1　背景

国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局早在2011年7月29日联合发布了《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》，要求燃煤电厂氮氧化物排放在100mg/Nm 3以内。结合国家越来越严格的环保政策，我国提出了更高的洁净排放要求，即氮氧化物排放在50mg/Nm 3以下。虽然我国大部分燃煤电厂已完成了加装SCR脱硝设备和改造原有的燃烧设备，且已逐步完成超净排放的改造，取得了良好的环保社会效益。但是，由于SCR的实际运行时间较短，往往存在运行经验不足等问题，并且国内对SCR的优化运行尚属新兴的研究课题，尤其是SCR长期连续在高效率下运行，“氨逃逸”现象时时威胁着电厂锅炉SCR后冷端设备的安全运行。

目前在各大电厂超低排放改造中广泛使用的是简单的催化剂加层来提高脱硝效率、降低NOX排放的方法，通过增加催化剂和喷氨量，可以进一步增加烟气中NO X和氨的反应量，减少NO X排放。但是催化剂加层，会增加SO2/SO3的转换几率，并且大幅提高SCR的喷氨量，也加大了氨逃逸的可能性，从而带来空预器堵塞等设备安全性降低、运维成本增加的新问题。因此，在超净排放的新要求下，有必要对现有SCR的AIG喷氨进行更合理的更精细化的优化管理，提供有效的解决方案，在保障环保效益的同时，切实保障设备的安全经济运行。

2　实施与应用

国内某电厂2×1000MW燃煤机组配套锅炉为超超临界变压塔式直流锅炉。锅炉燃烧系统设计采用分级燃烧和浓淡燃烧等技术，可有效降低NO X排放量和降低锅炉最低稳燃负荷。SCR脱硝系统催化剂采用蜂窝式，烟气脱硝装置采用高尘型工艺，SCR反应器采用双烟道布置。单个SCR反应器净空尺寸为14600mm（W）×15000mm（L）×23650mm（H）。采用尿素热一次风热解法。在SCR入口烟道截面上的2×9个AIG喷嘴将氨喷入到SCR反应器内。SCR反应器入口烟道弯头较多，布置非常曲折，同时SCR反应器入口烟道狭长，烟气流场复杂，气流分布难以在各符合段达到均匀，采用均衡喷氨极易引起局部喷氨过量导致氨逃逸率过大，影响空预器等烟道后部设备运行，同时也影响了SCR效率。

AIG每个喷氨支管配有手动调节阀，可在运行调试期间根据烟道中NH3和NOX的分布情况，进行手动调节。根据第三方试验检测机构对该电厂7号机组进行的SCR装置NOX分布均匀性检测结果显示：

7号机组SCR装置本次测试区域的NO X分布C.V值：A侧上层30.5%，A侧下层42.2%。B侧上层6.80%，B侧下层43.5%。

根据以往经验，当SCR装置NO X分布的C.V值在30%以下时，可认为NOX分布均匀性正常。

改造前SCR装置喷氨优化调整采用静态调整AIG阀门的方法，该方式仅通过在线实验方法调整，并且在工况改变的情况下无法做到及时调整，也无法实时监测SCR反应器入、出口烟气截面NO X分布情况，所以不能及时根据分布情况调整每个喷氨小室的喷氨量，造成了局部氨逃逸率升高、区域性脱硝效率降低。

氨逃逸对脱销系统的影响：如氨分布稍有不均，会出现局部逃逸峰值和较高的逃逸平均值。实际上，即使分布不均程度较轻，氨逃逸峰值也足以引发问题。这是因为脱硝效率较高时，如果系统没有调节氨分布不均的能力，当部分烟气含氨量超过 NOX反应量时，多余的氨流经系统时就会逃逸。氨逃逸会严重SCR的下游设备安全运行，如生成硫酸氢氨沉积在催化剂、空预器和低温省煤器上,造成催化剂中毒和空预器和低温省煤器的腐蚀，尤其以空预器和低温省煤器在电除尘器前面的高温部分严重；造成FGD废水及空预器清洗水中含NH 3；增加飞灰中的NH3化合物，改变飞灰的品质。

目前SCR出口NO X分布平均相对标准偏差（C.V）在机组某些负荷条件下，仍会出现偏高的现象，SCR长期高效率运行过程中容易造成反应器出口局部氨逃逸浓度过大，降低SCR系统整体性能，威胁机组的安全运行。

针对以上情况，该电厂采用和利时SCR智能脱硝优化解决方案对7号机组进行了SCR智能喷优化改造。

2.1　系统架构

SCR AIG在线喷氨优化调整系统是针对目前SCR AIG粗放型喷氨的问题而提出的。该系统主要构成为：SCR反应器入、出口烟道实时NO X区域化测量系统；数据分析处理系统；在线AIG分区优化调整系统组成。

根据目前SCR反应器与现场喷氨的具体的布置情况（烟道的垂直段较短，这势必影响氨/氮的充分混合），结合检测报告，为了更好地提高“氨/氮等摩尔比”的实时均衡性，在实施实时优化喷氨时，必须在SCR反应器入口烟道（AIG阀门前）也采用相应的区域化测量，作为整个优化系统的前馈。这样可从SCR的入口处就实时控制住氨/氮摩尔比，提升优化控制品质。

控制的最终目标值为SCR出口的氮氧化物的均衡性（C.V值）。

SCR反应器入口烟道（AIG阀门前）实时NO X区域化测量装置布置2×6个单元，共计12个。SCR反应器出口垂直烟道实时NOX区域化测量装置布置2×6个单元，共计12个，总计用24个NO X数据表征SCR A、B两侧氮氧化物浓度场的分布。SCR A、B两侧氮氧化物浓度场分布的32个NO X数据和测量系统的状态（入口故障、吹扫等）变量统一经过工业标准的RTUMODBUS接入DCS。

图1 CR A侧（B侧为镜像对称布置）入/出口测量装置布置分布

在线AIG分区优化调整系统，首先要在目前的各个AIG手动调门（共2×9个）支管上改装与入/出口测量装置布置相对应的2×6个电动调门。

为了系统的稳定可靠运行，2×6个AIG电动调门信号（指令和开度反馈,共2×6个模拟量输入、2×6个模拟量输出）全部直接连接至DCS。运行人员可在DCS画面上手操各AIG电动调门，AIG电动调门亦可接受优化控制器来的自动指令，按照实际SCR入、出口NO X浓度场的分布情况，进行优化调整。优化控制器采用A/B冗余机制。AIG调门优化控制指令，通过数据交换机，再由数据处理系统统一经过工业标准的RTUModbus接入DCS。

图2 SCR AIG喷氨优化系统构架

2.2　区域化NOX/O2测量网布设

本项目采用直插式原位在线NOX/O2双组分快速测量智能分析装置，直插式在线NOX/O2分析仪检测探头为直接插入烟道安装模式，探头采取喷射负压取样原理，将高温烟气导流杆插入高温烟道，分析仪检测探头和喷射泵一起安装在导流杆的根部，烟气经过导流杆进入检测探头到达喷射泵负压区，然后随着喷射泵的驱动气源返回烟道。

检测器采用极限电流型半导体陶瓷传感器，利用氧泵原理检测烟气中的O2含量和NOX浓度。具有安装方便简单，无需超长取样管线响应速度快，无需取样探头过滤器减少维护量，同时测量NOX和O2双组份，无需NO2转化炉，直接使用于高温烟气中测量无需降温脱水装置，系统简单可靠，检测尾气直接返回烟道无二次污染更环保。

图3 NOX/O2测量网布设示意图

2.3　SCR AIG喷氨优化监控模块

（1）功能实现

该模块实现SCR测量运行数据全面实时监控，运行数据质量监控及信号过滤，各区域NOX浓度场实时监视，各区域与总阀智能联动控制，脱硝均值等各指标统计分析。

（2）控制策略

目前SCR上A、B两侧各装有2×9个AIG手动调门，考虑到各个SCR喷氨小室的相互干扰性，在SCR反应器A、B两侧入口烟道实时NO X区域化测量装置布置2×6个单元，共计12个。SCR反应器A、B两侧出口烟道实时NO X区域化测量装置布置2×6个单元，共计12个，因此将现有AIG电动调门合并为对应SCR反应器测量装置的单元，即2×6个电动调门。

图4 和利时SCR优化控制系统全面监控操作站画面示意图

由于SCR反应器内各喷氨小室的喷氨量是相互干扰，还有SCR的入、出口的浓度场未必能一一对应，且SCR的脱硝是一个大延时反应，再者SCR单侧就有6个调门，总计达12个，因此仅靠单回路PID调节器，几乎是难以胜任优化控制。所以采用一个基于实际运行情况的带有预测功能前馈的，模块化的多输出（MOCS），且具有自适应的优化闭环控制器。如果采用常规DCS控制，很有可能使DCS的运算负荷剧增，并且组态工作也难以实现，难维护。因此本方案采用带有冗余功能的独立控制器模式。

图5 SCR AIG喷氨优化控制策略简图

（3）与DCS的通讯方式选择

Modbus网络已得到广泛使用的工业通信系统DCS为和利时MACS-KV6.5,其提供了标准的Modbus通讯接口。Modbus具有标准、开放、稳定传输接口及介质多等特点。为确保通讯的实时性和稳定性，采纳RTU模式。这种方式的主要优点是：数据帧传送之间没有间隔，相同波特率下传输数据的密度可比ASCII高，传输速度更快。

3　应用创新性、重点与难点问题

（1）应用了和利时直插式原位在线NOX/O2双组分快速测量智能分析装置

正常应用于SCR入、出口的NOX/O2测量CEMS系统，为单点取样分析系统，需要将烟气从烟道内取出，经过粉尘过滤、干燥脱水除湿后通过伴热管线将取出的样气输送至光谱分析仪表进行分析。整个取样分析过程长达3~5分钟，要实现区域化测量，系统体积庞大，结构复杂，造价成本高，维护量大，滞后时间过长，不适用于本AIG优化系统。

案例中采用直插式原位在线NOX/O2双组分快速测量智能分析装置，该分析装置由取样装置、检测探头和控制变送单元三部分组成，具有结构简单、安装维护方便、无需复杂的取样系统，烟道原位安装，响应速度快，测量准确等特点，易于在烟道内多点测量网的布置，是SCR脱硝工艺的最佳NO X和 O2的检测仪器。

（2）结合流体模拟计算及试验方式实现SCR出入口烟气科学网格测量

根据网格法测得的烟气成分数据依据流场计算获得准确的烟气分布图，开发智能化的测量数据统计和分析软件，可清晰的查询、分析、展现当前和历史上SCR出口NO X浓度分布的均匀程度、各区脱销效率等指标，有利于展开催化剂寿命分析。

（3）脱销优化智能控制策略实现

基于SCR各喷氨小室“NO X/NH3等摩尔比优化喷氨”的理念，研制SCR喷氨格栅门的最优算法。“SCR AIG实时智能喷氨系统”根据“实时场论优化”思想，采用冗余的先进控制算法，应用多测点的优势，思想内置前馈优化控制，可根据SCR的 NOX的浓度场分布均衡性情况自动优化调整AIG阀门，收敛、控制NOX的浓度场分布均衡性。最终实现SCR系统的智能、精细控制，在保证NO X排放的前提下实现脱销效率、氨和催化剂消耗量间的效益最大化。

4　效益分析

（1）环境和社会效益

系统实施后有利于确保NOX对周边环境的超低排放，这样既有利于改善电厂和周边区域环境质量，有利于维护与周围居民的和谐友好关系。

（2）经济效益

根据理论计算，当SCR的脱硝效率在90%左右，SCR出口保证不大于50mg/Nm 3，SCR出口NO X分布的相对偏差每下降10%（按10个小区为计算单元），最大节省5%左右的氨用量。

根据国外相关机构的研究数据表明，实现“优化等摩尔比”喷氨后，预计可延长催化剂使用年限5%左右，按一层催化剂费用1500万元（包含拆装人工费）、每4~5年三层催化剂更换一遍计算，每年约节省催化剂费用约60万元。

另外，系统运行后将有效降低NH3逃逸量，可提高空预器效率，降低排烟温度和维护成本，减少机组因空预器堵塞引起的机组非停几率，提高机组可靠性，这几项少说也有60万/年的收益左右。

综上分析可发现，方案实施后经济效益将大大提升。

5　结语

和利时SCR智能脱硝优化解决方案不仅实现了低氮燃烧和脱硝控制的协调优化，满足环保要求实现低NOX排放，提高SCR出口脱硝控制品质，降低氨逃逸率，提高设备运行可靠性及运行经济性；同时还可以在同类发电企业进行应用推广，具有极强的推广价值，从而有助于提升所有燃煤发电企业的环保设施运行水平。

摘自《自动化博览》2019年9月刊