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南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)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(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱：寧東電廠）660MW機(jī)組建設(shè)投運(yùn)以來(lái)，解決了超低排放帶來(lái)的噴氨不均、空預(yù)器堵塞等問(wèn)題，效果顯著。

直接經(jīng)濟(jì)效益：按液氨單價(jià)2200元/噸計(jì)，節(jié)氨量為150噸/年，節(jié)氨效益為33萬(wàn)元/年；按空預(yù)器阻力下降500Pa計(jì)，三大風(fēng)機(jī)電耗約下降約500kW；機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)約4000h，每年節(jié)約用電量約200萬(wàn)kW·h；上網(wǎng)電價(jià)為0.3元/kW·h，節(jié)電效益約為60萬(wàn)元/年。共創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益93萬(wàn)元/年。

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

1　項(xiàng)目概述

寧東電廠一期為2×660MW燃煤汽輪發(fā)電空冷機(jī)組，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)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(fēng)、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(jī)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(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)，寧東電廠又增加了一層催化劑并進(jìn)行了催化劑加高處理，采用兩層催化劑同時(shí)運(yùn)行，設(shè)計(jì)入口NO_x濃度≯400mg/Nm³，設(shè)計(jì)脫硝效率87.5%，出口NO_x濃度≯50mg/Nm³。反應(yīng)器采用高塵布置工藝，即反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間。每套脫硝系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)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(jī)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(gè)催化劑層的上方。兩臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)共用一套液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)。

寧東電廠#2機(jī)組于2018年5月利用大修機(jī)會(huì)，安裝南京科遠(yuǎn)SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，主要在脫硝裝置進(jìn)口噴氨格柵前、出口增加NO_x/O₂濃度分布巡測(cè)裝置，對(duì)原脫硝裝置噴氨管路進(jìn)行四分區(qū)改造，并增加一套外掛控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)原DCS系統(tǒng)沒(méi)有任何影響。運(yùn)用此套控制系統(tǒng)后，效果顯著。

2　技術(shù)介紹

SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)，單側(cè)反應(yīng)器采用“四分區(qū)/四點(diǎn)測(cè)量”設(shè)計(jì)。主要包括三個(gè)模塊： SCR進(jìn)口、出口NO_x/O₂濃度巡測(cè)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(jìn)、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(jìn)而確定各分區(qū)噴氨偏差調(diào)節(jié)目標(biāo)值，作為噴氨優(yōu)化控制的主信號(hào)；模塊二的核心是構(gòu)建“噴氨總閥+分區(qū)調(diào)平閥（氣動(dòng)）+支管調(diào)節(jié)閥”的三級(jí)串聯(lián)調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊，另除監(jiān)測(cè)噴氨總量外，還實(shí)現(xiàn)分區(qū)噴氨流量的監(jiān)測(cè)，即在分區(qū)調(diào)平閥上游增設(shè)分區(qū)氨空流量計(jì)，作為分區(qū)調(diào)平閥的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào)；模塊三包括整個(gè)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(shí)施脫硝流場(chǎng)的優(yōu)化改造。

模塊一：SCR進(jìn)口、出口NO_x/O₂濃度巡測(cè)模塊

SCR進(jìn)口、出口NO_x/O₂濃度巡測(cè)模塊分別安裝于每側(cè)SCR進(jìn)口、出口水平煙道與空預(yù)器進(jìn)口之間，沿?zé)煹缹挾确较騿蝹?cè)布置4根多點(diǎn)取樣槍，多點(diǎn)取樣槍采用DN150的鋼管制作，迎風(fēng)面加裝防磨角鋼，背風(fēng)面沿鋼管軸線均勻開(kāi)設(shè)6個(gè)φ20的取樣孔，為保證多點(diǎn)取樣槍內(nèi)不積灰，多點(diǎn)取樣槍豎直布置；多點(diǎn)取樣槍實(shí)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(jìn)入DN150的不銹鋼取樣母管，取樣母管接至空預(yù)器出口負(fù)壓煙道，進(jìn)口利用脫硝裝置和空預(yù)器的壓差、出口利用空預(yù)器壓差實(shí)現(xiàn)自流（相當(dāng)于建立空預(yù)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(shè)有NO_x/O₂快速分析儀（儀表自身響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)2s），并配套煙氣預(yù)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(shí)增設(shè)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，上游增設(shè)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(jì)，分區(qū)氨空流量計(jì)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(jì)。

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(cè)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(tái)搭建，作為原DCS的外掛系統(tǒng)，與原DCS實(shí)時(shí)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(diǎn)實(shí)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(cè)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(biāo)值，然后對(duì)分區(qū)調(diào)平閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)監(jiān)測(cè)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(dāng)氨流量變化百分比與NO_x濃度偏差百分比一致時(shí)，確定完成分區(qū)調(diào)平工作。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，配置分區(qū)氨流量監(jiān)測(cè)，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(shí)，整個(gè)噴氨管路的流量分配特性改變，其他分區(qū)調(diào)平閥不動(dòng)作，但分區(qū)氨流量會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)分區(qū)氨流量監(jiān)測(cè)后，可通過(guò)控制策略自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)分區(qū)調(diào)平閥，保證相應(yīng)分區(qū)氨流量保持為目標(biāo)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(huì)立即改變，加之測(cè)量系統(tǒng)存在遲滯，SCR出口監(jiān)測(cè)的NO_x濃度分布值的總遲滯時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5min以上，不適合作為分區(qū)調(diào)平閥閉環(huán)調(diào)節(jié)信號(hào)，而分區(qū)氨流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性能彌補(bǔ)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(kù)中選取改造前兩個(gè)月的相關(guān)數(shù)據(jù)、改造后SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)兩個(gè)月的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要選取的參數(shù)有機(jī)組負(fù)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(guān)參數(shù)對(duì)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(gè)月內(nèi)，機(jī)組平均負(fù)荷為501.5MW，平均脫除NO_x濃度為284.1mg/Nm³，對(duì)應(yīng)的兩側(cè)平均噴氨量為104.5kg/h；改造后系統(tǒng)投運(yùn)兩個(gè)月內(nèi)，機(jī)組平均負(fù)荷為501.7MW，平均脫除NO_x濃度為272.4mg/Nm³，對(duì)應(yīng)的兩側(cè)平均噴氨量為92.8kg/h，改造后機(jī)組負(fù)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(yùn)前后空預(yù)器阻力狀況對(duì)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(jī)組啟機(jī)時(shí)同步投運(yùn)分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)，2018年8年月底至9月初進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試，對(duì)原噴氨支管手動(dòng)閥進(jìn)行調(diào)整，后于2018年9月10日投運(yùn)控制系統(tǒng)，為分析系統(tǒng)投運(yùn)效果，特選取系統(tǒng)機(jī)組大修后機(jī)組運(yùn)行100天的空預(yù)器阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（其中分區(qū)噴氨系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間約50天），如圖1所示。

圖1 機(jī)組大修后投運(yùn)100天空預(yù)器阻力數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖

可以看出：

（1）SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)前，機(jī)組平均負(fù)荷為510MW時(shí)，兩側(cè)空預(yù)器阻力平均值為1.073kPa，且兩側(cè)空預(yù)器阻力偏差約300Pa（21側(cè)空預(yù)器阻力高于22側(cè)空預(yù)器阻力）。

（ 2 ） SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)后，機(jī)組平均負(fù)荷為510MW時(shí)兩側(cè)空預(yù)器阻力平均值為1.019kPa，比系統(tǒng)投運(yùn)前下降54Pa；兩側(cè)空預(yù)器阻力偏差僅為50Pa，比系統(tǒng)投運(yùn)前下降250Pa。

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

為觀察SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)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(shì)，如圖2所示。可以看出：SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)后，SCR出口兩側(cè)NO_x濃度及煙囪入口NO_x濃度波動(dòng)范圍明顯變小，由此也可以說(shuō)明SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)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(jī)組大修后投運(yùn)100天SCR出口兩側(cè)NOx濃度、煙囪出口NOx濃度趨勢(shì)圖

3.4　SCR分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)投運(yùn)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(yùn)前后SCR出口NOx濃度分布不均勻系數(shù)變化趨勢(shì)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(yùn)時(shí)的不均勻系數(shù)。同時(shí)通過(guò)圖3可以斷定，機(jī)組工況（如負(fù)荷等）發(fā)生變化時(shí)，SCR出口NO_x濃度分布狀況會(huì)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(yùn)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(cè)量分析儀響應(yīng)時(shí)間分析

圖4為機(jī)組分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)新增NO_x快速測(cè)量分析儀與原SCR出口CEMS系統(tǒng)NO_x濃度變化趨勢(shì)對(duì)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(shì)對(duì)比圖

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

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年9月刊