CN107158946B - 一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，包括如下步骤：S1：现场测试SCR反应器入口和/或出口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度；S2：利用所述步骤S1获取的数据，计算当前的实际机组负荷下的反应器潜能，并根据DCS表盘显示的反应器入口NOx浓度、脱硝效率来实时预测氨逃逸浓度；S3：根据氨逃逸浓度预测值和预先设计的氨逃逸浓度上限值，预测未来一段时间内的氨逃逸浓度，并通过人工或者自动化的方式控制喷氨量。本发明可根据SCR反应器入口烟气条件和运行脱硝效率，预测实际的氨逃逸浓度，合理控制喷氨流量和脱硝效率，并及时预警脱硝性能提效，控制和减少氨逃逸浓度，减轻对下游空气预热器的堵塞影响。

Description

一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法

技术领域

本发明属于火力发电厂SCR烟气脱硝设备运行过程中的氨逃逸浓度控制领域，具体地是涉及一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法。

背景技术

选择性催化还原方法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是目前国内外大型燃煤机组上广泛采用的主要脱硝工艺。SCR脱硝工艺以氨(NH₃)为还原剂，氨气经喷氨格栅喷入烟道，与烟气充分混合，进入SCR反应器，在多层催化剂作用下，把烟气中的NO_x还原成N₂和H₂O，完成NO_X的脱除。其中脱硝效率和氨逃逸浓度是脱硝设备相互依存的两个最重要性能指标。对于给定的脱硝设备，脱硝效率越高，对应的氨逃逸浓度也越大。脱硝设备性能随运行时间劣化过程中，脱硝效率维持不变时，对应的氨逃逸浓度会逐渐增加。脱硝反应器出口烟气中的逃逸氨，会与烟气中的SO3在空气预热器冷端约140-220℃温度区间生成高粘性硫酸氢铵，在换热元件表面沾粘烟气中的飞灰颗粒，逐渐累积在换热元件之间形成堵塞，减小烟气通流面积，增加空气预热器烟气侧阻力。空气预热器常规设计烟气阻力约1.0kPa，因硫酸氢铵堵塞而运行阻力约1.5-2.0kPa，甚至高达3.5kPa，不仅大幅度增加引风机电耗(每千帕阻力增加的引风机电流：300MW机组约30A，600MW机组约60A，1000MW机组约100A)，甚至严重影响机组带负荷。

减少脱硝反应器出口烟气中的氨逃逸浓度是解决空气预热器硫酸氢铵堵塞的根本措施，为此，SCR采用在线氨逃逸CEMS仪表来检测烟气中的氨逃逸浓度，据此控制喷氨量防止氨逃逸浓度过大。氨逃逸CEMS仪表主要采用原位式或者抽取式可调谐半导体激光吸收光谱法进行测量，受烟尘浓度、空间振动以及大截面单点测量代表性低等因素的影响，在线CEMS仪表显示值普遍不可靠。这使得SCR喷氨量控制处于无依据的盲目状态，经常造成氨逃逸过大了而不自知，并直至脱硝设备性能低于临界性能和空气预热器堵塞严重了，才考虑催化剂性能提效，使得此后催化剂采购期间的氨逃逸一直过大，加剧下游硫酸氢铵堵塞。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

针对SCR烟气脱硝氨逃逸浓度在线CEMS检测不可靠而引发的空气预热器硫酸氢铵严重堵塞问题，本发明提供了一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，包括如下步骤：

S1：现场测试SCR反应器入口和/或出口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度；

S2：利用所述步骤S1获取的数据，计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能，并根据DCS表盘显示的SCR反应器入口NOx浓度和脱硝效率实时预测氨逃逸浓度；

S3：根据氨逃逸浓度预测值和预先设计的氨逃逸浓度上限值，预测未来一段时间内的氨逃逸浓度，并通过人工或者自动化的方式控制喷氨量。

优选地，所述步骤S1具体包括：

在机组高、中、低3个负荷点下现场测试SCR反应器入口的NOx浓度、NH₃/N0x摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21：利用式1计算各负荷点的脱硝反应器潜能P；

式中，P为脱硝反应器潜能；M_R为NH₃/NOx摩尔比；η为脱硝效率；

S22：利用式2的插值法预测机组各负荷点的反应器潜能P_L；

式中，P_L为机组负荷L下的反应器潜能；L为机组实际运行负荷；

低为最近一次现场实测的高中低负荷下的反应器潜能；L_高、L_中、L_低为最近一次现场实测时的机组高中低负荷；

S23：利用式3计算脱硝反应器潜能P随时间的劣化趋势函数；

式中，λ_τ为劣化趋势函数；τ为最近一次催化剂更换到当前的累积运行时间；A为时间常数；

S24：基于最近一次现场测试计算的机组高中低负荷下的反应器潜能，结合式2和式3计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能；

P_L，τ＝P_L×λ_τ (4)

式中，P_L，τ为机组当前实际运行负荷L下的SCR反应器潜能；

S25：用式5实时计算氨逃逸预测值；

式中，

为氨逃逸预测值；P_L，τ为当前机组实际负荷L下的脱硝反应器潜能；C_Nox，in为SCR入口运行在线显示的NOx浓度。

优选地，时间常数A的取值范围在50000h-100000h之间。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，利用定期现场测试的脱硝反应器潜能来预测氨逃逸浓度的方法，可实时根据SCR反应器入口烟气条件和运行脱硝效率，预测实际的氨逃逸浓度，据此合理控制喷氨流量和脱硝效率，并及时预警脱硝性能提效，控制和减少氨逃逸浓度，减轻对下游空气预热器的硫酸氢铵堵塞影响。

附图说明

图1为本发明所述的氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法的流程示意图；

图2为现场测试的原理图。

其中：1为锅炉，2为锅炉省煤器，3为SCR入口烟气，4为SCR反应器，5为催化剂层，6为出口NOx、NH3测点，7为入口NOx、NH3测点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为符合本发明的一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，包括如下步骤：

S1：现场测试SCR反应器入口和/或出口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度；

S2：利用所述步骤S1获取的数据，计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能，并根据DCS表盘显示的SCR反应器入口的NOx浓度和脱硝效率实时预测氨逃逸浓度；

S3：根据氨逃逸浓度预测值和预先设计的氨逃逸浓度上限值，预测未来一段时间内的氨逃逸浓度，并通过人工或者自动化的方式控制喷氨量。

优选地，所述步骤S1具体包括：

在机组高、中、低3个负荷点下现场测试SCR反应器入口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度。

优选地，所述步骤S2具体包括：

S21：利用式1计算各负荷点的脱硝反应器潜能P；

式中，P为脱硝反应器潜能；M_R为NH₃/NOx摩尔比；η为脱硝效率；

S22：利用式2的插值法预测机组各负荷点的反应器潜能P_L；

式中，P_L为机组负荷L下的反应器潜能；L为机组实际运行负荷，MW；

为最近一次现场实测的高中低负荷下的反应器潜能；L_高、L_中、L_低为最近一次现场实测时的机组高中低负荷，MW；

S23：利用式3计算脱硝反应器潜能P随时间的劣化趋势函数；

式中，λ_τ为劣化趋势函数；τ为最近一次催化剂更换到当前的累积运行时间，h；A为时间常数；

S24：基于最近一次现场测试计算的机组高中低负荷下的反应器潜能，结合式2和式3计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能；

P_L，τ＝P_L×λ_τ (4)

式中，P_L，τ为机组当前实际运行负荷L下的SCR反应器潜能；

S25：用式5实时计算氨逃逸预测值；

式中，

为氨逃逸预测值，mg/m³；P_L，τ为当前机组实际负荷L下的脱硝反应器潜能；C_NOx，in为SCR入口运行在线显示的NOx浓度，mg/m³。

优选地，时间常数A的取值范围在50000h-100000h之间。

优选地，所述步骤S3中的氨逃逸浓度上限值≤2.28mg/m³。

为解决在线CEMS仪表检测不可靠所引发的氨逃逸过大和下游硫酸氢铵堵塞问题，在对SCR脱硝性能的内在规律研究基础上，本发明提出利用现场定期测定的脱硝反应器潜能来预测实际运行氨逃逸浓度的方法，用于控制脱硝喷氨量和预警脱硝性能提效。技术方案具体如下：

1)定期每年一次，至少在机组高、中、低(常规为100％、75％、50％)3个负荷点下现场测试SCR反应器入口NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度，用式1计算各负荷点的脱硝反应器潜能P，利用插值法(式2)预测机组45-100％负荷范围内各负荷点的反应器潜能P_L。其中数据获取方法参见附图2，其中锅炉1，锅炉省煤器2，SCR入口烟气3，SCR反应器4，催化剂层5，出口NOx、NH3测点6，入口NOx、NH₃测点7。通过在出口NOx、NH₃测点6和入口NOx、NH3测点7进行现场测试。

式中：

P为脱硝反应器潜能；M_R为NH₃/NOx摩尔比；η为脱硝效率；P_L为机组负荷L下的反应器潜能；L为机组运行负荷，MW；

为最近一次现场实测的高中低负荷下的反应器潜能；L_高、L_中、L_低为为最近一次现场实测时的机组高中低负荷，MW。

2)根据多次现场测试评估的SCR反应器潜能P，回归反应器潜能P随时间的劣化趋势函数(式3)。受催化剂本体质量、入口烟气中的化学元素和飞灰堵塞磨损程度的不同，反应器潜能劣化函数的时间常数A在50000h到100000h之间变化，时间常数越大，表明催化剂的劣化速率越慢。

式中：

λ_τ为反应器潜能劣化函数；τ为最近一次催化剂更换到当前的累积运行时间，h；A为时间常数。

3)基于最近一次现场测试计算的机组高中低负荷下的反应器潜能，利用式2和式3计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能P_L，τ。

P_L，τ＝P_L×λ_τ (4)

式中：P_L，τ为机组当前实际运行负荷L下的SCR反应器潜能。

4)根据脱硝反应器性能与NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率之间的内在对应关系，根据式4预测的当前机组实际运行负荷下的反应器潜能，针对SCR实际运行入口NOx浓度和脱硝效率，用式5实时预测氨逃逸浓度。

式中：

为实时预测的氨逃逸浓度，mg/m³；P_L，τ为当前机组实际负荷L下的脱硝反应器潜能；C_NOx，in为SCR入口运行在线显示的NOx浓度，mg/m³。

5)SCR喷氨量越大，脱硝效率越高，出口NOx浓度越低，氨逃逸浓度越大。实际运行过程中，应控制喷氨量使NOx排放浓度小于超低排放50mg/m³限值。根据实际运行的SCR入口NOx浓度和脱硝效率，用式5实时预测SCR氨逃逸浓度。当氨逃逸浓度大于设计上限(常规为2.28mg/m³，部分高硫煤机组为1.5mg/m³)和NOx排放浓度远小于50mg/m³时，应逐渐减少喷氨量，将NOx排放浓度提高到40-50mg/m³，适当降低脱硝效率和氨逃逸浓度，减轻下游空气预热器的硫酸氢铵堵塞。根据氨逃逸预测值，既可人工手动控制喷氨量，也可纳入喷氨控制逻辑中实现自动控制。

6)随运行时间增加，SCR反应器潜能逐渐降低，在控制相同的脱硝效率下，氨逃逸浓度会逐渐增加。针对SCR入口NOx浓度，在确保NOx达标排放的前提下，用式4和式5预测未来半年、1年后机组全负荷范围内各负荷点的氨逃逸浓度。当预测的氨逃逸浓度接近或者大于设计上限时，应根据氨逃逸浓度预警提前做好脱硝提效决策，如停机提效改造时间，催化剂层增加、更换、再生方案等。

下面以一个实施例进行具体说明。

该600MW机组SCR烟气脱硝装置按“2+1”模式布置3层催化剂，其中第一、二层在2009年11月安装，第三层在2014年5月安装。以此机组为案例，结合部分现场测试数据，对氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法的实施方式加以说明：

1)定期每年在机组检修后，每次至少在高、中、低3个负荷点下，利用反应器进出口烟道截面网格法布置的烟气取样装置，采集和分析NOx浓度分布，并在反应器出口选择6个代表点采集和分析氨逃逸浓度，用算术平均法计算反应器进出口的NOx平均浓度和出口氨逃逸平均浓度。在机组高、中、低负荷点下，分别用式1计算SCR反应器潜能。

下表1是在2014年和2016年现场测试的SCR性能数据。

表1

2)两次现场测试的实际运行间隔时间约19375h，计算反应器潜能劣化时间常数约为97000h。结合最近一次的现场测试值，可用式4可预测当前机组实际运行负荷点下的SCR反应器潜能。

3)根据机组DCS监测的机组负荷、脱硝反应器进口NOx浓度、脱硝效率，用式5实时预测氨逃逸浓度，可指导运行人员合理调节喷氨量，避免氨逃逸浓度超过设计上限。

4)基于2016年12月测试的反应器潜能及其劣化规律，按照当前的SCR入口NOx浓度、脱硝效率，预测氨逃逸浓度达到2.28mg/m³上限前，还可继续运行约4500h。届时，需通过第一层催化剂更换或者第一二层催化剂再生等方式，提高SCR脱硝性能，使氨逃逸浓度降低到设计上限以下，并长期运行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：现场测试SCR反应器入口和/或出口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度，在机组高、中、低3个负荷点下现场测试SCR反应器入口的NOx浓度、NH₃/NOx摩尔比、脱硝效率和氨逃逸浓度；

S2：利用所述步骤S1获取的数据，计算当前机组实际运行负荷下的反应器潜能，并根据DCS表盘显示SCR反应器入口的NOx浓度和脱硝效率来实时预测氨逃逸浓度；

S3：根据氨逃逸浓度预测值和预先设计的氨逃逸浓度上限值，预测未来一段时间内的氨逃逸浓度，并通过人工或者自动化的方式控制喷氨量；

其中所述步骤S2具体包括：

S21：利用式1计算各负荷点的脱硝反应器潜能P；

式中，P为脱硝反应器潜能；M_R为NH₃/NOx摩尔比；η为脱硝效率；

S22：利用式2的插值法预测机组各负荷点的反应器潜能P_L；

式中，P_L为机组负荷L下的反应器潜能；L为机组实际运行负荷；

为最近一次现场实测的高中低负荷下的反应器潜能；L_高、L_中、L_低为最近一次现场实测时的机组高中低负荷；

S23：利用式3计算脱硝反应器潜能P随时间的劣化趋势函数；

式中，λ_τ为劣化趋势函数；τ为最近一次催化剂更换到当前的累积运行时间；A为时间常数；

S24：基于最近一次现场测试计算的机组高中低负荷下的反应器潜能，结合式2和式3计算当前机组实际运行负荷下的SCR反应器潜能；

P_L,τ＝P_L×λ_τ (4)

式中，P_L,τ为机组当前实际运行负荷L下的SCR反应器潜能；

S25：用式5实时计算氨逃逸预测值；

式中，

为氨逃逸预测；P_L,τ为当前机组实际负荷L下的脱硝反应器潜能；C_NOx,in为SCR入口运行在线显示的NOx浓度。

2.如权利要求1所述的氨逃逸浓度实时在线预测与控制方法，其特征在于：时间常数A的取值范围在50000h-100000h之间。

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