神华国华寿光发电有限责任公司 山东寿光 262714
摘要：本篇主要对国产1000MW机组脱硝系统精准喷氨技术进行研究，明确精准喷氨的技术思路，在SCR入口烟气流场优化改造的基础上，从浓度取样、巡测、喷氨管路以及控制系统四个部分，对精准喷氨进行优化设计，增加相应的参数测量和控制优化措施，从而达到精确控制喷氨量，提高反应区脱硝效率，并为其他同类型电厂提供技术参考。
关键词：脱硝；优化；喷氨
0 引言
寿光电厂2号机组为国产1013MW超超临界机组，锅炉为东方锅炉厂制造的π型炉，设计有尿素溶解系统和热解炉以及两侧SCR反应器，尿素溶解系统为两台机组公用，每台机组配置一台热解炉，尿素溶液在热解炉内由高温的一次风进行热解，形成高温氨气，喷入两侧SCR反应区对烟气进行脱硝处理。烟气污染排放设计参数为：尘＜3 mg/m3，二氧化硫＜10 mg/m3，Nox＜27 mg/m3，按照环保领跑的管理理念，2号机组运行中烟气污染物排放标准为：尘＜1 mg/m3，二氧化硫＜10 mg/m3，NOx＜20 mg/m3，依据山东省环保管理要求，此排放标准产生的经济效益十分可观。但在此低浓度的排放标准下，脱硝系统喷氨不均匀造成喷氨量较大，氨逃逸多，形成的硫酸氢氨对空气预热器造成了堵塞的难题，烟气侧压差高达1.9Kpa，已经影响到了机组的稳定运行。在此条件下，对脱硝系统进行优化改造十分必要，而开展网格化喷氨设计就是其中一条有效途径。
1 精准喷氨技术思路
此次寿光电厂2号机组精准喷氨改造技术基于NOx快速巡测与闭环调节，在SCR入口烟气流场优化治理的基础上，增加相应的参数测量和控制优化措施，具体包括包括四个部分：1）SCR入口NOx /O2浓度混合采样，获取SCR入口的NOx和O2全截面的混合浓度，为喷氨总量的精确调节提供依据；2）SCR出口NOx/NH3/O2浓度巡测，获取SCR出口的NOx、NH3、O2浓度分布，反映喷氨均匀性效果，进而确定各分区喷氨偏差调节目标值，作为分区喷氨调平优化控制的主信号；3）分区喷氨管路设计，核心是构建“喷氨总阀+分区调平阀（气动）+支管调节阀（手动）”的三级串联调节的执行单元，增加分区氨空流量计，为分区喷氨调平优化控制提供前馈信号；4）控制系统，包括整个控制系统的软、硬件。
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总体设计示意图
整个系统可全面提升喷氨控制的品质，使SCR性能适应超低排放要求，达到节约喷氨量、降低NOx排放浓度、降低空预器堵塞几率、减轻尾部设备（如电除尘极线、除尘滤袋、低压省煤器）积灰等综合效果。
2 SCR入口烟气流场优化治理
采用CFD数值模拟技术对脱硝入口烟道流场进行模拟计算，对SCR入口烟道流场进行现场测试，用以验证数值模拟结果。并对现有流场进行优化设计及改造，以保证SCR入口流场均匀。同时根据流场优化结果，对脱硝出口分区测量与入口喷氨分区调整的对应关系提供理论指导。
SCR入口流场改造后预期可达到的以下指标：第一层催化剂入口的速度分布相对标准偏差CV≤15%，第一层催化剂入口NH3/NOx 摩尔比分布相对标准偏差CV≤5%，第一层催化剂入口烟温分布相对平均值的最大偏差＜±10℃；
3精准喷氨技术内容
3.1 SCR入口NOx/O2浓度混合取样
目前喷氨总阀调节由于SCR入口NOx波动、CEMS测量滞后、单点测量等问题，经常出现调节滞后或超调严重的问题。为了提高SCR入口NOx/O2浓度测量的准确性、实时性和可靠性，采用多点取样系统，获得具有代表性的混合烟气样，经烟气预处理装置后获取满足NOx/O2快速测量仪表工作的分析样气；同时，为进一步提高系统可靠性，采样管路上配置压力、流量、温度等测点，仅在满足测量工艺要求时，才允许打开采样管路上取样阀，以防止取样管路堵塞。具体布置示意图如下图所示。
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混合取样示意图（单侧烟道）
如上图所示，单侧SCR脱硝装置入口截面布置一套多点取样装置，每套装置将SCR入口烟道均匀划分为2×6的网格，在每个网格的中心位置布置采样点，所有采样管路均垂直或大倾角布置，从SCR脱硝装置入口连通至SCR出口或空预器出口，利用系统自身压差形成流动，在取样母管上连续监测NOx/O2浓度。
上述系统与原CEMS测量系统相比，单侧烟道取样扩展至12点混合取样，取样更具代表性；所使用的NOx/O2快速测量分析仪表秒级响应，且采用冗余设计，保证测量的快速性与稳定性；考虑取样管路烟气流动置换时间，测量总迟滞时间也仅为5~10s，相比CEMS测量分钟级别的迟滞已有很大改善，且日常几乎无需维护。
3.2 SCR出口多点分区同步测量系统
测量系统分析仪采用化学发光法原理进行测量，化学发光法是分子发光光谱分析法中的一类，它主要是依据化学检测体系中待测物浓度与体系的化学发光强度在一定条件下呈线性定量关系的原理，利用仪器对体系化学发光强度的检测，而确定待测物含量的一种痕量分析方法。化学发光法的仪器检出限最低，在测定低浓度时准确性最好。
取样系统采用稀释法抽取取样方式，稀释法的烟气抽取法与化学发光法相结合，具有不用除水，系统简单的优势，大大降低了故障停运概率和维护成本。尤其适合超低排放后的NOx测量。分区测量系统烟道网格取样点在同一烟道截面布置8点，同一烟道截面各点公用一台分析仪，保证了分析数据的可比性。分区测量系统根据流场分布规律，单点精确定位，采用独立的防腐耐磨采样枪，采样系统充分考虑了防堵、伴热、便于拆装，同时设置了单点独立吹扫，杜绝多点混合取样、进气量不均、个别管堵塞等问题。
NOx多点分区同步测量的关键是实现对SCR出口截面多分区的测量取样同步，确保测量结果为同一截面同一时刻的测量数据。单侧烟道划分为8个网格区域，每个网格区域设一个取样探头，两侧一共16个网格区域抽取的烟气经预处理和轮测切换装置，送入测量仪表。左右两侧分别配置一套测量仪表系统。
采用一拖一型式的氨逃逸率监测仪表，分析方法为可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）测量技术，取样方式采用原位取样方式。将测量腔安装在烟道内部，通过在烟道截面方向均匀取样，在采样过程中采样路径仅为2.0cm，且同时采用特殊材料内衬以消除氨气吸附作用，这样既可以保证取样时温度和烟气成分不变，同时还可以保证光路具有非常高的稳定性，设备安装方便，维护量小，运行可靠，易于检修。
3.3 分区喷氨管路设计
分区喷氨管路作为精准喷氨的执行层，根据测量结果，对各区的喷氨流量进行再分配，其具体实现方式：如下图所示，把每侧SCR进口截面划分为虚拟的4个分区；由于SCR入口烟道布置特点，烟道向外侧扩张明显，根据流场模拟结果可知，在靠近烟道外侧的扩张区域，烟气流速较低区域，每个分区母管控制3组手动支管，靠近烟道最内侧，烟气流速较高区域，每个分区母管控制2组手动支管。通过在喷氨总管和喷氨支管之间增加喷氨分区调平阀和喷氨分区小母管，并在喷氨分区调平阀前加装氨空流量计，实现虚拟分区；根据测量层反馈，对“总量控制阀+分区调平阀+支管调节阀”三级阀门进行串联控制和调节。
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分区喷氨管路示意图（单侧）
3.4 控制系统
作为脱硝喷氨优化控制系统的大脑，保证SCR进口NOx/O2浓度测量单元、SCR出口NOx/NH3/O2浓度巡测单元、分区喷氨管路单元等协调工作。控制系统外挂实现，与原DCS实时通讯，从而构建完整的脱硝分区喷氨控制系统。
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控制层总体架构
本系统重点实现喷氨总量的精准控制和分区喷氨精准控制的功能，其主要控制逻辑为：根据SCR进口NOx/O2快速测量结果与环保指标控制目标，内置算法快速调节喷氨总量；根据分区巡测结果及内置智能算法得出分区浓度偏差，作为分区调平阀调节目标值，然后对分区调平阀开度进行调整，结合分区氨空流量计的前馈信号，确定完成分区调平工作。
4 结束语
随着环境保护的日益重视，燃煤机组面临的环保压力也越来越大，针对NOx的排放标准也一再提高，脱硝的技术也日新月异，SCR反应区的流场优化，精准喷氨的优化，都是当前研究的重要方向，国华寿光电厂2号机组计划开展的此项网格化喷氨技术，在改造烟气流场的基础上，增加相应的参数测量和控制优化措施，从而达到提高脱硝效率，有效降低NOx排放的目的，同时降低氨逃逸量，现场投用效果显著，有效解决因氨逃逸量大导致的空预器堵塞等严峻问题，为同类型机组提供了值得借鉴的技术经验。
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作者简介：
谢军（1971.9-），男，天津人，本科，工程师，从事发电厂热工自动化生产技术监督和研究工作。