燃煤鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)及其流場(chǎng)優(yōu)化研究

王 軼，樊雄飛，顧 超，何寶晶，李 偉，李 兵，伍力拓，楊 浩，楊祖旺，張 健

（1.青銅峽鋁業(yè)發(fā)電有限責(zé)任公司，陜西 青銅峽 751600；2.西安格瑞電力科技有限公司，西安 710000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)一次能源的消費(fèi)需求不斷增加，雖然核能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源的占比逐年升高，但煤炭仍占據(jù)主導(dǎo)地位[1-3]。煤炭燃燒伴隨著大量的污染物生成，為減緩污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，我國(guó)生態(tài)環(huán)境部在2011年頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》，嚴(yán)格要求NOx的日平均排放質(zhì)量濃度控制在100 mg/m3，超低排放法規(guī)要求NOx的日排放質(zhì)量濃度需低于50 mg/m3[4]。目前，選擇性非催化還原技術(shù)（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）是降低燃煤排放的氮氧化物的主要技術(shù)之一[5-6]。我國(guó)超過(guò)95%的超臨界燃煤電廠采用SNCR 脫硝系統(tǒng)，滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)的煤電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)10.3 億kW，占煤電總裝機(jī)量的93%。

選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統(tǒng)的脫硝性能受到眾多因素的影響，如NOx質(zhì)量濃度[7-8]、NH3質(zhì)量濃度[8]、煙氣溫度和流速[9]、催化劑性能[10]、鍋爐負(fù)荷[11]和NH3與NOx的摩爾比[12]等。其中NH3與NOx摩爾比是影響NOx還原的關(guān)鍵因素，如果噴NH3量不足，將導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)并造成大氣污染；相反，如果噴NH3量過(guò)多，將造成大量的NH3逃逸，同樣會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重危害[13]。

間歇性可再生能源在電網(wǎng)中的高滲透率，使得燃煤機(jī)組不得不在負(fù)荷循環(huán)過(guò)程中承擔(dān)越來(lái)越頻繁的調(diào)峰任務(wù)[14]。這些瞬態(tài)過(guò)程使NOx的生成速率和SCR系統(tǒng)性能不斷變化。在這些復(fù)雜的條件下，煙道中的NH3噴入量很難精確控制，許多燃煤電廠選擇噴入過(guò)量的NH3以確保調(diào)峰運(yùn)行期間NOx達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，但會(huì)導(dǎo)致NH3的浪費(fèi)和NH3逃逸的增加。因此，對(duì)燃煤機(jī)組調(diào)峰、變負(fù)荷等瞬態(tài)過(guò)程中SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整對(duì)燃煤機(jī)組的低污染安全運(yùn)行具有重要意義[15]。

目前，眾多研究人員針對(duì)燃煤電廠SCR 系統(tǒng)優(yōu)化開(kāi)展了研究。方俊等人[16]采用數(shù)值模擬的方法研究了不同的導(dǎo)流板安裝對(duì)SCR系統(tǒng)中噴NH3格柵前流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)在高速區(qū)安裝導(dǎo)流板對(duì)格柵前的流暢具有較好的優(yōu)化效果，可將其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值CV降至13.62%，有效提升了流場(chǎng)的均勻性。吳宇星等人[17]同樣通過(guò)數(shù)值模擬的方法優(yōu)化SCR系統(tǒng)中的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)適當(dāng)增加導(dǎo)流板的數(shù)量、改變導(dǎo)流板形狀可以在各運(yùn)行負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)噴NH3格柵前和反應(yīng)器首層催化劑前的速度CV值均小于15%。韋振祖等人[18]基于計(jì)算流體力學(xué)提出了噴NH3系統(tǒng)前置和導(dǎo)流板優(yōu)化方案，模擬計(jì)算表明，該方案可將SCR入口CV值降至13.2%，改造后NOx的CV值均低于20%。所以，對(duì)SCR的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)精準(zhǔn)控制噴NH3量是目前燃煤機(jī)組SCR高效脫硝的關(guān)鍵。

本文對(duì)某電廠2號(hào)燃煤鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng)及其流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在保證脫硝效率的前提下降低SCR 系統(tǒng)NH3的噴入量，減少NH3逃逸，以保證SCR和空預(yù)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 改造方法

1.1 SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化方法

在進(jìn)行SCR 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整前，首先對(duì)原始煙道中A、B兩側(cè)的流速和煙氣組分進(jìn)行測(cè)量，基于實(shí)際工況建立邊界條件，對(duì)SCR系統(tǒng)的初始流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)仿真（Computational Fluid Dynamics，CFD）計(jì)算，然后通過(guò)采集原始煙道中的速度場(chǎng)等數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性，并對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)修正，得到準(zhǔn)確性較高的SCR 進(jìn)出口煙道流場(chǎng)。在充分考慮和分析SCR煙道實(shí)際工況的前提下，對(duì)噴NH3、整流和導(dǎo)流設(shè)備、煙氣混合設(shè)備和反應(yīng)器出入口煙道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)優(yōu)化包括省煤器出口水平煙道導(dǎo)流板優(yōu)化和SCR 頂部導(dǎo)流板改造，見(jiàn)圖1、圖2。省煤器出口水平段煙道管徑突變，內(nèi)部流場(chǎng)不均勻，因此對(duì)煙道內(nèi)的導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)改善噴NH3格柵入口煙氣流場(chǎng)分布的均勻性。脫硝頂部煙道位置導(dǎo)流板優(yōu)化改造，可以基本消除催化劑區(qū)域的低速流體區(qū)，減小催化劑層入口截面速度偏差。脫硝頂部加裝導(dǎo)流板后，SCR 反應(yīng)器催化劑層的速度分布會(huì)更加均勻。

圖1 省煤器出口水平煙道導(dǎo)流板優(yōu)化示意圖Fig.1 Schematic diagram of optimized horizontal flue deflector at the coal economizer outlet

圖2 SCR頂部導(dǎo)流板改造示意圖Fig.2 Schematic diagram of SCR top deflector modification

1.2 SCR系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化方法

根據(jù)SCR 系統(tǒng)的實(shí)際工況建立被控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，利用人工智能算法在線完善模型，并修正預(yù)測(cè)值。首先，對(duì)燃煤機(jī)組各燃燒工況下的NOx排放進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)估。利用人工智能算法，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)燃燒模型，對(duì)燃煤機(jī)組燃燒工況與NOx質(zhì)量濃度歷史相關(guān)性的自學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用遺傳算法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行快速精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)?？偱欧诺腘Ox精準(zhǔn)預(yù)估。其次，采用鍋爐及反應(yīng)器模型預(yù)估的方式，根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化控制目標(biāo)，直接計(jì)算氨氣噴入量，精確控制的脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制原理如圖3所示。

圖3 精確控制的脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制原理Fig.3 Precise control principle of ammonia flow control in denitrification system

（1）入口NOx質(zhì)量濃度預(yù)估：鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx量與鍋爐燃燒的各種參量相關(guān)，在鍋爐負(fù)荷較大時(shí)，產(chǎn)生的NOx量較大。根據(jù)鍋爐燃燒狀態(tài)和出口NOx量的相關(guān)性分析，建立鍋爐燃燒與NOx產(chǎn)生量模型，從而預(yù)估出口NOx量，同時(shí)用NOx實(shí)際測(cè)量的結(jié)果對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行長(zhǎng)期修正擬合，減少NOx含量測(cè)量延遲對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

（2）氨氣控制模型中，不僅考慮反應(yīng)器入口NOx總量（風(fēng)量×NOx質(zhì)量濃度），同時(shí)計(jì)算反應(yīng)器氨耗率，保證對(duì)出口NOx的精確控制。

（3）分析和配比脫硝系統(tǒng)左右側(cè)氨氣噴入量，保證脫硝系統(tǒng)兩側(cè)氨耗率均衡，降低氨逃逸率。

試驗(yàn)確保測(cè)試期間2號(hào)燃煤鍋爐機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在200 MW，最大波動(dòng)幅度不超過(guò)5%；煤質(zhì)基本不變；燃料配比不變；制粉系統(tǒng)固定運(yùn)行方式，給粉均勻；甲乙側(cè)引風(fēng)機(jī)擋板開(kāi)度變化不大；煙氣量和煙塵量均勻穩(wěn)定；鍋爐沒(méi)有投油助燃；脫硝系統(tǒng)處于完好狀態(tài)，可正常穩(wěn)定運(yùn)行；鍋爐控制系統(tǒng)和主要儀表運(yùn)行均正常。同時(shí)對(duì)煙氣分析儀、煙氣流量計(jì)等檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定?；诖耍瑴y(cè)量SCR反應(yīng)器進(jìn)出口界面的NO/O2質(zhì)量濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布，并統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析噴氨量，以此判斷2 號(hào)機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)智能測(cè)控及其調(diào)平系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目在優(yōu)化改造后，其性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)定義

2.1 煙氣流速測(cè)量及評(píng)價(jià)方法

煙道中流速的測(cè)量采用等截面網(wǎng)格法。在SCR進(jìn)口的直煙道選擇測(cè)量面，在選定測(cè)量面的寬度方向開(kāi)設(shè)若干測(cè)孔，在每個(gè)測(cè)孔深度方向上選取若干測(cè)點(diǎn)。采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管和微壓計(jì)測(cè)量界面上各網(wǎng)格點(diǎn)的動(dòng)壓。根據(jù)上述測(cè)得的動(dòng)壓計(jì)算該截面的平均動(dòng)壓，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：Pd為流量測(cè)量截面處平均動(dòng)壓，Pa；Pdi為流量測(cè)量截面處各個(gè)等分面積上的時(shí)間平均動(dòng)壓，Pa；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

采用大氣壓力表測(cè)量當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ謩e采用鎧裝K形熱電偶和U形管壓力計(jì)測(cè)量選定截面處的介質(zhì)溫度和靜壓。

選定截面處介質(zhì)流量計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：qv為選定測(cè)量截面處流量，m2/s；A為選定測(cè)量截面面積，m2；ρ為選定測(cè)量截面介質(zhì)密度，kg/m3，其計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)（空氣和煙氣）的密度，kg/m3；Pa為選定測(cè)量處大氣壓力，Pa；Ps為選定測(cè)量截面處?kù)o壓，Pa；t為選定測(cè)量截面處介質(zhì)溫度，℃。

2.2 NOx排放質(zhì)量濃度測(cè)量及評(píng)價(jià)方法

在SCR 反應(yīng)器的進(jìn)口和出口煙道選定測(cè)量截面，利用網(wǎng)格法進(jìn)行煙氣取樣，煙氣經(jīng)不銹鋼管引出煙道外，經(jīng)過(guò)冷卻、除塵和除濕等預(yù)處理后，進(jìn)入電化學(xué)煙氣分析儀（德國(guó)，Testo350，±1%），測(cè)量煙氣中NOx的含量，以此獲得選定測(cè)量截面的NOx質(zhì)量濃度分布（本文所提及的NOx質(zhì)量濃度均為修正至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、干基和6%標(biāo)準(zhǔn)氧的NOx質(zhì)量濃度。）。

SCR 反應(yīng)器進(jìn)口和出口選定測(cè)量截面處的NOx質(zhì)量濃度計(jì)算公式如式（4）—（6）所示：

式中：φNOin,act,O2和φNOout,act,O2為SCR 進(jìn)口和出口選定測(cè)量截面各點(diǎn)的NO 體積分?jǐn)?shù)，10-6；ρO2,act為實(shí)測(cè)O2質(zhì)量濃度（干基）；ρNOxin和ρNOxout為SCR 進(jìn)口和出口選定測(cè)量截面NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；為SCR 出口和進(jìn)口選定測(cè)量截面處NOx質(zhì)量濃度的平均值，mg/m3；0.95為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在燃煤產(chǎn)生的NOx中NO占95%，NO2占5%；2.05為NO2體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

煙道中選定測(cè)量截面的NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值計(jì)算公式如式（7）—（9）所示：

式中：ρNOxi為煙道中選定測(cè)量截面各點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ------NOx為選定測(cè)量截面處NOx質(zhì)量濃度平均值，mg/m3；δ為NOx質(zhì)量濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差，%。

3 結(jié)果與討論

3.1 改造前2號(hào)鍋爐測(cè)試

3.1.1 改造前SCR入口煙道流場(chǎng)分布

改造前2 號(hào)鍋爐200 MW 工況下SCR 入口煙道流場(chǎng)分布如圖4 和圖5 所示。本文圖中H1—H7 測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置均為面向煙道由右至左。由圖4 和圖5可知，SCR入口煙道A側(cè)煙氣流速最大值出現(xiàn)在H7測(cè)點(diǎn)，為14.8 m/s；煙氣流速最小值出現(xiàn)在H1 測(cè)點(diǎn)，為8.0 m/s。SCR入口A側(cè)煙道平均值為11.3 m/s，標(biāo)準(zhǔn)偏差值為2.6 m/s，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值高達(dá)23.4%。對(duì)于SCR入口煙道B側(cè)流速最大值出現(xiàn)在H1測(cè)點(diǎn)，為14.5 m/s，略低于A 側(cè)煙道最高流速；煙氣流速最小值出現(xiàn)在H6 測(cè)點(diǎn)，為9.2 m/s，高于A 側(cè)煙道最高流速。對(duì)比A 側(cè)煙道和B 側(cè)煙道，B 側(cè)煙道流速的平均值高于A 側(cè)煙道，為11.6 m/s；但是標(biāo)準(zhǔn)偏差值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值較低，分別為2.1 m/s 和18.3%。由上述SCR入口A側(cè)和B側(cè)入口煙道的煙氣流速可知，二者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（CV）較大，速度分布不均勻，不利于SCR脫硝系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖4 SCR入口A、B側(cè)煙道風(fēng)速分布Fig.4 Wind speed distribution in the A and B side flue of SCR inlet

圖5 A、B側(cè)煙道風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值Fig.5 Statistical values of wind speed in A and B side flues

3.1.2 改造前SCR入口NOx分布

改造前2 號(hào)鍋爐200 MW 工況下SCR 入口NOx和O2分布情況見(jiàn)圖6 和圖7。由圖可知，在SCR 入口A側(cè)煙道選定測(cè)量截面7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H4的O2質(zhì)量濃度最高，為3.8 mg/m3；H2 的O2質(zhì)量濃度最低，為3.0 mg/m3。對(duì)于A側(cè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx，H3的NOx質(zhì)量濃度最高，高達(dá)255.6 mg/m3；H1的NOx質(zhì)量濃度最低，為164.6 mg/m3。SCR 入口A 側(cè)煙道選定測(cè)量截面的NOx質(zhì)量濃度平均值為205.9 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差為32.3 mg/m3，相對(duì)偏差為16.1%。SCR 入口B 側(cè)煙道選定測(cè)量截面的7 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H7 的O2質(zhì)量濃度最高，為4.8 mg/m3，高于A側(cè)煙道；H1的O2質(zhì)量濃度最低，僅為2.4 mg/m3，低于A側(cè)煙道。對(duì)于選定截面測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度，H2的NOx質(zhì)量濃度同樣最高，高達(dá)250.0 mg/m3，高于A 側(cè)煙道；H4 的NOx質(zhì)量濃度最低，僅為170.3 mg/m3，同樣高于A側(cè)煙道。相對(duì)于A側(cè)，B側(cè)煙道選定測(cè)量截面的NOx質(zhì)量濃度平均值較高，為208.6 mg/m3；但標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于A側(cè)煙道，分別為31.9 mg/m3和15.3%。由于改造前2 號(hào)機(jī)組的流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布偏差過(guò)大，同時(shí)通過(guò)分析煙道選定測(cè)量截面的NOx實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，SCR 的A、B 兩側(cè)煙道NOx分布偏差也較大，不利于SCR系統(tǒng)的有效脫硝，導(dǎo)致機(jī)組煙氣排放不達(dá)標(biāo)。

圖6 SCR入口A、B側(cè)煙道NOx和O2分布Fig.6 NOx and O2 distribution in the A and B side flues of SCR inlet

圖7 A、B側(cè)煙道NOx和O2統(tǒng)計(jì)值Fig.7 Statistical values of NOx and O2 in the A and B side flues

3.1.3 改造前SCR出口NOx分布

改造前2 號(hào)鍋爐200 MW 工況下SCR 出口NOx和O2分布見(jiàn)圖8和圖9。由圖可知，在SCR出口A側(cè)煙道選定測(cè)量截面的7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H7的O2質(zhì)量濃度最高，為4.7 mg/m3；H5的最低，僅為3.80 mg/m3。在A側(cè)煙道選定測(cè)量截面的7 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H4 的NOx質(zhì)量濃度最高，高達(dá)81.4 mg/m3；H7 的NOx質(zhì)量濃度最低，僅為45.7 mg/m3。SCR出口B側(cè)煙道選定截面的7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H6和H7的O2質(zhì)量濃度相同且最高，為4.4 mg/m3；H1和H3的O2質(zhì)量濃度相同且最低，均為3.2 mg/m3。B 側(cè)煙道選定測(cè)量截面7 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，H7的NOx質(zhì)量濃度最高，超過(guò)80 mg/m3，為81.9 mg/m3；H1的最低，為50.9 mg/m3。相較于A 側(cè)煙道，B 側(cè)煙道選定測(cè)量截面7個(gè)測(cè)點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度的平均值較低，為63.1 mg/m3；標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差則高于A側(cè)，分別為14.1 mg/m3和21.6%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，SCR出口的NOx質(zhì)量濃度偏差較大，且高于超低排放標(biāo)準(zhǔn)（50 mg/m3）[19]。

圖8 SCR出口A、B側(cè)煙道NOx和O2分布Fig.8 NOx and O2 distribution in the A and B side flues of SCR outlet

圖9 A、B側(cè)煙道NOx和O2統(tǒng)計(jì)值Fig.9 Statistical values of NOx and O2 for A and B side flues

3.2 改造后2號(hào)鍋爐測(cè)試

3.2.1 改造后SCR入口煙道流場(chǎng)分布

改造后選定的測(cè)量截面由改造前的1個(gè)截面增加至3 個(gè)不同深度的截面，深度由小至大分別記為D1、D2 和D3。對(duì)2 號(hào)機(jī)組改造后，SCR 入口煙道流場(chǎng)分布見(jiàn)圖10和圖11。由圖可知，選定的3個(gè)不同深度截面的最高流速均出現(xiàn)在H1，且隨著深度的增加而增大，分別為9.9 m/s、10.1 m/s 和11.0 m/s；3 個(gè)不同深度的截面最小流速分別出現(xiàn)在H4、H5 和H5，分別為7.4 m/s，6.9 m/s和8.2 m/s。A側(cè)入口3個(gè)不同深度截面21 個(gè)測(cè)點(diǎn)流速的平均值為9.0 m/s。此外，SCR 入口A 側(cè)流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著低于改造前，分別為1.0 m/s 和11.4%。對(duì)于SCR 入口B側(cè)煙道3個(gè)不同選定測(cè)量截面的最大值同樣出現(xiàn)在H1，分別為10.3 m/s、11.2 m/s、10.8 m/s，最小值分別出現(xiàn)在H3、H4、H6測(cè)點(diǎn)，分別為7.5 m/s、8.5 m/s 和7.8 m/s。B 側(cè)煙道3 個(gè)不同深度選定測(cè)量截面21個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速均值為9.2 m/s，與A側(cè)的均值僅相差0.2 m/s。相較于改造前B側(cè)煙道的標(biāo)準(zhǔn)偏差值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低，分別為1.0 m/s 和10.7%。此外，A 側(cè)入口煙道流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差值相同，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅差0.4%，所以改造后SCR 入口煙道A、B 兩側(cè)的速度分布均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，顯著改善了SCR 入口流道的流場(chǎng)分布，且滿(mǎn)足相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤15%[20]。

圖10 SCR進(jìn)口A、B側(cè)煙道流速分布Fig.10 Velocity distribution in the A and B side flues of SCR inlet

圖11 A、B側(cè)煙道風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值Fig.11 Statistical values of wind speed in A and B side flues

3.2.2 改造后SCR入口NOx分布

同樣的，改造后SCR 入口的NOx分布選定的測(cè)量截面同樣為3個(gè)不同深度的截面D1、D2和D3，見(jiàn)圖12—圖14。由圖可知，A 側(cè)入口煙道選定的3 個(gè)不同深度截面O2質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在H3、H2 和H3，分別為3.88 mg/m3、4.23 mg/m3和4.51 mg/m3；O2質(zhì)量濃度最小值均出現(xiàn)在H6、H5 和H6，分別為3.26 mg/m3、3.23 mg/m3和3.12 mg/m3。根據(jù)入口3個(gè)不同深度截面的O2質(zhì)量濃度，計(jì)算對(duì)應(yīng)6%標(biāo)準(zhǔn)氧的NOx質(zhì)量濃度。由圖13可知，D1、D2和D3的NOx質(zhì)量濃度最大值分別出現(xiàn)在H5、H7 和H1 測(cè)點(diǎn)，為256.1 mg/m3、272.2 mg/m3和271.6 mg/m3；最小值出現(xiàn)在H6，為234.6 mg/m3、239.5 mg/m3和223.4 mg/m3。A 側(cè)D1、D2 和D3 截面21 個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度平均值為250.7 mg/m3。此外，相較于改造前，改造后的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低，分別降低了19.6 mg/m3和10.5%。B側(cè)入口煙道3個(gè)不同深度截面D1、D2 和D3 的O2質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在H7、H1和H6，分別為4.62 mg/m3、3.87 mg/m3和3.92 mg/m3。3個(gè)不同深度截面的NOx質(zhì)量濃度最大值分別出現(xiàn)在H7、H3和H6測(cè)點(diǎn)，分別為279.8 mg/m3、266.6 mg/m3和279.9 mg/m3；最小值出現(xiàn)在H1、H2 和H1，分別為229.7 mg/m3、240.7 mg/m3和260.9 mg/m3。B 側(cè)D1、D2 和D3 截面21 個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度平均值為260.5 mg/m3。相較于改造前B 側(cè)煙道，改造后的B側(cè)煙道NOx的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別降低了19.2 mg/m3和10.3%。對(duì)比改造前后SCR 入口A、B兩側(cè)煙道NOx質(zhì)量濃度，顯著增加煙道內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布的均勻性；對(duì)比改造后的A、B 兩側(cè)煙道NOx質(zhì)量濃度，標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別相差0.4 mg/m3和0.2%，表明改造后的SCR入口A、B兩側(cè)煙道的NOx分布均勻，且符合改造要求。

圖12 SCR進(jìn)口A、B側(cè)煙道O2分布Fig.12 O2 distribution of SCR inlet A and B side flue

圖13 SCR進(jìn)口A、B側(cè)煙道NOx分布Fig.13 NOx distribution of SCR inlet A and B side flue

圖14 SCR進(jìn)口A、B側(cè)煙道NOx統(tǒng)計(jì)Fig.14 NOx statistics of SCR inlet A and B side flue

3.2.3 改造后SCR出口NOx分布

改造后SCR出口的A、B兩側(cè)煙道同樣選取3個(gè)不同深度（D1、D2 和D3）的截面測(cè)試NOx分布，結(jié)果如圖15—17所示。由圖可知，A側(cè)入口煙道選定的3 個(gè)不同深度截面O2質(zhì)量濃度最大值分別出現(xiàn)在H4、H1和H1，為3.51 mg/m3，4.21 mg/m3和3.95 mg/m3；最小值分別出現(xiàn)在H5、H7和H4，分別為3.11 mg/m3，3.14 mg/m3和2.99 mg/m3。D1、D2和D3的NOx質(zhì)量濃度最大值分別出現(xiàn)在H1、H1 和H7，為46.8 mg/m3、60.3 mg/m3和57.4 mg/m3；最小值均出現(xiàn)在H5，分別為37.9 mg/m3、38.6 mg/m3和49.9 mg/m3。D1、D2和D3 不同的測(cè)量截面上21 個(gè)測(cè)點(diǎn)NOx質(zhì)量濃度的均值為47.1 mg/m3，相較于改造前降低了16 mg/m3，符合超低排放要求。相較于改造前，SCR 出口A 側(cè)煙道NOx質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低，分別降低了6.5 mg/m3和7.2%。SCR 出口B側(cè)煙道3個(gè)不同深度的O2質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在H7、H7和H2，為4.12 mg/m3、3.76 mg/m3和3.95 mg/m3；最小值分別出現(xiàn)在H1、H3 和H3，分別為3.23 mg/m3、3.23 mg/m3和3.27 mg/m3。D1、D2和D3的NOx質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在H7、H5 和H7，分別為56.3 mg/m3、59.0 mg/m3和59.5 mg/m3；最小值出現(xiàn)在H1、H6 和H1，分別為35.9mg/m3、46.5mg/m3和41.1mg/m3。D1、D2和D3 截面21 個(gè)測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度的平均值為51.6 mg/m3，比改造前顯著降低了13.6 mg/m3。相較于改造前，改造后SCR 出口B 側(cè)煙道3 個(gè)不同深度截面的21 個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低，分別降低了7.6 mg/m3和9.15%。SCR 出口A、B兩側(cè)的NOx質(zhì)量濃度均值相差4.5 mg/m3，標(biāo)準(zhǔn)偏差相差0.7 mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相差0.2%，所以改造后SCR 出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻，且滿(mǎn)足超低排放要求，達(dá)到了改造的目的。

圖15 SCR出口A、B側(cè)煙道O2分布Fig.15 O2 distribution of SCR outlet A and B side flues

圖16 SCR出口A、B側(cè)煙道NOx分布Fig.16 NOx distribution of SCR outlet A and B side flues

圖17 SCR出口A、B側(cè)煙道NOx統(tǒng)計(jì)Fig.17 NOx statistics of SCR outlet A and B side flue

3.2.4 精準(zhǔn)噴氨改造噴氨量計(jì)算對(duì)比

調(diào)取2 號(hào)鍋爐SCR 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后5 天，每天相同6 h 的歷史參數(shù)，選取SCR 測(cè)量截面A、B 兩側(cè)的噴氨量進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)對(duì)比結(jié)果分析改造效果，改造前后選定測(cè)量截面A、B兩側(cè)的噴氨量分別如表1 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，5 天中，SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx平均質(zhì)量濃度為208 mg/m3，發(fā)電量為200 MWh。A 側(cè)6 h 累計(jì)噴氨量為146～185 kg，B 側(cè)6 h累計(jì)噴氨量為158～179 kg；單天A、B兩側(cè)累計(jì)噴氨量304～364 kg；單天每小時(shí)噴氨量55.0～60.7 kg；6天內(nèi)平均每小時(shí)噴氨量為55.6 kg。液氮單耗量為0.278 3 kg/MWh。

表1 改造前、后SCR系統(tǒng)噴氨統(tǒng)計(jì)Tab.1 Ammonia injection statistics of SCR system before and after renovation

改造后，SCR 脫硝系統(tǒng)入口NOx平均質(zhì)量濃度為255 mg/m3，發(fā)電量為200 MWh。A 側(cè)6 h 累計(jì)噴氨量介于135～143 kg，B側(cè)6 h累計(jì)噴氨量介于149～162 kg；單天A、B 兩側(cè)累計(jì)噴氨量介于292～303 kg；單天每小時(shí)噴氨量為48.7～50.5 kg。5 天內(nèi)平均每小時(shí)噴氨量49.5 kg。液氮單耗量0.200 9 kg/MWh，比改造前的液氨單耗降低0.077 kg/MWh，降低了27.8%。一方面，因經(jīng)過(guò)優(yōu)化后流場(chǎng)和NOx、O2分布均勻，NH3噴入反應(yīng)器后可更均勻的和NOx混合，并進(jìn)行NH3-NOx催化還原反應(yīng)，NH3-NOx可更充分進(jìn)行反應(yīng)。其次，流場(chǎng)優(yōu)化后，煙道A、B 兩側(cè)的煙氣分布更均勻，避免了SCR 的溫度因?yàn)闊煔饬魉俸蚇Ox組分的不均勻而導(dǎo)致溫度不均勻，使得全部的SCR催化劑均處于NH3-NOx催化還原的最佳反應(yīng)溫度窗口內(nèi)。另一方面，在SCR 精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化中，建立了動(dòng)態(tài)燃燒模型對(duì)燃煤機(jī)組燃燒工況與NOx質(zhì)量濃度歷史相關(guān)性的自學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，并利用遺傳算法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，所以在鍋爐變負(fù)荷過(guò)程中，可快速精準(zhǔn)預(yù)測(cè)NOx排放量，并快速反饋到SCR 噴氨控制閥門(mén)，避免過(guò)量的氨噴入反應(yīng)器內(nèi)。此外，建立了被控系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)模型，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)在線訓(xùn)練，使其逼近真實(shí)控制系統(tǒng)。依據(jù)脫硝系統(tǒng)的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過(guò)模型實(shí)時(shí)計(jì)算，可以確定在實(shí)際運(yùn)行工況下的最優(yōu)控制目標(biāo)。所以，在經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專(zhuān)家控制等復(fù)雜人工智能算法和控制組態(tài)，對(duì)各瞬態(tài)過(guò)程中SCR系統(tǒng)的噴氨量可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)SCR 的流場(chǎng)優(yōu)化和噴氨精準(zhǔn)控制，一方面NH3-NOx可以反應(yīng)更充分，同時(shí)SCR 催化劑表面分布更加均勻，使其全部處在SCR 反應(yīng)的最佳溫度窗口。同時(shí)，在瞬態(tài)過(guò)程中可以根據(jù)不同負(fù)荷精準(zhǔn)預(yù)估NOx生成量，并反饋給噴氨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)噴NH3的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

間歇性可再生能源在電網(wǎng)中的高滲透率，使得燃煤機(jī)組在瞬態(tài)過(guò)程中NOx的生成速率和SCR系統(tǒng)性能不斷變化，導(dǎo)致向煙道中的氨噴入量很難精確控制。本文基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)燃煤鍋爐的省煤器出口煙道導(dǎo)板和SCR頂部導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，建立被控系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，利用人工智能算法在線完善模型，實(shí)現(xiàn)了SCR系統(tǒng)中流場(chǎng)和NOx分布均勻，達(dá)到了精準(zhǔn)控制噴氨量的目的。