選擇性催化還原(ive catalytic reduction, SCR)煙氣流場和NOx濃度分布不均勻，導(dǎo)致現(xiàn)有NOx在線監(jiān)測系統(tǒng)單點測量結(jié)果代表性差和多點混合測量結(jié)果無法滿足噴氛的分區(qū)調(diào)整控制，且難以為精準噴氨提供:可靠的數(shù)據(jù)支持，極大制約SCR在線優(yōu)化水平的提高，為此研發(fā)了煙氣NO濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)。首先依據(jù)噴氨區(qū)布置由多組網(wǎng)格化取樣探頭組成的取樣分區(qū)，以巡回檢測的方式實現(xiàn)SCR出口雙側(cè)煙道全截面的NO濃度分布在線監(jiān)測;繼而同步得到各測點截面NO與O2混合濃度值、截面濃度相對標準偏差、濃度分布云圖及NO, O2, CO濃度側(cè)量值等信息;最后將該系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)應(yīng)用于SCR運行在線優(yōu)化，而且結(jié)合噴氨調(diào)節(jié)閥的自動控制，進一步實現(xiàn)噴氨的動態(tài)分區(qū)智能控制，提升SCR運行在線優(yōu)化水平，嚴格控制氛逃逸，降低空預(yù)器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險。該系統(tǒng)已在某電廠700 MW機組上進行成功應(yīng)用。
氮氧化物是主要的大氣污染物之一，其大量排放加劇了酸雨、光化學(xué)煙霧、區(qū)域細粒子危害以及灰霾等污染的形成，對人類的健康和生存造成了極大的危害。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國發(fā)電裝機容量為1. 77703 TW，其中火電裝機容量為1. 10604TW，占總裝機容量的62. 24%。火電仍舊是我國電力供應(yīng)的主要形式和大氣污染物的主要排放來源，是實施主要污染物總量控制的重點領(lǐng)域之一。國家發(fā)改委、環(huán)保部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，明確提出東部地區(qū)新建燃煤機組的大氣污染物排放濃度基本達到燃氣機組排放限值，其中氮氧化物排放濃度(指質(zhì)量濃度，下同)不高于50 mg/m3。近年來部分地方提出了更高的排放標準，北京市《鍋爐大氣污染物排放標準》(DB 11/139-2015)和鄭州市《2017年大氣污染防治攻堅行動方案》均要求新建鍋爐NOx二排放低于30 mg/m3。陜西環(huán)保廳要求省內(nèi)西安、寶雞等五市的燃氣鍋爐進行低氮排放改造，保證NOx二排放低于30 mg/m3?！渡钲谑写髿赓|(zhì)量環(huán)境提升計劃(2017-2020 )》要求新建燃氣發(fā)電機組配套低氮燃燒器及選擇性催化還原(ive catalytic reduction, SCR)脫硝設(shè)備，將NOx二排放控制在15 mg/m3以下，2020年底前全市現(xiàn)有燃氣發(fā)電機組通過低氮燃燒器或SCR改造，將E級和F級發(fā)電機組NOx二排放分別控制在25mg/m3和15 mg/m3以下。綜上所述，為持續(xù)實施大氣污染防治行動，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，我國將會在堅持源頭防治的基礎(chǔ)上不斷提高污染物排放標準。
脫硝系統(tǒng)超低排放改造是目前燃煤電廠嚴格控制NOx二排放的主要措施，其主要集中于增加催化劑層數(shù)、低氮燃燒器改造、煙道流場優(yōu)化以及噴氨調(diào)整等方面。國內(nèi)多數(shù)燃煤企業(yè)已通過完成低氮燃燒器改造來降低NOx二生成量而脫硝系統(tǒng)超低排放改造主要選擇裝填備用層催化劑提高脫硝系統(tǒng)效率的方案來滿足NOx二排放環(huán)保標準要求;但簡單地通過增加催化劑用量提效后，會造成脫硝出口NOx二濃度分布不均勻、局部逃逸氨濃度超過設(shè)計值和空氣預(yù)熱器堵塞嚴重等問題，需要進行脫硝診斷優(yōu)化試驗，依據(jù)實際情形進行流場和噴氨優(yōu)化調(diào)整。由于運行工況的復(fù)雜變化，離線的脫硝診斷優(yōu)化調(diào)整的時效性難以長時間保持。上述脫硝系統(tǒng)超低排放改造的重點放在了提高脫硝效率和達標排放上，而忽略了脫硝自動調(diào)節(jié)控制品質(zhì)對SCR脫硝系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的影響。諸多學(xué)者對脫硝自動調(diào)節(jié)控制、提升SCR在線優(yōu)化水平做了相關(guān)研究工作，通過對噴氨均衡優(yōu)化自動控制，有效減少企業(yè)氨耗量，節(jié)省機組運行電耗，降低空氣預(yù)熱器堵塞風險，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益。SCR脫硝自動調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵在于獲得代表性強的SCR出口NOx二濃度分布結(jié)果，通過結(jié)合鍋爐運行的主要參數(shù)，有效指導(dǎo)各分區(qū)噴氨調(diào)整優(yōu)化。但現(xiàn)有的NOx二在線監(jiān)測系統(tǒng)大多是采用單點或者多點取樣混合之后的測量模式，尤其是煙道截面尺寸較大時，NOx二濃度分布較為不均勻，單點測量結(jié)果代表性差，多點混合測量結(jié)果無法滿足噴氨的分區(qū)調(diào)整控制和無法實現(xiàn)基于NOx二濃度分布的精細化噴氨調(diào)整。
因此，本文以滿足動態(tài)的噴氨分區(qū)調(diào)整和SCR運行在線優(yōu)化需求為目標，研發(fā)SCR出口煙氣NOx二濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在燃煤電廠進行應(yīng)用示范。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以顯著提升SCR運行在線優(yōu)化水平，為企業(yè)建立控制和降低氨逃逸、空預(yù)器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險的有效解決方案，提供重要的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐。
1系統(tǒng)總體設(shè)計
由于SCR煙道是高溫、高濕、高粉塵的測量環(huán)境，煙道原位測量方式存在穩(wěn)定性差、可靠性低等問題。因此，本系統(tǒng)采用煙氣取樣、預(yù)處理、再測量的方式;同時為了解決現(xiàn)有NOx二在線監(jiān)測系統(tǒng)單點測量結(jié)果代表性差和多點混合測量結(jié)果無法滿足噴氨的分區(qū)調(diào)整控制的問題，本系統(tǒng)依據(jù)噴氨分區(qū)分布特點在A側(cè)和B側(cè)煙道各劃分為5個取樣分區(qū)，每個取樣分區(qū)對應(yīng)有長度不同的3根高溫取樣探頭，共組成30路獨立的網(wǎng)格化取樣管路，有效保證系統(tǒng)所測量結(jié)果能夠表征SCR煙道內(nèi)NOx二濃度分布的真實情況。該系統(tǒng)主要由煙氣采樣、智能控制和煙氣濃度分析模塊等3個部分組成，如圖1所示。SCR出口待測煙氣在取樣泵作用下，進人網(wǎng)格化布置的高溫取樣探頭中，經(jīng)過取樣伴熱管線送人智能控制柜，由智能控制柜按照設(shè)定的邏輯控制模式，基于電磁閥控制切換至特定測量管路后，待測煙氣流人冷卻器冷卻，最后送往煙氣分析儀，剩余煙氣及分析廢氣排人煙道。通過全巡回(A側(cè)和B側(cè))檢測模式，在20 min內(nèi)依次獲得2個側(cè)煙道共30個測點的NO, O2, CO濃度，進而獲得煙道內(nèi)各氣體濃度全截面分布的時空信息;通過單巡回(A側(cè)或B側(cè))檢測模式，在10min內(nèi)依次獲得各煙道15個測點的NO, O2, CO濃度，進而獲得單側(cè)煙道內(nèi)各氣體濃度截面分布的時空信息;通過自定義檢測模式，可獲得所選測點NO, O2, CO濃度值。此外，單側(cè)煙道15路取樣煙氣通過匯流管混合后，由另一臺煙氣分析儀依次檢測獲得單側(cè)煙道的NO和O2混合濃度值。
圖1 NOx濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
2系統(tǒng)組成
2. 1煙氣采樣模塊
煙氣采樣模塊主要包括高溫采樣探頭和取樣伴熱管線，其中高溫采樣探頭布置如圖2所示，依據(jù)噴氨分區(qū)分布特點，對應(yīng)布置取樣分區(qū)。2個煙道各劃分5個取樣分區(qū)，A側(cè)和B側(cè)煙道共有10個取樣分區(qū)，在每一個取樣分區(qū)采用網(wǎng)格化取樣的方法，設(shè)置3個由固定支架支撐且表面有保護套管的高溫采樣探頭，深人煙道的長度分別為8. 5 m、5. 5 m和3. 1 m(分別記為a, b, c)，共組成30個獨立的網(wǎng)格化取樣點(分別由1a-10a、1b-10b、1 c-10c表示)。取樣伴熱管線采用電伴熱的方式保持管內(nèi)溫度控制在100~110℃，使得煙氣中的水分子保持蒸汽狀態(tài)，防止水結(jié)露與SO2生成酸。
圖2煙氣取樣探頭布置示意圖
2. 2智能巡回控制模塊
智能巡回控制模塊主要由PLC、繼電器、電磁閥和取樣管線等部件組成。其中智能控制柜中的取樣管線布置如圖3所示，圖3中1 a-10c為各取樣分區(qū)對應(yīng)的取樣管路，1A-30B為控制各管路通斷的電磁閥。待測煙氣通過取樣探頭取樣，由伴熱取樣管線輸送人智能控制柜中，之后在管路末端一分為二:一路通過電磁閥控制切換通向煙氣分析儀1，獲得各測點的NO, O2,CO濃度值;另一路流人各側(cè)煙氣對應(yīng)的匯流排中，每側(cè)巧路煙氣在匯流排中充分混合之后通向煙氣分析儀2，獲得各側(cè)煙道NO和O2混合濃度值。
通過上位機監(jiān)控界面選擇所需檢測模式，基于PLC控制器控制各路電磁閥的開閉，使得煙氣分析儀分析的氣體是所設(shè)定測量的某一測點取得的氣體或某一側(cè)煙道所有測點的混合氣體。各測點之間的巡回檢測時間間隔約30 s，實現(xiàn)了多點測量的近似同時性。巡回檢測模式有如下4種:
a)順序巡檢。設(shè)定順序巡檢，系統(tǒng)自動巡回測量A側(cè)和B側(cè)1-10取樣分區(qū)全部取樣點，即從1a測點開始，到10c測點結(jié)束，共測量30個測點NO, O2, CO濃度值，同時分別獲得A側(cè)和B側(cè)煙道各15路氣體NO和O2的混合濃度值。
b)A側(cè)巡檢。設(shè)定A側(cè)巡檢，系統(tǒng)只對A側(cè)煙道的15個測點巡回檢測，即從1a測點開始，到5c測點結(jié)束，共測量A側(cè)煙道15個測點NO,O2, CO濃度值，同時獲得A側(cè)煙道15路氣體NO和O2的混合濃度值。
c)B側(cè)巡檢。設(shè)定B側(cè)巡檢，系統(tǒng)只對B側(cè)煙道的15個測點巡回檢測，即從(a測點開始，到10c測點結(jié)束，共測量B側(cè)煙道15個測點NO,O2, CO濃度值，同時獲得>3側(cè)煙道15路氣體NO和O2的混合濃度值。
d)自定義巡檢。設(shè)定自定義巡檢，可以根據(jù)SCR脫硝系統(tǒng)運行需要，選擇單個或部分測量點及其巡回檢測順序，獲得所選測點NO,O2, CO濃度值和相對應(yīng)煙道NO和O2的混合濃度值。
2. 3煙氣分析檢測模塊
氣體濃度檢測模塊選用西門子公司的ULTRAMAT23(簡稱U23)氣體分析儀，以測量NO濃度為主，同步測量CO和O2濃度，為后續(xù)精細化噴氨和燃燒優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐。U23測量范圍分別是:NO為0~500 mg/m3;CO為0~5 000 mg/m3; O2為0一25%(體積分數(shù))。濃度測量線性誤差小于等于士1%滿量程;重復(fù)性小于等于士1%滿量程;穩(wěn)定性小于等于士1%滿量程。
圖3取樣管線布置示意圖
3系統(tǒng)應(yīng)用
3. 1應(yīng)用對象概況
廣東某電廠的700 MW火力發(fā)電機組，選用日本三菱重工生產(chǎn)MB-FRR型的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、倒U型全露天布置、高強度螺栓全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的控制循鍋爐。每臺鍋爐配備2個SCR脫硝反應(yīng)裝置，催化劑采用“2+1”模式布置，選用類型為蜂窩式催化劑，設(shè)計脫硝效率不低于80%,氨逃逸不大于3mg/m3。實際燃用煤質(zhì)特性見表1，其中Mar、Var、A ar 、FCar、Car 、Har、Oar、Nar和Sar分別為收到基全水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳、碳分、氫分、氧分、氮分和硫分。
表1煤質(zhì)特性數(shù)據(jù)
3. 2在線監(jiān)控
系統(tǒng)監(jiān)控主界面主要包括檢測模式控制設(shè)置、取樣探頭反吹控制設(shè)置和濃度監(jiān)測結(jié)果顯示等3個部分。在檢測模式控制設(shè)置中可實時設(shè)置檢測模式、測量等待時間等參數(shù)，其中測量模式有順序測量、A側(cè)或B側(cè)巡回以及自定義測量等，測量等待時間是指測點之間測量時間間隔。濃度監(jiān)測結(jié)果以表格和濃度云圖的方式實時顯示，運行人員可實時獲知煙道截面內(nèi)NO, O2, CO濃度分布情況。此外，還將顯示各側(cè)煙道的濃度相對標準偏差和NO和O2的煙道混合濃度值等信息，供運行人員根據(jù)巡回檢測結(jié)果手動或自動調(diào)整噴氨控制。
3. 2. 1濃度數(shù)據(jù)表格
表2和表3為某一巡回周期內(nèi)SCR出口煙道截面上NO(mg/m3), O2(%)和CO ( mg/m3)濃度檢測結(jié)果。其中該段時間內(nèi)，鍋爐負荷變化最大值為481. 89 M W、最小值為4(5. 7( MW、平均值為473. 84 MW、相對標準偏差為1. 38%，鍋爐負荷變化較為穩(wěn)定。可以看出，A側(cè)和B側(cè)的各氣體濃度相對標準偏差偏大，且A側(cè)小于B側(cè)，其中A側(cè)NO濃度相對標準偏差為32. 13%, NO濃度最大值為25 mg/m3、濃度最小值為11 mg/m3，煙道混合濃度值為15 mg/m3。B側(cè)NO濃度相對標準偏差為64. 68%，最大濃度為27 mg/m3、最小濃度為3 mg/m3，煙道混合濃度值為15 mg/m3.從本次巡回檢測結(jié)果來看，2個SCR煙道在該段時間內(nèi)NO濃度分布的均勻性較差，尤其5,和7號取樣分區(qū)的NO濃度過低。
表2某一巡回檢測周期內(nèi)濃度檢測結(jié)果
表3某一巡回檢測周期內(nèi)濃度檢測統(tǒng)計結(jié)果
3.2.2濃度云圖
為了讓運行人員更直觀地觀察氣體濃度在煙道內(nèi)的分布情況，可通過系統(tǒng)監(jiān)控主界面選擇查詢圖。圖4一圖6分別為某一巡回周期內(nèi)的NO, O2,CO濃度分布云圖，其所屬時間段和對應(yīng)鍋爐負荷變化情況同上。對比圖4和圖6可以看出:在該檢測周期內(nèi)，NO濃度高的地方，CO濃度小;反之，CO濃度小的地方，NO濃度較高，二者濃度存在著一定反比例關(guān)系。同樣，對比圖5和圖6可以看出:O2和CO濃度也存在著一定反比例關(guān)系。
圖4某一巡回檢測周期內(nèi)A側(cè)和B側(cè)NO濃度分布云圖
圖5某一巡回檢測周期內(nèi)A側(cè)和B側(cè)02濃度分布云圖
圖6某一巡回檢測周期內(nèi)A側(cè)和B側(cè)CO濃度分布云圖
3. 3數(shù)據(jù)報表與在線查詢
系統(tǒng)對采集到的信息進行實時處理與統(tǒng)計，以數(shù)值的方式進行數(shù)據(jù)存儲，并以4~20 mA的模式輸送至DCS進行顯示和存儲。通過組態(tài)化的數(shù)據(jù)報表與查詢分析組件，支持各類數(shù)據(jù)報表的生成和查詢，同時還支持實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢及自定義查詢等功能。其中，實時數(shù)據(jù)查詢可在線查看各測點濃度和各側(cè)煙道混合的NO濃度值歷史變化曲線，如圖7所示。通過各網(wǎng)格點測量值的歷史曲線，運行人員可以十分直觀地了解SCR煙道內(nèi)NO濃度持續(xù)偏高區(qū)域和持續(xù)偏低的區(qū)域，通過手動或自動噴氨閥調(diào)整，從而將SCR出口NO二濃度分布偏差保持在合理范圍，嚴格控制氨逃逸，降低空預(yù)器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險。此外，系統(tǒng)可通過設(shè)置NO二濃度闌值，實現(xiàn)分區(qū)氨逃逸自動預(yù)警。
圖7歷史濃度曲線查詢示意圖
3. 4監(jiān)測數(shù)據(jù)對比
本文選用1d內(nèi)A側(cè)和B側(cè)煙道NOx混合濃度值與煙囪處NO二排放濃度值進行了對比，如圖8所示?？梢钥吹皆摱螘r間內(nèi)A側(cè)和B側(cè)煙道NOx混合濃度值變化較為接近，二者整體上大于煙囪NO二排放濃度，但三者的變化趨勢基本一致;因此，本系統(tǒng)所監(jiān)測結(jié)果能夠較為真實地反映煙囪處NO二排放濃度變化。此外，三者的變化趨勢與負荷變化的相關(guān)性較弱。
圖8 1 d內(nèi)NOx排放濃度對比圖
4結(jié)束語
本文研發(fā)的NOx二濃度分布在線監(jiān)測系統(tǒng)已在某700 MW機組應(yīng)用示范。實際運行結(jié)果表明:能夠?qū)﹄p側(cè)煙道30個網(wǎng)格化獨立取樣點煙氣的NO,O2, CO濃度實現(xiàn)20 min為一周期的巡回檢測，實現(xiàn)SCR出口煙氣組分的濃度全截面分布在線監(jiān)測，并同步獲得各側(cè)煙道煙氣混合測量濃度值、濃度截面分布的相對標準偏差和濃度分布云圖等信息，可供運行人員根據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果進行手動調(diào)節(jié)或結(jié)合噴氨調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)，完成噴氨的動態(tài)分區(qū)智能控制。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以為SCR運行優(yōu)化提供可靠的NO二濃度分布在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯著提升SCR運行在線優(yōu)化水平，嚴格控制氨逃逸，降低空預(yù)器堵塞、引風機電耗增加甚至腐蝕等風險。
