區(qū)噴氨支管上增加一個數(shù)字式氨空流量計和一個氣動分區(qū)調(diào)平閥，氨空流量信號作為分區(qū)調(diào)平閥調(diào)整的前饋信號，啟動分區(qū)調(diào)平閥可在線實時調(diào)節(jié)。根據(jù)SCR出口NOx/NH3/O2濃度分布狀況和分區(qū)的噴氨流量，對分區(qū)調(diào)平閥進行聯(lián)控調(diào)節(jié)。

圖2 噴氨格柵分區(qū)示意圖

2 SCR出口NOx/NH3/O2全截面分布測量系統(tǒng)

本研究將單臺余熱鍋爐SCR出口煙道沿寬高兩個方向分成多個虛擬分區(qū)（單臺余熱鍋爐分區(qū)不少于10個）。每個分區(qū)內(nèi)布置一套多點取樣槍，多點取樣槍的每個采樣孔位于該區(qū)域的中心點，再通過一根取樣支管連接至煙道外的切換裝置。在取樣母管上安裝NOx/NH3/O2探頭，實現(xiàn)NOx/NH3/O2的分區(qū)及混合測量。獲取SCR出口的NOx、O2和NH3逃逸分布濃度，能夠真實反映噴氨均勻性效果，進而確定各分區(qū)噴氨偏差調(diào)節(jié)目標(biāo)值，作為噴氨優(yōu)化控制的主信號。

2.1 系統(tǒng)測量可靠性分析

稀釋系統(tǒng)作為煙氣進入分析儀的第一道防線，其可靠性和準確性非常關(guān)鍵。稀釋系統(tǒng)采用獨特的現(xiàn)場樣品預(yù)處理的氣體采集方式。在采樣探頭頂部，通過一個音速小孔進行采樣,并用干燥的儀表空氣在探頭內(nèi)部進行稀釋。稀釋法可以徹底避免樣品氣在采樣管線中冷凝結(jié)水，無需加熱氣體傳輸管線并可避免許多與其他采樣技術(shù)伴隨而來的麻煩。

2.2 系統(tǒng)測試準確性分析

2.2.1 雙探頭輪巡切換取樣

本研究采用雙探頭輪巡切換取樣，同步對取樣探桿及取樣管路進行改造，加快樣氣的置換速度，提高整個取樣系統(tǒng)的響應(yīng)速度。兩個探頭輪巡取樣，即第一個探頭在取樣一定時間后，切換至第二個探頭取樣，因儀表遲滯等原因，當(dāng)前儀表仍在分析第一個探頭取樣煙氣，如此輪巡，每個分區(qū)的取樣支管連通時間控制為30s以內(nèi)，NOx測量分析儀、氧量分析儀和氨逃逸測量分析儀即可獲取相應(yīng)分區(qū)的NOx/NH3/O2濃度平均值，巡測一遍的時間控制在5min以內(nèi)，確保了測量的響應(yīng)時間，進而確保檢測的準確性。

2.2.2 雙探頭測量

為進步一確保測量的準確性，本研究采用雙探頭測量，即一個探頭進行各分區(qū)的混合測量，另一個探頭進行分區(qū)巡測，混合測量與巡測同時進行，并利用混合測量結(jié)果對巡測結(jié)果進行修正。在非巡測期間，取樣切換閥全開，兩探頭同步取混合樣；待接收到巡測觸發(fā)信號，取樣切換裝置僅保留一個分區(qū)的取樣支管與取樣母管連通，其它分區(qū)的取樣支管與取樣母管之間被隔斷，之后依次連通其它分區(qū)的取樣支管與取樣母管，從而實現(xiàn)巡測；在巡測期間另一個探頭一直保持混合取樣狀態(tài)，混合取樣與分區(qū)巡測同步進行，每個分區(qū)巡測后的結(jié)果都會根據(jù)混合取樣結(jié)果進行修正，并將修正后的NOx/NH3/O2濃度作為分區(qū)均衡測量的反饋信號，確保檢測結(jié)果的準確性。

3 精準噴氨控制系統(tǒng)

3.1 噴氨總量控制部分研究

本研究噴氨總量控制采用改進PID策略，除利用脫硝出口NOx測量值回饋控制外，還自動對歷史運行數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)合專家知識，不斷提高理論噴氨量的計算準確性以及對多種工況的適應(yīng)性（PID參數(shù)自整定），逐步趨優(yōu)，實現(xiàn)精確前饋控制，減小對反饋控制的依賴性，最大限度消除脫硝噴氨控制的大延遲問題，保證脫硝出口NOx排放濃度穩(wěn)定，目標(biāo)實現(xiàn)任意工況下控制脫硝出口NOx排放濃度為15mg/Nm3以下。精準噴氧控制系統(tǒng)見圖3。

圖3 精準噴氨控制系統(tǒng)總圖

3.1.1 預(yù)測控制技術(shù)

預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制算法，它利用性能指標(biāo)來對被控對象的控制效果進行評價。本研究在SCR系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，采用預(yù)測控制方法，對噴氨量進行優(yōu)化控制。將SCR機理模型作為控制對象，SCR數(shù)據(jù)模型作為預(yù)測模型，基于以上模型以及預(yù)測控制算法，實現(xiàn)SCR噴氨量的最優(yōu)控制。噴氨量預(yù)測控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SCR噴氨量預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

本研究將所選取的輔助變量經(jīng)過相似度函數(shù)優(yōu)化、核主元分析、歸一化作為模型輸入，入口氮氧化物為模型輸出，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模，得到靜態(tài)軟測量模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，選用一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的入口氮氧化物軟測量模型，提高在線預(yù)測的準確性和快速性，然后把優(yōu)化好的參數(shù)帶入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合預(yù)報誤差和當(dāng)前預(yù)測誤差的大小在線修改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，并更新訓(xùn)練數(shù)據(jù)，采用變學(xué)習(xí)速率提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度。

3.2 分區(qū)噴氨均衡控制部分研究

分區(qū)調(diào)平閥的控制由新增的先進控制系統(tǒng)獨立完成，且采用與總量控制閥的控制解耦設(shè)計，保證分區(qū)調(diào)平閥調(diào)節(jié)過程中不影響總量控制閥的控制品質(zhì)。分區(qū)調(diào)平閥的調(diào)節(jié)上、下限可設(shè)定保護，自動調(diào)節(jié)僅在設(shè)定范圍內(nèi)小幅調(diào)節(jié)，以保證在閥門的良好線性度區(qū)間進行調(diào)節(jié)。整個方案的實施可全面提升噴氨控制的品質(zhì)，使SCR性能適應(yīng)機組深度調(diào)峰需求，達到節(jié)約噴氨量、降低NOx排放濃度等綜合效果。

3.3 常見故障自愈功能

對于脫硝出口煙氣取樣裝置，在線監(jiān)測各取樣支路煙氣流量，若存在取樣管堵塞跡象，系統(tǒng)鎖定易堵塞管路進行自動強化反吹，消除煙氣取樣裝置堵塞隱患；對于噴氨格柵，可依據(jù)各分區(qū)氨空流量監(jiān)測值判斷是否存在局部噴氨格柵管路或噴嘴堵塞跡象，若存在，系統(tǒng)自動短時段減小其它正常分區(qū)氨空流量，以加大當(dāng)前存在堵塞跡象分區(qū)的噴氨格柵內(nèi)流速，自動消除管路或噴嘴堵塞問題后，恢復(fù)至正常噴氨分區(qū)控制狀態(tài)。

3.4 催化劑分區(qū)性能在線評估

在線統(tǒng)計分析各分區(qū)累計脫除的NOx總量以及氨逃逸變化趨勢，并實時顯示各分區(qū)在允許氨逃逸范圍內(nèi)的最大脫硝效率衰變趨勢。此外，根據(jù)各分區(qū)氨空流量占比、脫硝出口NOx及氨逃逸分布狀況，判定各分區(qū)催化劑是否存在積灰、磨損或局部失活等問題，為脫硝裝置的狀態(tài)檢修及確定催化劑更換方案等提供重要參考。

4 結(jié)語

本研究通過對9F燃機余熱鍋爐SCR裝置噴氨系統(tǒng)精細化升級，增加出口NOx/O2/NH3全截面分布測量，在設(shè)備的可靠性和測量的精準性方面，較傳統(tǒng)的設(shè)備和測量方式有了極大的提升。同時，通過對控制策略進行優(yōu)化，增加了常見故障自愈功能和催化劑分區(qū)性能在線評估功能，構(gòu)建完整的脫硝精準噴氨控制系統(tǒng)，為9F燃機NOx排放濃度穩(wěn)定達到更低的限值提供可靠的保障。