闫修峰，何修年

（华电邹县发电有限公司，山东 济宁 273513）

0 引言

近年来，为实现电厂超低排放，脱硝系统催化剂出口NOx/NH 3混合不均匀、各分区喷氨量不能实现智能控制等问题日趋突出，本文是基于当前脱硝超低改造及运行现状，为了实现脱硝系统的优化运行，而开展的课题研究。

本课题主要研究内容有：

（1）研究百万机组大截面烟道气体浓度分布在线精准测量技术。研究脱硝出口NOx、入口CO的精确测量技术，实时监测脱硝入口CO和脱硝出口NOx浓度，有效地反映脱硝系统喷氨和炉膛燃烧情况。

（2）基于数据驱动的喷氨精准分区运行优化。研究脱硝出口网格法分区测量技术，掌握喷氨分门开度与出口NOx变化对应关系，结合人工调平数据积累、数模分析，确定喷氨分门分区改造方式并控制分区喷氨量。确保空间上氨氮比均匀，无局部喷氨过量和喷氨不足，定期喷氨调平校验控制模型的准确度。

1 喷氨运行优化技术的研究应用

1.1 喷氨运行优化技术研究进展

国内外学者对喷氨运行优化技术已经有广泛的研究。西安热工院侯玉婷等人以某350MW机组脱硝系统为研究对象，采用神经网络结构，通过辅助变量递推最小二乘法优化氨氮摩尔比来控制喷氨量，改善系统静态性能及动态性能[1]。西安热工院黄飞等人以国内某1000MW机组为例，采用流场分析方法提出了双母管供氨系统的优化建议，通过供氨系统的改造实现了系统品质的提升，对塔式炉单母管供氨系统的优化改造具有重要的指导意义[2]。华北电力大学潘岩针对燃煤火电厂的脱硝系统设计了网格法喷氨优化分区改造方案；基于脱硝原理建立了传递函数模型；以总阀和支管调节阀为基础的并行控制策略；参考受限玻尔兹曼机结构设计了深度结构控制方案和深度控制方案，以实现脱硝系统的整体优化及系统控制品质的改善[3]。

1.2 喷氨运行优化技术应用实践

SCR脱硝系统重要参数控制是为了保障脱硝效率和避免氨的逃逸量超限现象发生，烟道中的氨在和NOx的反应中充当还原剂，它们在进入脱硝反应器前需要先进行整体混合，其混合过程是影响脱硝效果的重要因素，因此建立适合的流场模型在脱硝系统实际运行过程中有重要的地位，这也是SCR脱硝系统建模重要的研究对象。文献［4］首先根据目前火电厂百万机组喷氨子系统百万数量级网格流场分布情况建立了多种条件下的静态流体模型，对现场实际运行数据进行了数值模拟研究，并提出喷氨支管手动式阀门测量的优化措施，并在相同测量点上进行多种相同深度的测量值，验证了它们对于喷氨优化的策略理论性与实际指导性。文献［5］基于数值模拟法，将优化还原剂浓度场作为重点考虑因素，以喷氨格栅和导流板等装置对脱硝烟气流程的影响为课题进行了深入探究，提出增设整流格栅和混合器等方式有利于提高脱硝系统整体运行水平。文献［6］针对SCR脱硝系统中喷氨量的优化调节问题，在原有PID控制系统的基础上，援用基于支持向量机（SVM）模型的喷氨量补偿器，对喷氨量进行补偿，从而在实现喷氨量优化控制的同时使脱硝系统出口NOx浓度稳定在设定值，具有重要的工程应用价值。

2 喷氨运行优化技术的应用

2.1 邹县电厂现状

华电国际电力股份有限公司邹县发电厂1000MW机组投产于2007年7月，目前已服役13年，脱硝系统入口的烟气流场存在偏差，喷氨格栅系统的喷氨均匀性及调节性能也较弱，造成催化剂出口氮氧化物和氨浓度场不均匀的现象，也有部分区域氮氧化物含量低而氨逃逸量大或部分区域氨逃逸较少但氮氧化物含量较高的现象。其次，当机组负荷或磨组发生变化时，SCR入口NOx分布状态通常相应改变，某个特定工况下达到较好匹配状态的喷氨手动调门开度很难满足各个工况下系统对各分区喷氨量的需求，影响系统总体的脱硝效果。近年来，为实现超低排放，脱硝设施上述问题更加突出，针对邹县电厂当前脱硝超低改造及运行现状设计脱硝系统运行优化系统。

2.2 系统功能设计

（1）燃尽风优化指导。锅炉主燃烧区上方设计燃尽风（含附加风）的目的主要有两个：一是促进飞灰可燃物的燃尽；二是控制锅炉尾部烟气中的氮氧化物含量。所以在不同运行工况下，燃尽风风率的大小对锅炉燃烧效率与低氮排放具有重要影响。

根据影响锅炉燃烧特性的各种因素，选择机组负荷、煤质参数、磨机组合、给煤量、磨机入口风量、二次风门及燃尽风门挡板开度、氧量等数据作为燃尽风优化模型的输入参数，采用神经网络算法建立燃尽风优化模型，模型的输出参数为锅炉热效率和NOx排放量，具体模型的结构如图1所示。

图1 燃尽风优化模型结构

根据模型输出结果，合理平衡锅炉热效率和NOx排放量之间的关系，在保证不对锅炉燃烧稳定性和换热设备造成不良影响的前提下降低NOx生成量。

（2）脱硝入口NOx浓度预测。为克服NOx仪表反应迟缓、控制系统调节滞后的问题，脱硝系统运行优化系统通过大数据（包含燃烧方式、运行参数、燃用煤种等多种因素）建立脱硝预测模型，实现对锅炉燃烧数据的分析，完成对脱硝入口NOx和烟气流量的预测，预估NOx的变化趋势，并将该信息应用到自动控制系统，设置外挂或嵌入式智能控制系统，进行提前调节，对SCR脱硝系统的重要影响参数进行动态补偿，通过辨识干扰模型，增加负荷、煤质等智能前馈，提高喷氨的精确性及快速性，减少出口NOx波动幅度。

脱硝系统控制的影响因素包括：氧量、给煤量、风量、喷氨量、负荷、磨机启停等参数。

图2、图3为某600MW机组的入口NOx预测值与真实值的对比图，其R2约为0.93，模型可靠性和准确度非常高。

图2 NOx预测值与真实值对比-1

图3 NOx预测值与真实值对比-2

（3）脱硝出口NOx浓度预测。根据机组在线脱硝入口氮氧化物浓度、烟气流量、烟温、喷氨量、催化剂运行时间等参数数据，建立基于神经网络的NOx排放测点预测模型，实时获取当前运行工况下的NOx排放浓度，并将其作为脱硝喷氨控制系统的前馈输入信号调节喷氨量，提高控制系统的响应速度，消除脱硝系统控制滞后性，实现脱硝系统的精细控制，降低系统波动稳定运行，降低不必要的氨耗量。

（4）流场数值模拟。将烟气流道、喷氨装置、引导流气装置、烟气和氨的混合装置及整流装置等统一为单个系统，搭建合适的流场模型，进行数值模拟，保证整个系统中不同区域的烟气分布均匀。（比例为1:10）。

在对计算模型进行模拟计算时，为了计算时间更短计算精度更高选择合适的数学模型至关重要。大型的煤炭燃烧发电站的脱硝过程比较复杂，在其烟道中包含有烟气和粉尘颗粒以及还原剂等其他物质，故在对其烟道流场进行模拟时并不是仅仅只有气体流场，其涉及到气体流动、气固两相混合流动、热传导等方面。

数值模拟过程中用到的数学模型如下：

①气相湍流模型。

②多孔介质模型。

③物质输运模型。

图4 SCR系统流线图

图5 SCR压力分布

氨气流线分布云图如图6所示，氨氮摩尔比为35%远远大于规范要求的5%，因此需要进行喷氨性能优化，降低氨逃逸及提高脱硝效率。

图6 氨氮摩尔比分析

（5）喷氨总量动态控制优化。在喷氨总量控制方面，其控制难点是由于NOx测量的滞后以及对烟气流量预测的准确度等因素。

采用神经网络来优化SCR脱硝过程中的喷氨总量，解决测量仪表滞后问题，精准调整喷氨总量，稳定排放指标。影响喷氨自动控制的因素主要有负荷、锅炉氧量、总风量、燃料量、反应器入口/出口NOx含量、烟囱入口NOx含量、喷氨流量、供氨压力、磨煤机启停操作等一系列测点，这些测点直接或间接影响喷氨自动调节的结果。喷氨总量动态控制优化系统设计了自适应内模调节和超前相位补偿功能，达到氮氧化物脱除快速稳定的控制效果；设计了吹扫自闭环功能，达到氮氧化物脱除全过程无遗漏的控制效果；最终使喷氨总量控制系统可以在复杂多变的运行工况下满足环保及机组运行要求。

闭环控制通过在安全一区外挂或嵌入式实现。

喷氨总量控制单元主要由外挂或嵌入式智能控制系统和大数据分析算法组成。外挂或嵌入式智能控制系统是动态控制系统的重心，大数据分析算法是喷氨总量控制单元强有力的支撑。具体功能为：

（1）氮氧化物生成量预测功能，依照燃烧原理，利用RBF神经网络对烟囱进口氮氧化物含量实时地预测，克服了入口测量仪表数据滞后的困难。

（2）自适应内模调节和超前相位补偿功能，解决了监测指标的滞后及非线性等问题，达到氮氧化物脱除快速稳定的控制效果。

（3）吹扫闭环功能，完成吹扫工况下各指标的无干扰预测，达到氮氧化物脱除全过程无遗漏的控制效果。

大数据分析算法的预测结果主要用于通过辅助喷氨优化控制系统对喷氨流量进行调节。喷氨总量控制系统采用神经网络搭建预测控制模型，采用多种SCR脱硝系统控制的影响因素，作为神经网络输入量，建立了炉膛燃烧中氮氧化物产生总量预估模型，实现了全负荷范围内炉膛氮氧化物产生总量的及时预估，为喷氨优化控制系统提供了精确的前馈信息，克服了复杂的燃烧系统不能快速、精确地预测氮氧化物含量的难点，在很大程度上降低了喷氨量，减少了氨逃逸现象[7]。

总量系统实施后，可根据情况在原有系统与新实施系统之间实现无扰切换，在自动切换过程中或系统发生故障时，不会发生控制参数突变现象，不对原有控制系统产生影响，不会影响机组运行状态及其他控制系统工作。

2.3 关键技术

（1）动态神经网络预测控制。系统根据GGAP-RBF中增减神经元的思路，通过输出敏感度法来构建合适的隐含层神经元，构造出动态结构的RBF神经网络控制器。系统采用动态神经网络来优化脱硝过程中的喷氨量，建立起出口NOx浓度与脱硝效率有关状态量的网络结构模型，以NOx排放量最小为训练信号，解决了系统波动负荷下的非线性和时变性的问题，预测脱硝装置的喷氨量，以达到喷氨量的最优控制。

基于传统的PID控制器，援用敏感度法动态RBF神经网络控制器，综合学习体现烟气状态的核心指标，根据敏感度学习算法来明确隐含层结构，解决了系统非线性和延迟性的难题，整体改善脱硝系统效果和不同条件下运行的快速调节能力，降低氨逃逸现象发生率。

其中，RBF预测控制器是系统的主控制器，原有PID控制器是干扰作用，其输出的干扰数据传递至系统的主控制器，作为干扰补偿，用来改善对系统稳定状态控制的精度。SA-RBF预测控制器首先通过综合分析学习了与脱硝效率相关的重要状态量数据，该模型的训练目标是为了最大程度的减小烟气进出口氮氧化物浓度和设定值之间的偏差，计算最优喷氨量。

将流场模拟、神经网络预测的计算结果作为喷氨控制系统的输入信号，将全流程关联分析结果作为喷氨控制系统的前馈预警信号，根据烟气量分布情况自动调节对应位置的喷氨格栅阀门开度，实现自动精准喷氨。

由于SCR脱硝系统监测指标（喷氨量到烟囱入口处氮氧化物含量）的响应纯滞后时间约为3min，整个响应过程达十几分钟，是典型的大延迟监测指标。带有前置反馈回路的分区串级控制系统已实现分区精细化控制，但为达到更精准控制喷氨量的目标，并使得烟囱出口氮氧化物浓度满足环保考核范围，根据环保考核要求，设计了一种基于预测和控制的优化方案。选择烟囱入口氮氧化物含量作为最终控制指标，也就是调整总喷氨量。左右两个烟道需要的喷氨流量取决于烟道两侧脱硝塔出口分区氮氧化物测量浓度的加权平均值。该预测和控制系统采用了神经网络系统在线辨识的策略，将喷氨流量、燃煤量、烟气流量作为系统的输入数据，输出数据为反应器出口氮氧化物含量，经过神经网络算法在线辨识，分辨出输出数据和输入数据之间的逻辑关系，根据当前喷氨量预测出口氮氧化物含量，提前进行相应的操作，保证烟囱出口NOx浓度达标[8]。

（2）CFD流场模拟技术。

①几何模型及简化假设

CFD流场模拟的研究模型如图8所示。

图8 CFD流场模拟几何模型

起始计算位置设置在省煤器出口，通过对模拟结果进行对比分析，给出精准喷氨的措施。

SCR脱硝过程复杂，为降低物理过程的复杂程度，做出如下假设：

1.将热烟气视为不可压缩理想气体。

2.实际系统漏风较小，因此不考虑系统的漏风。3.流动是定常流动。

②网格划分

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量是CFD计算精度和计算效率的重要影响因素，生成网格过程如下：

1.建立几何模型，在此过程中根据计算需要对几何模型进行适当的简化。

2.划分网格时，结构较为简单的网格划分时采用六面体网格划分为主；结构复杂的网格划分时采用四面体网格划分为主。根据此模型结构喷氨格栅及整流格栅区域采用四面体网格划分，省煤器及催化剂多孔介质区域采用六面体网格划分，系统整体采用混合网格划分。

3.指定边界区域，为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。

脱硝系统模型的网格划分结果如图9所示。

图9 脱硝系统模型网格划分

（3）数值计算采用的理论模型。数值计算中，根据不同装置内的流体流动特性，需选用不同的湍流计算模型。对于SCR装置，因为烟气流线基本无旋流，需采用标准湍流模型模拟气相湍流输送。压力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。大型电站锅炉中SCR烟气脱硝过程是十分复杂的，它涉及到烟气、飞灰颗粒及还原剂的气相湍流流动、气固两相流动、传热传质及流动混合等过程。

（1）气相湍流模型

连续性方程：

X方向的动量方程：

Y方向上的动量方程：

Z方向上的动量方程：

K方程：

ε方程：

其中，湍流产生项G k：

以上微分方程，可以写成以下的通用形式：

方程（1）－（6）可以表示成统一的输运方程形式：

其中，公式左边为对流项，公式右边为扩散项+源项。

（2）物质输运模型。由于SCR反应过程中的主要流动介质是烟气和NH3，直接影响到考虑在流动过程中各种物质之间的混合程度，因此系统采用了混合物的物质输运模型来进行模拟。通过对数据进行求解描述混合物中各种组成物质之间的对流、扩散和反应源之间的守恒方程式来模拟物质混合、输运过程，用来模拟多种同期发生的化学反应情况。

求解化学物质的守恒方程时，通过第i种物质的对流扩散方程计算各种物质质量分数Yi的守恒方程为：

当一个系统中出现n种物质时，需要求解n-1个同类型方程。因为质量分数的总和始终是1，第n种物质的分数可以用1减n-1个已知的质量分数来计算。为了尽可能地使得数据误差达到最小，第n种物质尽量选用质量分数最高的物质。

（3）多孔介质模型。对于催化剂，其结构复杂，孔数较多，为了降低计算量，将其看作多孔介质进行模拟。其压降损失模拟公式如下：

2.4 标准偏差的定义及计算

所谓偏差系数，就是SCR反应器内各截面处速度或浓度的标准偏差占该截面速度或浓度平均值的百分量，主要考察为首层催化剂上面同一横截面上偏差值，偏差系数计算方法如下：

其中：

式中，C v—标准偏差系数；σ—标准偏差；—平均值。

在进行数值模拟计算时，一般常用锅炉最大连续运行工况时，SCR反应器内第一层催化剂上面的速度及NH3浓度分布等偏差（Cv值）是否达到标准来考核系统性能的优劣。

3 结语

脱硝系统喷氨运行优化技术可以在满足环保排放要求的前提下，对脱硝系统运营方式进行指导和智能控制，实现优化喷氨，从而系统性的降低运维生产成本。并对设备健康状况进行跟踪和分析，通过总结历史检修经验及设备劣化趋势，提前预判设备故障，指导检修人员开展状态检修，降低设备非停带来的经济损失，提高脱硝投运率。通过信息系统智能化手段提高脱硝系统及电厂整体管理水平，实现卓越运营。