300 MW机组在线自动喷氨调平系统的研发与应用

张志强， 曲同良， 石德胜， 安冬冬， 李 军， 朱晓磊

(1. 华电青岛发电有限公司，山东青岛 266031；2. 华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，济南 250000；3. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

随着火电机组超净排放要求的普遍实施，掺烧劣质煤和低负荷运行成为机组的常态，空气预热器堵灰的问题愈发普遍。经统计，某集团80余台火电机组，其中70%机组的空气预热器阻力比脱硝改造前升高300～1 000 Pa。当严控氮氧化物(NOx)排放指标时，部分机组空气预热器阻力一周内可升高1 000 Pa。此外，烟道两侧脱硝喷氨不均，以及在线测点不能有效实施监控等因素，均会引起单侧空气预热器阻力快速上升，造成风机功耗增大，在影响运行经济性的同时，造成风机抢风、失速等运行风险，进而影响火电机组运行安全。

空气预热器积灰主要由上游设备状态和运行控制问题造成，如脱硝系统喷氨不均匀、烟气分布变化、燃烧控制不佳、煤质偏离设计参数、烟温控制不均等。当问题积累到一定程度时，才表现为空气预热器积灰，积灰后空气预热器阻力会持续快速升高。积灰后若采用吹灰、冲洗等清灰方法，空气预热器阻力也不能完全恢复到原始情况。此时，上游设备原因未完全消除，喷氨过量长期存在又造成脱硝催化剂过早失效，氨耗量和氨逃逸率继续升高，空气预热器积灰呈恶性循环，最终造成堵灰、板结等不可逆现象。

氨氮比分布不均匀是空气预热器堵灰的主要原因，而缺少方便及时的在线优化调整手段加剧了堵灰[1]。因此，为降低NOx排放量，对燃烧调整和喷氨调平进行了大量的研究工作。方朝君等[2]在某600 MW机组脱硝系统入口、出口对NOx和氨气(NH3)质量浓度分布进行测量试验，根据结果对喷氨格栅进行优化调整，优化后脱硝系统两侧出口NOx质量浓度相对标准偏差都降低至8%以下。刘建航等[3]对某300 MW机组的燃烧侧进行优化调整，通过空气分级等方法达到主动降低NOx生成量的目的，最终实现整体喷氨量的下降。麻红宝等[4]针对火电机组喷氨不均匀的问题，进行脱硝喷氨优化调整试验，通过优化控制方式、合理调整参数设定值，将氨逃逸率控制在最低的水平。熊天科[5]对火电机组选SCR脱硝系统进行喷氨优化探究，通过对组分场进行测试，得到最佳喷氨量，可以最大限度减少下游空气预热器硫酸氢铵的生成。

现有设备无法对SCR脱硝系统随时进行调平，无在线测量装置测量喷氨均匀性，喷氨调平依靠人工试验方式定期进行。但是，烟气流场随时变化导致喷氨不均匀。喷氨量由喷氨格栅多个手动阀的开度决定，烟气流速和NOx浓度的分布会随着机组负荷、制粉、燃烧状态、配风、烟道积灰、导流板磨损等情况的改变随时发生变化，氨氮比分布不均匀的情况长期存在。

因此，笔者基于机器学习的深度算法，研发新型在线自动喷氨调平系统，以实现对喷氨量的精确和实时控制，保证SCR脱硝系统的稳定和高效运行。

1 设备概况

以亚临界、中间一次再热、控制循环汽包炉为例，锅炉布置2台回转式空气预热器，烟气脱硝系统采用SCR脱硝工艺，脱硝反应器布置在省煤器和空气预热器之间。

机组完成超低排放改造后，增加第3层催化剂，SCR脱硝系统设计在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下，SCR脱硝系统入口NOx质量浓度为550 mg/m3时，SCR脱硝系统出口NOx质量浓度小于50 mg/m3。在SCR脱硝系统入口，分为A/B侧，两侧中间有方形隔板，将布满喷嘴的管道从中间隔开，最终左右平行布置的4根喷氨支管将NH3均匀地喷入烟道内，具体见图1。单侧的NH3流量分别由上游的7组喷氨手动阀控制，每组手动阀包含2个喷氨支管。在SCR脱硝系统出口，沿宽度方向共预留7个测孔，2个喷氨支管分别对应沿深度方向不同的测孔。每个测孔与对应的每组喷氨手动阀有强对应关系。对于一组手动阀，喷氨格栅处后墙侧的手动阀对应出口处测孔位置浅的NOx浓度，格栅前墙侧的手动阀对应出口处测孔位置深的NOx浓度。

图1 喷氨格栅布置

为严控NOx排放指标，入口存在喷氨过量的情况。因此，多次对机组进行手动喷氨优化调平试验，并且产生了一定的效果。但是，由于现有的喷氨调平系统复杂、通用性不高，同时需要在入口及出口进行多次测量，因此调平周期长、单次费用高。此外，机组负荷、煤质、燃烧状况等因素多变，定期的手动喷氨调平无法满足复杂的运行状况，需要一种结构简单、通用性强、可实时调整的在线自动喷氨调平系统。

2 应用方案

2.1 系统原理

图2为在线自动喷氨调平系统原理图。在线自动喷氨调平系统利用在两侧SCR脱硝反应器出口烟道布置的测量系统，采用切换箱实现网格法巡测，通过同一台NOx分析仪计算并记录每个测点的NOx和O2质量浓度，同时通过智能网关上传到本地服务器生成检测记录。通过安装在服务器上的软件对记录进行分析处理，生成截面上NOx质量浓度的相对标准偏差、历史趋势值、A/B侧总量偏差等参数。基于这些参数，通过机器学习算法自动计算，浓度高的位置开大对应的喷氨自动阀，浓度低的位置关小对应的喷氨自动阀，生成喷氨调整方案。在工程师站的授权操作下，按照方案调整喷氨自动阀的开度。

图2 在线自动喷氨调平系统原理图

调整后，测量SCR脱硝反应器出口NOx浓度，分析其相对标准偏差的变化，并通过算法再次进行调整。重复计算后，使SCR脱硝系统出口NOx质量浓度分布的相对标准偏差和总量偏差稳定在最小值，实现喷氨实时调整和优化，降低氨逃逸率。

2.2 设备组成

在线自动喷氨调平系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括云服务器、软件。硬件系统包括取样探头、取样管路、切换箱、NOx分析仪，自动阀控制器、物联网网关。该系统为独立系统，通过服务器端的软件系统控制硬件系统进行测量、吹扫和调整，完成SCR脱硝系统的喷氨均匀性调整。设置本地服务器，通过服务器上运行的软件进行远程控制。独立网络不与电厂内其他设备连接。

在线自动喷氨调平系统包含的系统如下：

(1) 取样分析系统。

在SCR脱硝系统出口原取样测孔处布置取样网格，网格包括取样探头、切换箱、NOx分析仪及相应的控制、供电电缆等。取样探头插入到烟道上的7个测孔中，每个探头包括2个测点(0.7 m和2.3 m)，其示意图见图3。使用在线式烟气切换箱，通过切换箱内控制板控制阀门的通断实现测点烟气通道的切换。

图3 取样分析系统测点

在烟道外部平台处，布置前置过滤器、切换箱和NOx分析仪，实现单点取样和轮巡测量。按设定频次定期检测反应器出口NOx质量浓度。图4为应用前后的取样分析系统。

图4 应用前后的取样分析系统

(2) 分析控制系统。

分析控制系统布置在SCR脱硝系统出口，由智能网关、本地服务器、调平软件等组成。系统接收取样分析系统检测结果，通过软件内嵌的大数据和调平测量经验算法，计算出自动阀需要调整的开度，再将其发送至智能网关，由网关发送给自动阀控制器。

(3) SCR脱硝系统入口自动阀。

图5为应用前后的自动阀。

图5 应用前后的自动阀

对应SCR脱硝系统出口的不同位置，在SCR脱硝系统入口喷氨格栅各手动阀上游增加1个远程自动阀，自动阀包括电动阀及执行器。在改造过程中，需要将原蝶阀上部管路根据新阀门的尺寸进行切割，焊接新的法兰，增设电动阀并与原手动蝶阀串联布置。自动阀控制器通过得到的开度信号来操作阀门执行器以执行特定的开度动作，保持SCR脱硝系统出口NOx质量浓度分布得较为均匀。正常运行时，全开手动蝶阀并由电动阀进行流量调节；电动阀发生异常问题时，全关手动蝶阀并进行电动阀的在线修理。

(4) 远程查询控制系统。

检测和调整数据，通过现场画面、工程师站服务器和个人手机进行查看，授权用户能远程发送检测系统工作指令。该系统就地设置控制柜，不需要接入分散控制系统(DCS)，保证原系统的运行安全。

2.3 工作流程

(1) 巡测流程。

通过手机、服务器或就地控制柜对需要测量的测点进行选定，并对测量的相关参数进行设定后，由服务器将数据发送给智能网关。网关解析数据后，按照选定的通道和参数，下发指令给切换箱和NOx分析仪，按照顺序打开切换箱的通道，NOx分析仪抽取气体进行测量。整个测量过程需要20 min左右，测量完成后将数据发送到服务器和触摸屏进行显示。同时，根据自动阀与测点的对应关系，给出自动阀的指导策略。

(2) 吹扫流程。

对需要吹扫的通道进行选定，并对相关参数进行设定后，将数据发送至网关。网关解析数据后，按照选定的通道和参数，打开切换箱内的相应通道，通入0.3 MPa的压缩气体进行吹扫。每路吹扫30～60 s，吹扫完成后，将数据发送至服务器和触摸屏进行显示。系统每次巡测之后都要进行一次吹扫，防止持续的抽气造成管路堵灰。

3 应用效果与分析

3.1 系统本体效果

系统通过网格法自动巡测和记录SCR脱硝反应器出口NOx和O2质量浓度，采用NOx质量浓度为50 mg/m3的标气检验系统进行标定，测量误差小于2 mg/m3，同时一个月的漂移误差不大于5 mg/m3，可大幅降低各测点的相对偏差，保证数据的一致性。单侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度分布均匀性轮巡测量时间小于20 min，并且自动生成检测和调整记录，自动记录调整时间、均匀性、阀门开度指导值等相关指标。系统兼具自动吹扫、系统故障报警功能，完成巡测和调整的时间小于40 min，提高了系统的智能化和实时效果。系统平均无故障(影响指标监督管理)时间一年内不低于200 d。测量系统在防堵、防腐、结构强度方面能保证一年内可靠工作。

3.2 脱硝均匀性效果

应用在线自动喷氨调平系统前，SCR脱硝反应器出口烟道截面NOx质量浓度分布不均匀，各点NOx质量浓度偏差明显，具体见表1。A/B侧SCR脱硝反应器出口烟道截面NOx质量浓度相对标准偏差分别为86%、64%，最高点最低点NOx质量浓度的偏差可达到55～104 mg/m3。NOx分布不均匀造成喷氨不均匀，并且喷氨过量情况严重。

表1 A、B侧SCR脱硝反应器出口NOx分布指标

利用在线自动喷氨调平系统重复进行分区检测和分区调整，经重复计算后，SCR脱硝系统出口NOx质量浓度分布均匀性得到明显改善，具体见图6。A/B侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差分别由应用前的86%、64%变为应用后的21%、14%。

图6 SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度分布

图7为在线自动喷氨调平系统投运前后NOx排放质量浓度均值的变化。应用前B侧SCR脱硝反应器出口实测平均NOx质量浓度比A侧低15～20 mg/m3。通过在线自动喷氨调平系统可均衡两侧喷氨总量，以两侧NOx排放质量浓度均值波动为判据，参照在线检测结果，合理分配两侧喷氨量，避免单侧过量喷氨，NOx排放质量浓度均值压上限值运行。在排放不超标的情况下尽量少喷氨，实现了A/B侧喷氨量的调平。

图7 系统应用前后NOx排放质量浓度均值的变化

3.3 空气预热器降阻效果

在线自动喷氨调平系统两次调整投运前空气预热器A/B侧阻力都处于升高趋势，系统投运后两侧阻力变化趋势均被扭转，具体见图8。在长期运行过程中可实时投运在线自动喷氨调平系统，结合A/B侧的原始基础阻力差别，A侧阻力长期稳定在1.1 kPa，B侧阻力长期稳定在1.0 kPa。这说明在线自动喷氨调平系统通过改善空间喷氨均匀性，可在一定周期内维持空气预热器阻力的稳定，改善空气预热器运行现状，提高机组运行的经济性和安全性。

图8 空气预热器阻力的变化

4 结语

以在线自动喷氨调平系统在某300 MW机组上的应用为例，主要的研究结论为：

(1)通过分布取样和轮巡测量，提高NOx质量浓度测量数据的一致性，实现NOx质量浓度高精度、高可靠性的分区测量。

(2)利用在线自动喷氨调平系统重复进行分区检测和分区调整，A/B侧SCR脱硝反应器出口NOx质量浓度相对标准偏差分别由应用前的86%、64%变为应用后21%、14%，大幅提高了NOx分布的均匀性。同时，该系统以两侧NOx质量浓度均值波动为判据，实现了喷氨总量的调平。

(3)喷氨均匀性提高后，空气预热器阻力长期稳定在设计值附近，可以提高机组运行的经济性和安全性。