SCR 流場及噴氨控制優化技術的應用研究

胡清

(湖南大唐節能科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

2015 年國家相關部門規定在2020 年之前對燃煤電廠全面實施超低排放改造，即采用多種污染物高效協同脫除集成系統技術，使煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度(基準含氧量6%) 分別不超過5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，基本符合燃氣機組排放限值標準[1]。

2015 年5 月13 日，北京市率先出臺了?鍋爐大氣污染物排放標準?[2]，規定自2017 年4 月1 日起，北京市新建鍋爐氮氧化物排放濃度執行30 mg/m3的排放濃度限值。隨后，河南、浙江、上海、四川等地都提出了更為嚴格的氮氧化物排放濃度標準。排放標準的進一步提高，對鍋爐脫硝系統和SCR 脫硝運行提出了更高的要求。

SCR 系統目前普遍存在以下問題:煙道流場不均勻，NOx測量滯后性大，動態工況及變工況下傳統SCR 噴氨控制調節效果差，噴氨格柵調平效果差，局部區域過噴或欠噴現象明顯[3－15]。

針對火電廠SCR 系統存在的問題及保證SCR系統的安全高效運行，本文對流場及噴氨控制技術進行研究，提出了一種SCR 流場及噴氨控制優化技術，將其應用在某660 MW 機組，并對該技術投運后的效果進行了分析。

1 項目概況

1.1 機組概況

某660 MW 鍋爐采用超臨界參數變壓直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、W 型火焰燃燒、垂直內螺紋管水冷壁、Π 型變壓直流鍋爐。設計煤種采用貴州高硫、較高灰分的無煙煤與本地高硫煤，制粉系統為雙進雙出式鋼球磨煤機冷一次風直吹式制粉系統，每臺爐配6 臺BBC4366 雙進雙出磨煤機。

1.2 SCR 脫硝裝置

脫硝采用“高含塵布置方式” 的選擇性催化還原法(SCR) 脫硝裝置，2014 年改造時設計值為入 口NOx濃 度1 200 mg/m3、出 口NOx濃 度200 mg/m3，每臺鍋爐設兩臺SCR 反應器，沿鍋爐中心線對稱布置。煙道內設導流板、2 層靜態混合管，以保證煙氣和氨氣進入反應器前充分混合。

1.3 SCR 目前存在的問題

1) SCR 入口NOx平均濃度為900 mg/m3，燃用干燥無灰基揮發分小于10%的煤時甚至達到1 100 mg/m3以上，若要保證總排出口NOx濃度低于50 mg/m3，脫硝效率至少要達到94.4%以上，在保證超高的脫硝效率時，若氨氮摩爾比發生偏差，必將帶來嚴重的過量噴氨問題。

2) SCR 煙道流速場不均勻，反應器內、反應器后水平煙道均存在積灰問題，反應器上部整流器存在磨損問題。

3) 原噴氨總閥自動投入時，SCR 出口NOx波動范圍大，噴氨量波動大，噴氨控制品質極差，導致總閥無法投自動，大部分時間為手動投入方式，運行人員壓力大。

4) SCR 噴氨控制粗放滯后，現有噴氨支管設置手動蝶閥，只能通過氣氨母管調節閥調節噴氨量，不能適應配風、煤質、負荷、制粉系統等因素變化帶來的NOx分布變化需求。

5) SCR 反應器出口煙道尺寸大，而NOx測量儀表少，不能反映截面上濃度分布情況；同時，SCR 入口、出口的NOx測量結果相比燃燒工況變化的滯后性大，影響自動調節效果。

6) 前期的摸底試驗表明，SCR 反應器入口處的NOx濃度分布較為均勻，但出口處NOx分布均勻性較差，A、B 兩側的相對標準偏差分別為25.43%和17.15%。

2 改造方案

2.1 流場優化

2.1.1 流場均勻性分析

煙氣流速場的不均勻將影響噴氨后氨氮混合的均勻性，導致氨氮比不均勻性偏高。雷達等人[16]以某300 MW 機組為研究對象，在SCR 入口煙氣流量943 548 m3/h (標態) 的工況、不同的氨氮摩爾比下進行了試驗研究，結果表明:氨氮比不均勻性會導致脫硝效率下降，同時對于同樣脫硝效率的SCR 系統，氨氮比不均勻性越大，脫硝效率下降得越多。

2.1.2 流場優化研究

針對大尺寸扁寬型煙道存在流場均勻性不佳的問題，對導流板以及多種型式的靜態混合器進行流場優化研究，靜態混合器的型式有FAN 型、V 型、HEL 型等結構型式。煙氣通過導流板、靜態混合器時，被強迫發生旋轉、混合，改善煙氣流速的分布均勻性以及氨氣和NOx的混合均勻性，使混合物在SCR 反應器中達到最佳反應效果，避免氨氣分布不均造成局部過噴。

由于SCR 入口NOx濃度分布均勻性較好，本項目的流場優化主要針對煙氣流速場。由于原煙道內設置有導流板、2 層靜態混合管，擬將上層靜態混合管拆除，并在下層靜態混合管上加裝V 型靜態混合器，如圖1 所示；此外，還在最上層催化劑的頂部入口煙道內增加導流板，如圖2 所示(圖中標注尺寸單位為mm)。

圖1 靜態混合管改造示意圖

圖2 最上層催化劑頂部入口煙道內導流板布置圖

2.2 總量控制

2.2.1 入口NOx濃度預測

脫硝系統入口NOx的測量存在很大的滯后性，使得傳統的反饋式閉環控制回路無法滿足超低排放自動控制精度的要求。所以先進控制技術的實施，首先需要建立精準的入口NOx預測模型，在表計測量數據反饋回來之前預測出入口NOx值。

預測原理如下:依據入口NOx產生的工藝流程，分析其與鍋爐中輸入的燃料量、風量以及各種燃燒工況等之間的邏輯關系，采取BP 神經網絡模型進行預測。

BP 神經網絡又稱反向傳播神經網絡，通過樣本數據的訓練，不斷修正網絡權值和閾值使誤差函數沿負梯度方向下降，逼近期望輸出。它是一種應用廣泛的神經網絡模型，多用于函數逼近、模型識別分類、數據壓縮和時間序列預測等。

BP 網絡由輸入層、隱層和輸出層組成，隱層可以有一層或多層，圖3 是m×k×n的三層BP 網絡模型，網絡選用S 型傳遞函數，f(x)＝通過反傳誤差函數E ＝(ti為期望輸出，Oi為網絡的計算輸出)，不斷調節網絡權值和閾值使誤差函數E達到極小。

圖3 三層BP 神經網絡模型

其次，入口NOx的測量結果對模型的修正擬合是長期的，需要連續24 h 采樣測量結果進行印證和修正，以遞歸出一個準確和及時的軟測量結果。該前饋算法可以大幅提高噴氨的準確性，提高脫硝控制的品質，如圖4 所示。

圖4 入口NOx濃度預測實現方案

2.2.2 總量控制原理

1) 采用入口NOx濃度預測模型，提前預測入口NOx，計算噴氨量，提前對噴氨母管調閥進行調節。

2) 以磨煤機和排粉風機運行臺數及其啟停參數，作為控制的前饋信號。

3) 以基于過程數學模型進行控制器設計的內?？刂铺娲鶳ID 控制，弱化對精確對象模型的依賴，增強控制方式的魯棒性，提高閉環側控制性能。

2.3 分區控制

2.3.1 分區方式

出口NOx濃度的現場摸底試驗結果如圖5 所示，出口NOx濃度在寬度和深度方向上均有較大變化。結合現有噴氨格柵結構，對噴氨格柵進行分區，單側5 個區，兩側共10 個區，如圖6 所示，并分別對應增加10 臺調節蝶閥，以實現分區的噴氨自動調節。

圖5 SCR 出口NOx濃度分布圖

圖6 煙道分區圖

2.3.2 分區測量

由于抽取式儀表的測量時間過長，不利于分區自動控制的實現，因此根據煙道分區方式，共布置10 臺原位式NOx測量儀表，測量數據可實時傳遞給控制系統。

2.3.3 分區控制

通過新增的分區測點測量得到分區出口NOx濃度，分區調門開度直接通過通信得到，由控制單元計算得到分區出口濃度平均值、分區調門開度平均值，形成新的分區調門開度指令，并通過PID 控制程序調節分區調節閥門開度，實現自動調節，消除出口NOx濃度偏差，降低各分區的氨氮摩爾比偏差，減少局部過噴現象。

3 應用效果

項目于2020 年1 月實施完成，2020 年8 月投入運行。

3.1 煙氣流場

改造前的摸底試驗結果表明，SCR 入口A、B兩側煙道煙氣速度分布的均勻性較差，如圖7 所示。相對標準偏差分別為23.17%和17.87%，遠超過15%的設計要求。

圖7 改造前A、B 側煙道流場測量相對偏差

2020 年8 月，對改造后的流場進行了測量分析，結果如圖8 所示。結果顯示，改造后煙氣流速均勻性明顯提高，煙氣流速相對標準偏差均在10%以內。

圖8 改造后A、B 側煙氣流速測量結果

3.2 入口NOx濃度預測對比

在機組負荷465～640 MW 的調試期間，入口NOx濃度預測值與實際值的對比情況如圖9 所示。結果表明，入口NOx濃度預測程序能較好地滿足濃度預測要求，同時相比于測量值，預測值有10～30 s的超前效果。

圖9 濃度預測值與實際值的對比情況

3.3 總排控制效果

調試后，在負荷穩定、入口NOx濃度平穩時，脫硝出口NOx濃度基本控制在設定值±5 mg/m3(標態) 以內；入口NOx濃度波動較大時，出口NOx濃度依舊能夠控制在±15 mg/m3(標態) 以內，且待入口變化恢復穩定后，能快速恢復至±5 mg/m3(標態) 以內。由此可見，改造后可減少脫硝出口NOx濃度波動帶來的過量噴氨問題，減少脫硝系統氨耗。

3.4 分區控制效果

分區控制程序投入后，分區控制效果見表1。結果表明，分區控制程序能將分區出口NOx濃度不均勻度控制在30%以內，能有效降低分區出口NOx濃度偏差，降低各分區的氨氮摩爾比偏差，減少局部過噴現象。

表1 改造后分區控制效果(標態下)

4 結論

本文對SCR 系統存在的問題進行了分析，提出了一種SCR 流場及噴氨控制優化方案，并在某660 MW 機組成功應用。項目應用后，可提高SCR入口煙氣流場均勻性，減少SCR 出口NOx濃度波動，降低分區出口NOx濃度偏差，降低各分區的氨氮摩爾比偏差，減少過量噴氨現象，減少氨耗量，避免了因過度噴氨造成的二次污染問題。該套方案實用有效，為火電企業實現節能降耗及超低排放提供了可能，有助于推進行業技術進步。