烟气流场及浓度场多模式协同控制策略研究
陕西德源府谷能源有限公司
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
陕西德源府谷能源有限公司是国家“西电东送”北部通道的主力电源点。为积极响应国家能源集团智能化战略部署，并满足自身日益提高的精细化、精益化、智能化和智慧化管理需求，公司针对锅炉SCR反应器入口烟道狭长弯头多、布置曲折，烟气流场复杂，气流分布非常不均匀，脱硝系统存在严重堵灰和磨损情况，导致催化剂利用率低影响整体脱硝效率；SCR入口NH3/NOX混合不均匀，使环保排放指标难以控制，往往发生氮氧化物瞬时值超标现象。脱硝系统喷氨仅对母管控制，无法进行区域性的喷氨调节，加上流场的不均匀性和变负荷变工况下流场的复杂性，在满足日益趋严的环保排放指标要求下，往往造成局部氨逃逸率升高，影响脱硝系统下游设备的安全运行。SCR出口烟道截面非常大，流场不均和复杂多变以及催化剂单元性能不一，CEMS单点测量代表性差，不能代表整个烟道截面上NOx的分布浓度，导致喷氨控制无法投入自动，依据此数据来组织喷氨难免造成烟道内区域性的氨量“过喷”或“欠喷”的现象发生。脱硝系统监控水平仅停留在总需求量控制基础上，无法适应变工况的及时控制调节，尤其是机组煤质和负荷变化频繁工况。现有喷氨控制系统控制策略及参数设计不合理，造成喷氨总量控制系统调节性能差，空预器易堵塞。对脱硝控制进行相应的改造。
2.主要创新点概述
（1）脱硝系统全烟道流场、喷氨、混合等全方面的优化，对脱硝装置烟道进行综合评估并采取必要的优化措施，提升原有脱硝系统烟道的整体性能。
（2）NOX和O2多点两同步测量技术，由于流场的复杂性及烟气快速流动性，各区域的上NOx数据同步性非常重要，不同时刻各区域内的烟气没有可比性，不能对各区域均衡喷氨提供准确数据。因此同步性作为多点测量的关键！由于气体流动时扩散特性（非液体和固体流动时遵循堆栈原则），为满足关键技术同步性选定储气罐样气锁存技术，实现100%同步性。
（3）总量与分区域协同控制策略，采用总量喷氨量级控制和分区域矩阵均衡控制，实现总量粗调+分区精调+支路细调三级的协同控制。
（4）针对脱硝过程的非线性、大滞后和快时变的特点以及现有测量系统延迟大、表征性差等问题，研究脱硝系统机组状态的喷氨智能前馈技术。
3.技术实现路径及方法
（1）流场优化
流场优化后模拟结果分析
根据改造前流场存在的问题，提出优化脱硝装置措施（如图所示），包括：
1）在省煤器出口水平扩张烟道合理优化导流板；
2）在整流格栅上游增设导流板；
3）在反应器出口上游转弯烟道处增设导流板。
优化后省煤器出口水平扩张烟道合理设置导流板，消除了该区域的大范围涡流，能有效减轻积灰；优化后喷氨区域的速度分布均匀性大幅改善，有利于该区域均匀喷氨，大大强化了氨气和烟气的混合，使得催化剂入口氨浓度分布均匀，很大程度上提高了脱硝效率；优化后在反应器出口烟道弯头处设置了导流板，空预器入口速度分布均匀，无明显高速区，解决了空预器磨损严重的问题。按此优化方案对脱硝装置进行了提效改造，脱硝效率得到了显著提升，烟道积灰和空预器磨损问题得以解决，使脱硝装置高效、稳定运行。
（2）多点同源同步测量
对于大尺度、宽幅烟道截面采用多点网格同步测量是必要的，能够同步测量SCR出口污染物分布状况，获取烟道污染物的真实分布数据，从而依据NOX分布情况合理组织喷氨。对锅炉脱硝催化剂进行分区域检测，了解不同区域催化剂性能、分区域脱硝效率、及时发现催化剂磨损、积灰等问题。
多点同步NOX测量系统，能够同时测量烟气中NOX和O2。采用成熟可靠的烟气分析系统和独特的烟气取样、储存专利技术，在线获取同一时刻整个烟道截面内不同区域多点烟气成分数据。
1）关键技术：
两同步取样：一各取样点为同步，须同时刻烟气；二同一个取样点多组份测量同步，须同源数据（即一份样气同时分析出NOX和O2浓度）；SCR流场多变快，测量的同步性尤为重要。
2）测量原理：
采用烟气锁存技术，同时采样、同时存储、逐次分析，快速扫描烟道内某截面同时刻污染浓度数据，不受复杂流场变化的影响，实现同一截面同一时刻的多点同步测量，真实反映烟道截面上烟气同一时刻污染物的分布情况。各测点取样装置通过伴热取样复合管连接至控制柜中储气装置中，同一时刻抽取各测点烟气，分别储存在储气装置内，控制储气装置上的操纵器与电磁阀形成抽取和排污的气路，系统将进行2-3次抽取和排空，将取样管线及储气装置中残留的气体和污染物置换完，全部测点对应的储气装置同时动作，保证了取样的同步性和可比性。储气装置内储存的烟气在分析泵的牵引下经冷凝除水、过滤、NO2转NO等预处理，依次进入分析仪表进行成分分析，待仪表数据稳定后，记录各测量数据。对各测点数据分析计算可获得烟道内同一截面同一时刻不同区域内污染物（NOX、O2）数据，并统一上传至集控画面。系统自动依次对各测点进行吹扫，整个过程在PLC的控制下自动运行。
3）多点测量系统测点分区
根据AIG喷氨格栅分区设计及脱硝装置烟道布局，将SCR出口烟道划分为6-8个区域，布置取样装置，结合SCR出口烟道尺寸及现场空间便于巡检维护等各方面的考虑，优先选取流速平稳、竖直段烟道，对应分区规划安装测点取样装置。
4）取样装置
采用便于维护的一体防堵装置，选用防腐耐磨材料，适合冲刷磨损大、不同煤质腐蚀性较强的烟气环境，且维护量较小。
设有加热和保温，确保不因温度降低产生凝结水导致堵塞。
配备钛合金滤网，过滤精度为2um，抽取的烟气更干净。
采用防腐耐磨材料及防磨工艺制作，便于拆装且可在线拆装更换。
配备定时自动吹扫功能，逐个独立吹扫，且吹扫不占用分析时间，杜绝堵塞问题。
（3）分区喷氨设计
解决手动喷氨调阀无法实现喷氨量的实时调节，根据现场烟道状况及相关数据分析后，对手动阀门前的管路进行合并改造，增设调节门，可实时对喷氨量进行控制。根据脱硝系统SCR入口喷氨格栅支管布置情况，结合喷氨格栅管道施工图纸，初步设计将烟道划分为2*8个区。根据区域划分方式对各喷氨格栅支管进行合并改造，相应增加16台气动调节阀，并通过I/O卡件接入DCS系统实现远程控制。改造后每台调节阀根据所对应的区域NOx值自动调节，代替传统的“以点代面、均匀喷氨”的模式，真正实现按需喷氨。
考虑到脱硝区域的腐蚀、高尘等环境因素，气动调节阀的定位器选用优质品牌定位器，常用调节范围在0～100%之间，故障后调门自动全开。为了便于检修，调节阀前保留原有手动门。
3）多点测量系统测点分区
根据AIG喷氨格栅分区设计及脱硝装置烟道布局，将SCR出口烟道划分为6-8个区域，布置取样装置，结合SCR出口烟道尺寸及现场空间便于巡检维护等各方面的考虑，优先选取流速平稳、竖直段烟道，对应分区规划安装测点取样装置。
4）取样装置
采用便于维护的一体防堵装置，选用防腐耐磨材料，适合冲刷磨损大、不同煤质腐蚀性较强的烟气环境，且维护量较小。
设有加热和保温，确保不因温度降低产生凝结水导致堵塞。
配备钛合金滤网，过滤精度为2um，抽取的烟气更干净。
采用防腐耐磨材料及防磨工艺制作，便于拆装且可在线拆装更换。
配备定时自动吹扫功能，逐个独立吹扫，且吹扫不占用分析时间，杜绝堵塞问题。
（3）分区喷氨设计
解决手动喷氨调阀无法实现喷氨量的实时调节，根据现场烟道状况及相关数据分析后，对手动阀门前的管路进行合并改造，增设调节门，可实时对喷氨量进行控制。根据脱硝系统SCR入口喷氨格栅支管布置情况，结合喷氨格栅管道施工图纸，初步设计将烟道划分为2*8个区。根据区域划分方式对各喷氨格栅支管进行合并改造，相应增加16台气动调节阀，并通过I/O卡件接入DCS系统实现远程控制。改造后每台调节阀根据所对应的区域NOx值自动调节，代替传统的“以点代面、均匀喷氨”的模式，真正实现按需喷氨。
考虑到脱硝区域的腐蚀、高尘等环境因素，气动调节阀的定位器选用优质品牌定位器，常用调节范围在0～100%之间，故障后调门自动全开。为了便于检修，调节阀前保留原有手动门。
（4）多模式协同控制
采用“母管量级粗调”+“区域均衡细调” +“支管微动精调”三级的协同控制。优化控制系统采用DCS一体化设计的控制方式，增加与机组相同型号的I/O卡件用于接入测量系统测量数据以及气动调节阀监控。将多点测量系统的SCR烟道污染物的分布状况在集控室实时显示；同时根据机组相关的运行数据，如负荷、风量、氧量、磨机、给煤机等等相关的数据输入到优化控制系统内，通过控制算法进行分析处理并参与算法逻辑计算。
1）分区控制策略
采用多维模糊推理算法构建分区控制的多维前馈，能够有效提升系统的快速补偿、克服脱硝系统的滞后性，根据不同的工况组合推理各区域喷氨阀门开度，实现变工况下SCR 出口NOX浓度场的快速调平控制。多维模糊推理算法依据专家经验和模糊决策，由离线计算得到控制查询表，便能综合分析影响NOX浓度场的主要工况状态信息量，使系统在变工况时能够快速准确的对喷氨阀门进行调整。它可以逐步积累试验得到的数据，在闭环控制系统中引入不同工况的调整方案，并推理出各个阀门对应的开度输出，作为喷氨阀门的开度指令，从而达到不同工况下的快速判断调整。
多维模糊控制可实现SCR出口NOX浓度场的快速调平，但无法达到精细化调平的作用。因此为了进一步减小出口NOX的浓度偏差，考虑添加均衡控制算法来实现对系统的“细调”。均衡控制算法根据SCR出口各区域NOX浓度值与均值的偏差修正各区域阀门开度，实现SCR 出口NOX浓度场的精细均衡反馈控制。
2）总量控制策略
在理论需氨量的计算公式，入口NOX浓度和烟气流量是计算需氨量至关重要的参数，其测量的准确程度将决定计算所得需氨量与实际需氨量偏差的大小，偏差太大，主调修正回路无法进行有效地修正调节，从而影响喷氨自动的投入及调节效果。可利用需氨量计算公式进行反向计算，得出总风量与烟气流量的加权系数，在机组负荷稳定的情况下，调整喷氨阀门开度和氨气流量，将SCR出口NOx浓度稳定在设定值附近，记录下当前SCR入口NOX、总风量、设定值、氨气流量数值，代入至需氨量公式反向推理计算优化参数。
脱硝系统的输入参数受锅炉燃烧工况影响很大，由于锅炉运行工况频繁变化，脱硝系统烟气参数也随之频繁波动。传统的NOX控制系统中，往往采用机组负荷指令作为变工况前馈信号来调整喷氨阀门，这种前馈信号的大小固定，策略简单，很明显是不合理的。采用智能前馈技术可解决上述问题。该技术的核心是基于诱因的状态控制，它通过大量的试验全面获取引起NOX改变的扰动因素，重点考虑的因素有负荷大小、负荷变化方向、负荷变化率，磨机运行方式、磨机启停顺序，一、二次风的配比、动作顺序等。
针对脱硝催化剂性能下降，烟气分布偏差较大，SCR出口NOX无规律的快速波动以及频繁超调，机组暂时无法进行停机改造的情况，这时仅仅依靠计算需氨量和智能前馈，也很难保证NOX的平稳排放，还需要设计快速调节回路，在NOX波动较大或者烟囱入口NOX将要超出排放标准时快速调整喷氨阀门，遏制系统超调和震荡。
3）多模式前馈
采用多维模糊推理算法构建分区优化控制的多模式前馈，有效提升系统的快速补偿，能够有效克服脱硝系统的滞后性，根据不同的工况组合计算各区域喷氨阀门开度，实现变工况下SCR 出口NOx 浓度场的快速调平控制。多维模糊推理算法依据专家经验和模糊决策，由离线计算得到控制查询表，便能综合分析影响NOx 浓度场的主要工况状态信息量，使系统在变工况时能够快速准确的对喷氨阀门进行调整。它可以逐步积累试验得到的数据，在闭环控制系统中引入不同工况的调整方案，并推理出各个阀门对应的开度输出，作为喷氨阀门的开度指令，从而达到不同工况下的快速判断调整。
手动调平试验
在稳定负荷下，首先将所有喷氨调节阀开到75%（初步制定），控制SCR出口NOx浓度不超标，通过手动调节喷氨阀门减小NOx浓度相对标准偏差，使浓度场分布更加均匀，并记录当前喷氨格栅阀门调节开度和NOx浓度分布情况；然后逐步调整O2、SOFA、COFA、MILL和TILT的大小并再次对阀门微调，确保NOx浓度相对偏差<20%。
4）均衡控制
多模式前馈可实现SCR出口NOx浓度场的快速调平，但无法达到精细化调节的作用。因此为了进一步减小出口NOx的浓度偏差，考虑添加均衡控制算法来实现对系统的“细调”。均衡控制算法根据SCR出口各区域NOx浓度值与均值的偏差修正各区域阀门开度，实现SCR 出口NOx 浓度场的精细均衡反馈控制。
均衡控制有2*6个输入，分别为SCR出口2*6个测点测得的浓度 与 之差；7个输出分别控制对应的喷氨阀门。当测得出口NOx的 大于给定的目标偏差时，差值为正则开大此区域阀门，反之关小阀门。当 达到目标值时，停止变化。其公式如下：
其中Δf为阀门开度修正值，为尽量减小SCR 出口NOx 浓度，避免阀门开度过大，阀门开度系数k+、k-应取不同值。
5）矩阵控制
根据烟气网格多点测量数据及机组相关的运行数据，首先进行分区域的优化逻辑控制，采用先进的控制算法如多入多出、状态控制等进行NOx的等摩尔比的喷射运算，使得各区域均实现按需喷氨。然后根据DCS的实时测得数据和网格多点测量数据进行NOx的数据进行修正，通过智能前馈控制技术对喷氨总量的进行运算。最后实现总量上的粗调、分区优化精调、各喷氨支管的细调三级调节。机组启动后，各工况条件下投入AIG实时优化系统，根据机组运行状况，满足环保排放的要求及稳定安全运行条件下，对优化控制系统各参数进行最优的调整并最终确定。
6）安全机制策略
优化控制系统设置有一键优化投入和切除的功能，各阀门由此信号可全部投入自动，也可单独进行手/自动切换。系统出现异常或故障时，运行人员可根据运行经验手动调节各喷氨阀门动作到理想的开度。
优化控制系统调节阀开度控制逻辑最后的输出设置开度下限为35%（此值在DCS逻辑组态程序中可通过工程师权限进行修改），即喷氨系统的阀门不会全关而影响机组的运行，另喷氨系统的调节阀主要是应用阀门的上半行程来调节喷氨量。
自动状态下，单个阀门指令与反馈相差10以上或对应的测点测量数据异常，此阀门会切换为手动状态。在出现机组跳闸、负荷低于30%、多点同步测量系统故障等不满足优化系统投运信号时，所有阀门将被强制为手动状态。
4.应用情况及可推广前景简述
烟气流场及浓度场多模式协同控制策略研究系统自 2022 年 11 月在府谷电厂 #1 机组投运以来，运行稳定可靠，实现了控制精度、经济性、安全性及自动化水平的显著提升。该系统通过科学、合理、先进的控制策略及烟气流场优化的调整，解决了脱硝优化系统CEMS单点测量无法反应SCR整个烟道截面NOx分布状况、AIG喷氨无法分区进行实时在线调节喷氨量、SCR烟道内区域喷氨“过喷”或“欠喷”的现象发生。实现不同区域按需喷氨，通过1:1的流场模拟设计，优化烟气混合均匀度及流场分布，减少了烟道后墙的磨损，充分发挥有限体积的催化剂的性能，降低氨逃逸率，提高脱硝效率，为机组设备安全运行提供保障。
5.经济效益及社会效益情况
（1）SCR出口NOx分布的相对偏差每下降10%（按8个小区为计算单元），按5%左右节约氨用量，一台600MW机组用氨量1500吨，每吨2000元左右，每年可约22.5万元左右。
（2）根据国外相关机构的研究数据表明，降低氨量和氨逃逸后，解决区域氨量过喷造成的硫酸氢铵生产物，对催化剂堵塞及更换、空预器堵塞及清洗、除尘设备堵塞及清理等三项设备的清理检修费用100万/年，由于堵塞造成差压高无法带高负荷运行或造成机组非停等费用50万/年。
（3）在环保方面，优化喷氨可进一步提高SCR脱硝效率，帮助燃煤机组达到“洁净排放”和“近零排放”，同时有效预防氨逃逸造成的二次污染；
（4）系统运行后将有效降低NH3逃逸量，可提高空预器效率，减少机组因空预器和布袋除尘器堵塞引起的机组非停几率，提高机组可靠性，减少空预期和布袋除尘器等维护检修费用。
（5）在监控和测量方面，解决了现有测量方式因单点测量和取样点位置的原因导致的表征性差问题，可以准确测量整个截面污染物的分布情况，同时得到准确的污染物浓度平均值。
6.项目案例获专利及奖励情况：
1.实用专利：“喷氨装置及烟气脱硝系统”。
2.相关成果：发表《基于CFD模拟技术SCR脱硝装置精准喷氨改造研究》《分区控制式喷氨格栅脱硝系统流场及喷氨均匀性研究》等论文；获得查新报告、鉴定报告、用户使用报告、模型测试报告等完整技术文档支撑。
申报单位内部评审结论意见：
脱硝系统全烟道流场、喷氨、混合等全方面的优化，对脱硝装置烟道进行综合评估并采取必要的优化措施，提升原有脱硝系统烟道的整体性能。NOX和O2多点两同步测量技术，由于流场的复杂性及烟气快速流动性，各区域的上NOx数据同步性非常重要，不同时刻各区域内的烟气没有可比性，不能对各区域均衡喷氨提供准确数据。因此同步性作为多点测量的关键！由于气体流动时扩散特性（非液体和固体流动时遵循堆栈原则），为满足关键技术同步性选定储气罐样气锁存技术，实现100%同步性。总量与分区域协同控制策略，采用总量喷氨量级控制和分区域矩阵均衡控制，实现总量粗调+分区精调+支路细调三级的协同控制，针对脱硝过程的非线性、大滞后和快时变的特点以及现有测量系统延迟大、表征性差等问题，研究脱硝系统机组状态的喷氨智能前馈技术。经内部评审，一致同意推荐申报 2025 年热电行业高质量发展科技创新项目案例。
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