9F級燃機余爐SCR脫硝噴氨精細調節技術應用及控制策略分析

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 華電電力科學研究院有限公司東北分公司

在火力發電機組中，因燃氣發電機組采用的燃料相對較為清潔，相比與燃煤發電機組更為清潔高效，產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。近年來燃氣發電機組在火力發電機組中較為突出，截至2017年底，我國天然氣發電裝機容量達到了7570萬kW，占全國發電裝機總量的4.3%，根據《天然氣發展“十三五”規劃》中明確的目標，2020年天然氣發電裝機規模將達到1.1億kW以上，占發電總裝機比例超過5%。與此同時，據業內相關專家分析預測，目前我國相比發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，霧霾等大氣環境惡劣天氣頻繁發生，火力發電作為大氣污染物排放大戶受到了重點關注。燃煤發電機組實施超低排放改造，大氣污染物排放標準也不斷趨于嚴格，燃煤發電機組經過超低排放改造后，主要大氣污染物（即煙塵、NOx、SO2）在基準氧為6%的條件下，排放濃度已經達到了《火電廠大氣污染物排放標準》（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、余熱鍋爐SCR控制技術和外部因素控制技術。根據國內專家學者研究表明，余熱鍋爐SCR控制技術是使NOx達到更低排放濃度的經濟有效手段，但由于燃氣機組流場不均勻性問題，噴氨控制策略，在線污染物監測等問題導致脫硝效果達到不到預期的效果。

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，采取精細噴氨技術與控制策略優化相結合的方式，對余熱鍋爐SCR脫硝控制進行研究分析，構建完整的脫硝精準噴氨控制系統，使機組在全工況下NOx排放濃度穩定達到15mg/m3，進一步降低燃氣機組NOx排放量。

1 SCR進口分區精細調節

根據數值模擬結果發現，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氣流，導致余熱鍋爐入口煙氣渦流較大、分布嚴重不均，從而導致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（單臺余熱鍋爐分區不少于10個），如圖2所示。在每個分區噴氨支管上增加一個數字式氨空流量計和一個氣動分區調平閥，氨空流量信號作為分區調平閥調整的前饋信號，啟動分區調平閥可在線實時調節。根據SCR出口NOx/NH3/O2濃度分布狀況和分區的噴氨流量，對分區調平閥進行聯控調節。

圖2 噴氨格柵分區示意圖

2 SCR出口NOx/NH3/O2全截面分布測量系統

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（單臺余熱鍋爐分區不少于10個）。每個分區內布置一套多點取樣槍，多點取樣槍的每個采樣孔位于該區域的中心點，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NOx/NH3/O2的分區及混合測量。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，進而確定各分區噴氨偏差調節目標值，作為噴氨優化控制的主信號。

2.1 系統測量可靠性分析

稀釋系統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鍵。稀釋系統采用獨特的現場樣品預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水，無需加熱氣體傳輸管線并可避免許多與其他采樣技術伴隨而來的麻煩。

2.2 系統測試準確性分析

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，提高整個取樣系統的響應速度。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，當前儀表仍在分析第一個探頭取樣煙氣，如此輪巡，每個分區的取樣支管連通時間控制為30s以內，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分區的NOx/NH3/O2濃度平均值，巡測一遍的時間控制在5min以內，確保了測量的響應時間，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的混合測量，另一個探頭進行分區巡測，混合測量與巡測同時進行，并利用混合測量結果對巡測結果進行修正。在非巡測期間，取樣切換閥全開，兩探頭同步取混合樣；待接收到巡測觸發信號，取樣切換裝置僅保留一個分區的取樣支管與取樣母管連通，其它分區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的取樣支管與取樣母管，從而實現巡測；在巡測期間另一個探頭一直保持混合取樣狀態，混合取樣與分區巡測同步進行，每個分區巡測后的結果都會根據混合取樣結果進行修正，并將修正后的NOx/NH3/O2濃度作為分區均衡測量的反饋信號，確保檢測結果的準確性。

3 精準噴氨控制系統

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據進行回歸分析，結合專家知識，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性（PID參數自整定），逐步趨優，實現精確前饋控制，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排放濃度穩定，目標實現任意工況下控制脫硝出口NOx排放濃度為15mg/Nm3以下。精準噴氧控制系統見圖3。

圖3 精準噴氨控制系統總圖

3.1.1 預測控制技術

預測控制是一種優化控制算法，它利用性能指標來對被控對象的控制效果進行評價。本研究在SCR系統模型基礎上，采用預測控制方法，對噴氨量進行優化控制。將SCR機理模型作為控制對象，SCR數據模型作為預測模型，基于以上模型以及預測控制算法，實現SCR噴氨量的最優控制。噴氨量預測控制結構如圖4所示。

圖4 SCR噴氨量預測控制結構圖

3.1.2 神經網絡技術

本研究將所選取的輔助變量經過相似度函數優化、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，通過神經網絡進行建模，得到靜態軟測量模型和神經網絡拓撲結構，選用一種基于神經網絡在線學習的入口氮氧化物軟測量模型，提高在線預測的準確性和快速性，然后把優化好的參數帶入神經網絡，結合預報誤差和當前預測誤差的大小在線修改神經網絡的權值和閾值，并更新訓練數據，采用變學習速率提高神經網絡的預測精度。

3.2 分區噴氨均衡控制部分研究

分區調平閥的控制由新增的先進控制系統獨立完成，且采用與總量控制閥的控制解耦設計，保證分區調平閥調節過程中不影響總量控制閥的控制品質。分區調平閥的調節上、下限可設定保護，自動調節僅在設定范圍內小幅調節，以保證在閥門的良好線性度區間進行調節。整個方案的實施可全面提升噴氨控制的品質，使SCR性能適應機組深度調峰需求，達到節約噴氨量、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，在線監測各取樣支路煙氣流量，若存在取樣管堵塞跡象，系統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，可依據各分區氨空流量監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，系統自動短時段減小其它正常分區氨空流量，以加大當前存在堵塞跡象分區的噴氨格柵內流速，自動消除管路或噴嘴堵塞問題后，恢復至正常噴氨分區控制狀態。

3.4 催化劑分區性能在線評估

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

4 結語

本研究通過對9F燃機余熱鍋爐SCR裝置噴氨系統精細化升級，增加出口NOx/O2/NH3全截面分布測量，在設備的可靠性和測量的精準性方面，較傳統的設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化，增加了常見故障自愈功能和催化劑分區性能在線評估功能，構建完整的脫硝精準噴氨控制系統，為9F燃機NOx排放濃度穩定達到更低的限值提供可靠的保障。