南京科遠智慧科技集團股份有限公司自主研發(fā)的SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，在寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司（以下簡稱：寧東電廠）660MW機組建設投運以來，解決了超低排放帶來的噴氨不均、空預器堵塞等問題，效果顯著。

直接經(jīng)濟效益：按液氨單價2200元/噸計，節(jié)氨量為150噸/年，節(jié)氨效益為33萬元/年；按空預器阻力下降500Pa計，三大風機電耗約下降約500kW；機組年利用小時數(shù)約4000h，每年節(jié)約用電量約200萬kW·h；上網(wǎng)電價為0.3元/kW·h，節(jié)電效益約為60萬元/年。共創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益93萬元/年。

除直接經(jīng)濟效益外，投運SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)還可保持空預器換熱元件清潔以降低運行排煙溫度；避免過量噴氨以延長脫硝催化劑壽命；延緩甚至消除空預器堵塞問題以延長蓄熱元件壽命；減少蒸汽吹灰的消耗量；節(jié)省噴氨試驗調(diào)整委托費用；節(jié)省蓄熱元件高壓水沖洗委托費用等。

1　項目概述

寧東電廠一期為2×660MW燃煤汽輪發(fā)電空冷機組，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈加垂直管直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型、室內(nèi)布置燃煤鍋爐。

機組脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原（SCR）工藝，脫硝效率按入口NO_x濃度為600mg/Nm³、脫硝效率70%設計，催化劑采用1+1層布置，初裝催化劑采用板式催化劑。為滿足超低排放標準，寧東電廠又增加了一層催化劑并進行了催化劑加高處理，采用兩層催化劑同時運行，設計入口NO_x濃度≯400mg/Nm³，設計脫硝效率87.5%，出口NO_x濃度≯50mg/Nm³。反應器采用高塵布置工藝，即反應器布置在鍋爐省煤器出口與空預器之間。每套脫硝系統(tǒng)設置兩個反應器，每個反應器內(nèi)的每層催化劑模塊數(shù)為88塊。SCR控制系統(tǒng)接入機組DCS系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)采用聲波吹灰方式，吹灰器裝在每個催化劑層的上方。兩臺機組脫硝系統(tǒng)共用一套液氨儲存與供應系統(tǒng)。

寧東電廠#2機組于2018年5月利用大修機會，安裝南京科遠SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，主要在脫硝裝置進口噴氨格柵前、出口增加NO_x/O₂濃度分布巡測裝置，對原脫硝裝置噴氨管路進行四分區(qū)改造，并增加一套外掛控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)能夠獨立運行，對原DCS系統(tǒng)沒有任何影響。運用此套控制系統(tǒng)后，效果顯著。

2　技術介紹

SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，單側(cè)反應器采用“四分區(qū)/四點測量”設計。主要包括三個模塊： SCR進口、出口NO_x/O₂濃度巡測模塊（模塊一）、分區(qū)噴氨管路模塊（模塊二）和控制模塊（模塊三）。其中，模塊一獲取SCR進、出口的NO_x濃度分布和O₂濃度分布，分別反映噴氨均勻性效果以及低氮燃燒效果，進而確定各分區(qū)噴氨偏差調(diào)節(jié)目標值，作為噴氨優(yōu)化控制的主信號；模塊二的核心是構(gòu)建“噴氨總閥+分區(qū)調(diào)平閥（氣動）+支管調(diào)節(jié)閥”的三級串聯(lián)調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊，另除監(jiān)測噴氨總量外，還實現(xiàn)分區(qū)噴氨流量的監(jiān)測，即在分區(qū)調(diào)平閥上游增設分區(qū)氨空流量計，作為分區(qū)調(diào)平閥的實時閉環(huán)調(diào)節(jié)信號；模塊三包括整個控制系統(tǒng)的軟、硬件。此外，為保證分區(qū)噴氨改造效果，本次改造同步實施脫硝流場的優(yōu)化改造。

模塊一：SCR進口、出口NO_x/O₂濃度巡測模塊

SCR進口、出口NO_x/O₂濃度巡測模塊分別安裝于每側(cè)SCR進口、出口水平煙道與空預器進口之間，沿煙道寬度方向單側(cè)布置4根多點取樣槍，多點取樣槍采用DN150的鋼管制作，迎風面加裝防磨角鋼，背風面沿鋼管軸線均勻開設6個φ20的取樣孔，為保證多點取樣槍內(nèi)不積灰，多點取樣槍豎直布置；多點取樣槍實現(xiàn)在脫硝裝置縱深方向取樣，一端封閉，另一端接至煙道外部，經(jīng)DN50的不銹鋼取樣支管匯集至取樣切換裝置，再進入DN150的不銹鋼取樣母管，取樣母管接至空預器出口負壓煙道，進口利用脫硝裝置和空預器的壓差、出口利用空預器壓差實現(xiàn)自流（相當于建立空預器的煙道小旁路）；取樣切換裝置用于控制各取樣支管的通斷，核心部件是適用于高溫、粉塵環(huán)境的偏心閥體；在取樣母管上裝設有NO_x/O₂快速分析儀（儀表自身響應時間不超過2s），并配套煙氣預處理裝置，與取樣母管直接相連。

模塊二：分區(qū)噴氨管路模塊

分區(qū)噴氨管路模塊，將原噴氨母管均勻的虛擬分割成4段分區(qū)母管，同時增設一根公徑更大的噴氨母管，以減小各分區(qū)噴氨流量調(diào)節(jié)的耦合性；在每根分區(qū)母管下游連接一組原支管手動調(diào)節(jié)閥，上游增設分區(qū)支管，在分區(qū)支管上安裝分區(qū)調(diào)平閥和分區(qū)氨空流量計，分區(qū)氨空流量計選用適用于在低流速、直管段短、流體介質(zhì)易冷凝的環(huán)境的熱式質(zhì)量流量計。

模塊三：控制模塊

控制模塊作為脫硝分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)的大腦，保證SCR出口NO_x/O₂濃度巡測模塊和分區(qū)噴氨管路模塊協(xié)調(diào)工作。控制模塊以分散控制系統(tǒng)為硬件平臺搭建，作為原DCS的外掛系統(tǒng)，與原DCS實時通訊，從而構(gòu)建完整的脫硝分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)。

本工程重點實現(xiàn)分區(qū)噴氨的功能，分區(qū)調(diào)平閥的控制邏輯為：根據(jù)模塊一分區(qū)巡測結(jié)果及內(nèi)置智能算法得出分區(qū)濃度偏差，作為分區(qū)調(diào)平閥調(diào)節(jié)目標值，然后對分區(qū)調(diào)平閥開度進行調(diào)整，同時監(jiān)測調(diào)整區(qū)域的氨流量變化，將氨流量變化百分比作為分區(qū)調(diào)平閥控制的反饋量，當氨流量變化百分比與NO_x濃度偏差百分比一致時，確定完成分區(qū)調(diào)平工作。

需要補充說明的是，配置分區(qū)氨流量監(jiān)測，有助于提高分區(qū)噴氨控制的品質(zhì)，具體體現(xiàn)在：（1）調(diào)節(jié)某一分區(qū)的分區(qū)調(diào)平閥時，整個噴氨管路的流量分配特性改變，其他分區(qū)調(diào)平閥不動作，但分區(qū)氨流量會改變，實現(xiàn)分區(qū)氨流量監(jiān)測后，可通過控制策略自動平衡調(diào)節(jié)分區(qū)調(diào)平閥，保證相應分區(qū)氨流量保持為目標值；（2）各分區(qū)增加或減少噴氨量后，SCR出口NO_x濃度并不會立即改變，加之測量系統(tǒng)存在遲滯，SCR出口監(jiān)測的NO_x濃度分布值的總遲滯時間長達5min以上，不適合作為分區(qū)調(diào)平閥閉環(huán)調(diào)節(jié)信號，而分區(qū)氨流量測量的實時性能彌補其不足。

3　效果分析

3.1　節(jié)約噴氨量效果

從原有SIS和DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫中選取改造前兩個月的相關數(shù)據(jù)、改造后SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運兩個月的相關數(shù)據(jù)進行對比分析，主要選取的參數(shù)有機組負荷、SCR兩側(cè)噴氨量、煙囪入口NO_x濃度，主要參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 SCR分區(qū)噴氨改造前后相關參數(shù)對比

注：表1中，平均脫除NO_x濃度=SCR入口兩側(cè)平均NO_x濃度-煙囪入口NO_x濃度。

由表1可以看出：SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)改造前兩個月內(nèi)，機組平均負荷為501.5MW，平均脫除NO_x濃度為284.1mg/Nm³，對應的兩側(cè)平均噴氨量為104.5kg/h；改造后系統(tǒng)投運兩個月內(nèi)，機組平均負荷為501.7MW，平均脫除NO_x濃度為272.4mg/Nm³，對應的兩側(cè)平均噴氨量為92.8kg/h，改造后機組負荷一致的情況下，平均脫除NO_x濃度下降約4.1%，而總噴氨量下降約11.2%，換算到平均脫除NO_x濃度相同的情況下，能節(jié)約總噴氨量7.1%。

3.2　SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后空預器阻力狀況對比分析

本系統(tǒng)自2018年5月份大修期間安裝，2018年7月23日機組啟機時同步投運分區(qū)測量系統(tǒng)，2018年8年月底至9月初進行熱態(tài)調(diào)試，對原噴氨支管手動閥進行調(diào)整，后于2018年9月10日投運控制系統(tǒng)，為分析系統(tǒng)投運效果，特選取系統(tǒng)機組大修后機組運行100天的空預器阻力數(shù)據(jù)進行分析（其中分區(qū)噴氨系統(tǒng)投運時間約50天），如圖1所示。

圖1 機組大修后投運100天空預器阻力數(shù)據(jù)趨勢圖

可以看出：

（1）SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前，機組平均負荷為510MW時，兩側(cè)空預器阻力平均值為1.073kPa，且兩側(cè)空預器阻力偏差約300Pa（21側(cè)空預器阻力高于22側(cè)空預器阻力）。

（ 2 ） SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運后，機組平均負荷為510MW時兩側(cè)空預器阻力平均值為1.019kPa，比系統(tǒng)投運前下降54Pa；兩側(cè)空預器阻力偏差僅為50Pa，比系統(tǒng)投運前下降250Pa。

3.3　SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后SCR出口與煙囪入口NO_x濃度對比分析

為觀察SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后SCR出口NO_x濃度與煙囪入口NOx濃度狀況，選取SCR出口兩側(cè)NO_x濃度、煙囪入口NO_x濃度變化趨勢，如圖2所示。可以看出：SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運后，SCR出口兩側(cè)NO_x濃度及煙囪入口NO_x濃度波動范圍明顯變小，由此也可以說明SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運后，可以使SCR出口兩側(cè)NOx濃度及煙囪入口NOx濃度控制的更為穩(wěn)定。

圖2 機組大修后投運100天SCR出口兩側(cè)NOx濃度、煙囪出口NOx濃度趨勢圖

3.4　SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后SCR出口NO_x濃度分布不均勻系數(shù)分析

圖3為SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后SCR出口NOx濃度分布不均勻系數(shù)變化趨勢圖。可以看出：SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)切除后，SCR出口NO_x濃度分布不均勻系數(shù)明顯增加高于系統(tǒng)投運時的不均勻系數(shù)。同時通過圖3可以斷定，機組工況（如負荷等）發(fā)生變化時，SCR出口NO_x濃度分布狀況會發(fā)生改變，因此增加SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)是很有必要的。

圖3 SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運前后SCR出口NO_x濃度分布不均勻系數(shù)

3.5　新增雙通道NO_x快速測量分析儀響應時間分析

圖4為機組分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)新增NO_x快速測量分析儀與原SCR出口CEMS系統(tǒng)NO_x濃度變化趨勢對比圖。

圖4 新增NO_x快速分析儀與原CEMS系統(tǒng)NO_x濃度變化趨勢對比圖

注：圖中分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)新增NO_x快速測量分析儀數(shù)據(jù)是經(jīng)Testo350標定過的數(shù)據(jù)。

可以看出：（1）新增雙通道NO_x快速測量分析儀響應時間較快，比傳統(tǒng)CEMS分析儀響應時間快40~60s；（2）雙通道NO_x快速測量分析儀與CEMS測量分析儀測量結(jié)果基本一致，儀表可靠性比較高。

摘自《自動化博覽》2020年9月刊