SCR脱硝精准喷氨控制的试验研究与应用

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2020年中国电机工程学会年会论文集SCR脱硝精准喷氨控制的试验研究与应用金理鹏，宋友亚，何金亮，韦振祖，宋玉宝(1.西安热工研究院有限公司苏州分公司，江苏苏州215153；2.华能湖南岳阳发电有限责任公司，湖南岳阳414000)ExperimentalresearchandapplicationforSCRaccurateammoniainjectioncontrol12111JINLipeng,SONGYouya,HEJinliang,WEIZhenzu,SONGYubao1.Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,SuzhouBranch,Suzhou215153,China;2.HuanengHunanYueyangPowerGenerationCo.,Ltd.,Yueyang414000,China摘要：针对当前NOx超低排放下SCR脱硝运行控制出口NOx浓度波动幅度大、氨逃逸高、机组空预器硫酸氢铵堵塞的突出问题，本文通过分析设计完成了SCR脱硝CEMS多点快速采样系统，建立了实时在线氨逃逸预测模型，采用预置喷氨量控制模型优化了喷氨控制逻辑，并在某1000MW机组上进行了试验研究和示范应用。试验结果表明采用CEMS多点快速采样系统有效提高了NOx测量的代表性和及时性，提高了SCR脱硝投自动后喷氨自动控制的快速性和准确性，降低了NOx排放浓度的波动幅度，配合喷氨逻辑优化实现了SCR脱硝精准喷氨控制，并可从源头上减少氨逃逸和减轻空预器硫酸氢铵堵塞。关键词：SCR；CEMS；多点快速采样；氨逃逸预测；精准喷氨Abstract:Inthispaper,aimingattheproblemsofexcessiveammoniaescapeandABSblockinginairpreheaterunderultra-lowNOxemissioncontrol,theCEMSmulti-pointrapidsamplingsystemisdesigned,andthereal-timeonlineammoniaescapepredictionmodelisestablished,andSCRammoniacontrollogicisoptimizedbyusingthepresetcontrolmodel,andtheexperimentalresearchandapplicationarecarriedoutona1000MWunit.ThetestresultsshowthattheCEMSmulti-pointrapidsamplingsystemeffectivelyimprovestherepresentativenessandtimelinessofNOxmeasurement.TheNOxmeasurementimprovestherapidityandaccuracyofautomaticcontrolofammoniainjection,andreducesthefluctuationrangeofNOxemissionconcentration,andrealizesaccurateammoniainjectioncontrolwithlogicoptimization,whichcanreduceammoniaescapefromthesourceandreduceABSblockinginairpreheater.Keywords:SCR,CEMS,Multi-pointrapidsampling,Ammoniaescapeprediction,accurateammoniainjection0前言1~3分钟，尤其机组AGC快速调峰时，SCR脱硝常规的“前馈+反馈”的喷氨控制逻辑易造成近年来，燃煤机组NOx超低排放运行提高NOx排放浓度大幅度波动[4]，且波谷期间氨逃了SCR脱硝效率，但也带来了使机组空预器硫逸过大。因此，研究和设计一种CEMS多点快酸氢氨堵塞（烟侧阻力甚至达到了2~3kPa）日速采样系统并通过优化SCR喷氨控制逻辑实现趋严重的突出问题[1]，甚至影响到机组的正常SCR脱硝精准喷氨控制运行，并以此解决火电带负荷，其原因在于SCR脱硝喷氨运行控制不厂当前空预器硫酸氢铵堵塞问题具有非常重要当，造成氨逃逸过大，其根源在于：1）CEMS的意义。受烟气采样点的数量和采样管路长度的影响，NOx在线分析存在测量代表性差和滞后时间长1脱硝CEMS仪表现状的问题，影响喷氨控制的及时准确调节[2]；2）SCR进出口烟道截面较大、存在变径和拐CEMS仪表的检测数据不可靠，致使运行人员仅角，烟道内流场分布普遍不均匀。在此情况下，根据NOx控制目标喷氨，缺乏指导的盲目喷氨脱硝CEMS受烟气采样点的数量和采样管路长易造成整体过量喷氨和氨逃逸过大[3]；3）SCR度的影响会存在如下问题：脱硝布置受锅炉结构限制及燃烧状况影响，SCR1）CEMS采样测量的代表性低入口NOx浓度在线检测滞后于锅炉燃烧变化约SCR进出口烟道截面积比较大，进口尺寸-1-

12020年中国电机工程学会年会论文集约为2~3m×10~25m，出口尺寸约为在20~40mg/m3水平，且为防止烟囱入口NOx3~6m×10~25m。进出口烟道截面烟气中的浓度超标，在基于原有脱硝流场和CEMS测量NOx/O2浓度分布不均匀，进口NOx浓度的分基础上，原SCR喷氨系统切换到自动投运时，布相对标准偏差约3%~8%，出口约SCR出口NOx浓度设定值需在50~70mg/m3范20%~50%[5]。较大的烟道截面和NOx浓度的不围内频繁调整。由于SCR喷氨很不稳定，经常均匀分布，降低了单点采样及CEMS测量数据造成氨逃逸浓度偏大，恶化空预器硫酸氢铵堵的代表性。部分脱硝CEMS采样虽然采用3点塞，烟侧阻力约2~4kPa。或者分布式多点取样，但前者采样点过少、后者100010039009080080没有确保各点等量采样，仍然存在采样代表性不370070NOx/mg/m高，不能真实反映实际NOx浓度值。60060/mg/m入口500502）CEMS测量滞后时间长40040/MW;排放浓度30030NOxCEMS仪表间通常布置在SCR反应器出口20020机组负荷10010平台，烟气采样管线长、管内流速低，采样时间002017/12/312018/1/52018/1/102018/1/152018/1/20长导致检测值严重滞后于炉内燃烧工况的变化。负荷入口NOx出口NOx尤其SCR进口CEMS的烟气采样管线长达50~70m，测量滞后时间高达2~3min。机组升降图1SCR进出口NOx浓度统计负荷或者磨煤机启停期间，SCR进口烟气中的Fig.1TheNOxstatisticsofSCRimportandexport实际NOx浓度随燃烧工况波动幅度约为3CEMS多点快速采样系统的设计±10~50mg/min[4]。当机组燃烧工况快速变化时，因CEMS测量值滞后，会使SCR喷氨量的调节为解决NOx在线分析仪存在的代表性和测滞后，造成脱硝出口NOx浓度周期性波动，波量滞后问题，针对本课题试验机组选取一台SCR动幅度超过±20mg/m3。在SCR出口NOx浓度反应器CEMS进行采样设计研究。SCR反应器波动曲线的波峰处易造成NOx排放超标，波谷进口烟道截面为17.49m×4.6m，出口烟道截面为处易造成氨逃逸过大。17.49m×7.1m。原进出口烟道截面各设1台单点取样的CEMS分析仪，取样探头至CEMS分析2国内某1000MW机组SCR喷氨控制间管线长度分别约70m和35m。结合现场空间现状设计了CEMS多点等量混合自引射快速烟气采国内某1000MW机组采取前后墙对冲燃烧样装置，进出口烟气采样支管布置示意如图2。方式，SCR脱硝设计入口NOx浓度550mg/m3，三层催化剂脱硝效率为91%，氨逃逸浓度为3µL/L，催化剂24000h化学寿命。采用常规的SCR入口烟前馈+反馈喷氨控制模式，每台SCR进出口各设道1台NOx在线CEMS分析仪表。CEMS在线NOxSCR出口烟道检测采用单点采样，由于进出口烟道截面存在NOx浓度分布不均，CEMS单点测量代表性较差，两台反应器出口NOx浓度CEMS测量值约为烟囱入口的2~2.5倍。CEMS选取某一个月的DCS数据进行统计分析间（图1）：机组日常运行时，锅炉出口NOx浓度空预器出口烟道约500-900mg/m3，超过设计值较多。在控制NOx排放浓度约40mg/m3情况下，当前SCR脱硝最大安全脱硝效率约92%，但实际运行SCR脱硝效率往往高达91%-98%，且现场氨逃逸CEMS图2CEMS多点快速采样系统布置示意图测量值明显失真，基本丧失了应有的监视、提示Fig.2LayoutofCEMSmulti-pointrapidsamplingsystem功能。SCR控制逻辑没有根据燃烧对NOx的波烟气采样代表点数量和位置通过试验实测动影响设置预置喷氨量，投自动后的NOx排放方法按照截面NOx平均值与代表点平均值相等浓度波动幅度基本在±20mg/m3以上。在缺乏氨原则进行确定。在SCR反应器进出口烟道截面逃逸指导的情况下，NOx排放浓度成为唯一控上，沿炉宽方向分别布置8根不同长度和不同直制指标，现有喷氨控制系统控制烟囱入口NOx径的笛型碳钢支管，采样支管垂直于来流烟气并-2-

22020年中国电机工程学会年会论文集分别在烟道外面汇流。每个采样截面，根据各支以上逻辑组态、程序下装和调试，并且实现SCR管烟气流量相等原则，采用CFD数值模拟对各原喷氨控制系统与新建的精准喷氨控制系统可支管直径自母管远端到近端进行变径设计，实现互为切换备用。各点等量混合提高了烟气采样代表性。5SCR精准喷氨控制试验研究在SCR进出口烟道外面的烟气采样汇流管与空预器出口烟道之间，分别布置1根圆形碳钢5.1CEMS母管，利用1.5~2.5kPa烟气压差的引射作用，采在CEMS多点采样接口更换之前，在机组样混合烟气自动经过母管流入空预器出口烟道，高中低负荷下，分别网格法测量了SCR进出口形成第一级烟气采样管路。SCR进出口烟气采烟道截面的NOx浓度分布、进出口多点采样母样碳钢母管均途径CEMS仪表间附近，分别在管内的烟气NOx浓度、速度和温度（表1）。从母管上设置烟气采样点，与CEMS仪表连接，测试结果来看：形成第二级烟气采样管路。采样母管道外敷设保1）SCR进出口烟道截面的烟气NOx采样温棉，控制300~400℃的采样烟气在碳钢母管内代表性提高。SCR进口采样母管的NOx浓度相的温度不低于200℃。对偏差约-0.6%~1.2%，DCS显示值的相对偏差4SCR精准喷氨控制优化约-6.1%~-2.5%；SCR出口采样母管的NOx浓度相对偏差约-3.9%~18.2%，DCS显示值的相对偏针对机组SCR运行现状，对其原有传统差约101.8%~-149.5%，烟囱处DCS显示值的相SCR喷氨控制（前馈+反馈）系统存在的调节滞对偏差约7.5%~-16.1%。多点烟气等量混合取样后、氨需量计算不准以及喷氨量调节缺乏氨逃逸的代表性均较高，出口采样混合效果与经过长距浓度参考等问题，对SCR喷氨控制系统进行了离混合后烟囱处的混合效果接近。优化和完善，涉及内容有：1）基于SCR在线性2）SCR反应器进出口采样母管内的烟气流能辅助评估方法建立氨逃逸浓度实时在线预测速分别约14.1~17.2m/s、14.6~17.8m/s，烟气到模型[6]，解决氨逃逸CEMS监测值失真问题，第二级烟气采样点的时间分别为3.1~3.9s、为喷氨量的调节提供参考，避免过量喷氨造成过1.1~1.4s。结合第二级采样13s时间，进口烟气高的氨逃逸浓度。模型参数主要通过现场性能测采样滞后时间约16~17s，出口滞后时间约14s，试和DCS参数专家分析获得，系统主要的输入较原有系统采样及时性显著提高。参数有：性能测试时间、基准机组高中低负荷下3）在机组高中低负荷下，采样烟气初始温的反应器潜能、潜能劣化函数、催化剂运行时长、度约350~380℃，在第一级与第二级采样管接口机组当前运行负荷、SCR入口NOx浓度、脱硝位置，进口烟气采样管内的烟气温度分别约效率等。2）采用预置喷氨量控制模型优化原有250~255℃，出口烟气采样管内的烟气温度分别喷氨控制逻辑，针对机组AGC快速调节时的燃约280~290℃，确保第一级烟气采样母管内烟气煤量和燃烧工况变化大引起的烟气量与SCR入不结露和不发生硫酸氢铵粘附。口NOx浓度波动剧烈问题，通过预置喷氨量方法提高喷氨控制的跟随性。在机组停机期间进行表1多点烟气取样管路性能测试评估Table1Performancetestofmulti-pointrapidsamplingsystem项目单位930MW800MW650MWSCR入口至空预器出口烟气压差Pa254021401690SCR出口至空预器出口烟气压差Pa175014301120SCR入口烟气温度℃380360350进口NOx分布相对标准偏差CV%6.042.184.293进口NOx网格法实测平均值mg/m6908319913进口采样母管NOx测量值mg/m68782610033进口DCS－NOx显示值mg/m650810930进口采样母管NOx与实测值的相对偏差%-0.48-0.561.21进口DCS-NOx与实测值的相对偏差%-5.82-2.47-6.14进口采样母管测试点烟气流速m/s17.215.714.1进口采样母管测试点烟气温度℃255254250进口第一级采样母管烟气停留时间s3.23.53.9-3-

32020年中国电机工程学会年会论文集项目单位930MW800MW650MW进口第二级采样母管烟气停留时间s131313进口取样滞后时间s161617出口NOx分布相对标准偏差CV%77.7444.7852.723出口NOx网格法实测平均值mg/m2332363出口采样母管NOx测量值mg/m2126343出口DCS－NOx显示值mg/m5865803烟囱DCS-NOx显示值mg/m252830出口采样母管NOx与实测值的相对偏差%-11.78-18.23-3.91出口DCS-NOx与实测值的相对偏差%149.47101.85123.84烟囱DCS-NOx与实测值的相对偏差%7.53-13.05-16.06出口采样母管测试点烟气流速m/s17.816.514.6出口采样母管测试点烟气温度℃290283280出口第一级采样母管烟气停留时间s1.11.21.4出口第二级采样母管烟气停留时间s131313出口取样滞后时间s141414A侧SCR反应器进出口CEMS多点快速采图3CEMS接口更换前后DCS参数对比样装置安装后，适时进行了接口更换。对比更换Fig.3ComparisonofDCSparametersinCEMSinterfacereplacement前后的数据变化（见图3）：接口更换前，A、B侧反应器出口的NOx浓度显示值均比烟囱处的NOx浓度高40~50mg/m3，这也表明了AIG喷氨支管的氨气流量分配严重不均衡；接口更换后，A侧SCR反应器出口NOx浓度显示显著下降，与烟囱处的NOx浓度接近，这表明烟气取样代表性显著提高，但烟囱处的NOx浓度依然受B侧SCR出口NOx浓度波动影响较大。图4为A、B侧反应器入口NOx浓度CEMS测量值随机组负荷的变化情况。采用多点快速采样装置的A侧NOx浓度测量值变化明显快于B图4CEMS接口更换后入口NOx值变化对比侧，测量滞后时间相比B侧缩短了约30~40s。Fig.4ComparisonofinletNOxafterCEMSinterfaceSCR进口NOx浓度测量滞后时间缩短后，可更replacement快速地反映锅炉燃烧工况波动的影响，提高喷氨5.2自动控制跟随性，降低NOx排放浓度的波动幅根据SCR脱硝于2016年3月31日现场性度。能试验结果，机组960MW、750MW及510MW负荷下的SCR反应器潜能分别为4.01、4.26、4.11。于2017年11月14日进行现场性能测试，在机组800MW和500MW负荷下，分别测试了SCR进口NOx浓度、脱硝效率和氨逃逸。两次试验间隔了14232h，参考SCR反应器性能的常规劣化趋势，针对本次试验工况测试值预测了氨逃逸浓度（表2），预测值与实测值之间的绝对值相差约1µL/L。-4-

42020年中国电机工程学会年会论文集表22017年测试的氨逃逸浓度值与预测值对比Table2Comparisonofammoniaescapemeasuredandpredictedin2017项目单位数值当前负荷MW500800基准时间点潜能插值-4.114.2当前潜能预测值-3.643.723试验入口NOx浓度mg/m600626试验脱硝效率%93.693.6实测氨逃逸µL/L1.922.78预测氨逃逸µL/L2.972.64实测与预测绝对偏差µL/L1.05-0.06图5为A、B侧SCR氨逃逸浓度预测值与CEMS测量值随机组负荷、脱硝效率、喷氨量等参数的变化趋势。可以看出，氨逃逸浓度实时预测值与脱硝效率、喷氨流量等关键参数相关性较好，相同负荷下，喷氨量越大、脱硝效率越高，氨逃逸浓度预测值越高。在机组额定负荷下，A侧SCR脱硝效率约93%~95%，预测氨逃逸浓度约5~12µL/L；B侧SCR脱硝效率约96%~98.5%，预测氨逃逸浓度约8~20µL/L。在机组中低负荷下，A侧脱硝效率约91%~93%，氨逃逸浓度约2.5~4µL/L；B侧脱硝效率约92%~94%，氨逃逸浓度约2.5~3µL/L。相比之下，氨逃逸仪表的测（b）B反应器量值基本为0.7µL/L，与脱硝效率及喷氨流量等图5反应器出口氨逃逸浓度预测值变化趋势Fig.5Variationtrendofpredictedvalueofammonia参数几乎无相关性，不同工况下其示值几乎不escapeatreactoroutlet变，且明显偏低。与在线氨逃逸监测仪表相比，5.3SCR氨逃逸浓度实时预测方法能更好地反映SCR运对安装了CEMS多点快速采样装置和SCR行工况变化，为运行调节喷氨量提供参考依据。精准喷氨控制优化的A侧SCR反应器进行试验从实时预测结果来看，尤其在机组高负荷下，B对比分析。SCR精准喷氨控制系统投运前后，反应器氨逃逸浓度明显高于A反应器，这也是BNOx排放浓度控制效果见图6、图7。侧空预器阻力明显高于A侧的主要原因。（a）控制系统投运前（a）A反应器-5-

52020年中国电机工程学会年会论文集NOx浓度围绕设定值的波动幅度基本在±20mg/m3以上。此外，SCR出口NOx浓度明显高于烟囱入口监测值。系统投运后：机组稳定负荷下，SCR出口NOx浓度围绕设定值的波动幅度约±5mg/m3，设定值变化时的波动幅度也基本在±10mg/m3以下；机组负荷以常规速率变化时，SCR出口NOx浓度围绕设定值的波动幅度基本在±10mg/m3以下；此外，SCR出口与烟囱入口NOx浓度明显趋近。可见，SCR准确及时喷氨控制系统投运后，喷氨自动控制的快速性、准确性均得到明显（b）控制系统投运后提高。图6精准喷氨控制系统投运前后自动控制效果对比6结论（稳态）Fig.6Comparisonofprecisionammoniainjection通过试验对比研究，集CEMS烟气多点自controlsystembeforeandafteroperation(steady)引射多点采样、氨逃逸浓度实时预测及预置喷氨量调节等技术于一体的SCR精准喷氨控制系统在机组SCR脱硝运行管理取得了成功示范应用。提高脱硝CEMS仪表的NOx测量及时性和准确性，提高了SCR喷氨控制系统的锅炉燃烧工况波动的跟随性，使SCR脱硝NOx排放浓度的波动幅度降低到±10mg/m3以内，实时在线预测的氨逃逸浓度很好反映SCR运行工况的变化，可用于指导SCR运行喷氨调节，可从源头上减少氨逃逸和减轻空预器硫酸氢铵堵塞。（a）控制系统投运前致谢本文成稿期间还得到了侯玉婷和徐和平等人的大力协助,特致以衷心的感谢。参考文献[1]何金亮,金理鹏,卢承政,等.燃煤电站SCR烟气脱硝系统运行典型故障诊断[J].中国电力,2016,49(8):148-153.[2]金理鹏,王勇,宋玉宝,等.烟气参数对选择性催化还原系统设计的影响分析[J].热力发电,2013,42(8):124-127.[3]王乐乐,周健,姚友工,等.烟气脱硝SCR氨喷射系统调整效果评估[J].中国电力,2015,48(4):16-22.[4]宋玉宝,金理鹏,等.基于SCR催化剂状态特性模型研究的运行优化软件开发及应用技术报告[R].西安：西安热工研究院有限公司，2018.（b）控制系统投运后[5]方朝君,金理鹏,宋玉宝,等.SCR脱硝系统喷氨优化及图7准确喷氨控制系统投运前后自动控制效果对比最大脱硝效率试验研究[J].热力发电，2014,43(7):157-160.（动态）[6]宋玉宝,王乐乐,金理鹏,等.基于现场性能测试的脱硝Fig.7Comparisonofprecisionammoniainjection装置潜能评估及寿命预测[J].热力发电，2015,44(5):39-44.controlsystembeforeandafteroperation(dynamic)作者简介：系统投运前：机组稳定负荷下，SCR出口金理鹏（1982-），男，宁夏固原，硕士，高级工程师，主要从事电NOx浓度围绕设定值的波动幅度基本在站锅炉烟气脱硝技术研究与应用。±10mg/m3以上，当调整设定值时，波动幅度可电话:13914096658,Email:jinlipeng@tpri.com.cn.达±20mg/m3以上；机组负荷变化时，SCR出口-6-