（一）本项目研究内容：喷氨系统分区改造方式；多点测量系统测点分区布置方式；开发NO_X/O₂多点测量系统；开发总量与分区协同控制策略。

  （二）技术难点：本项目的难点在于解决喷氨系统总供氨量调整快速响应性、分区调平中出口分区NO_X/O₂测量数据与入口分区喷氨量调整的同时性，即喷氨系统能实时跟踪、随动控制，实现快速调整喷氨总量及每个分区供氨量，去应对NO_X浓度场变化。

  （三）先进性、创新性：

1、创新性地采用陶瓷半导体传感器测量技术，实现了原位采样分析，保证了数据采集的实时性。

2、开发全新取样技术，保证了传感器的稳定运行。

3、采用多点原位同步取样测量，实现数据采集的同源性。

4、开发了基于脱硝反应原理氨氮摩尔比的前馈串级调节技术，保证了脱硝系统喷氨的动态精准控制。

  （四）技术路线、方案和效果：

1、技术路线

#2机组NO_X全截面测量的SCR脱硝喷氨系统控制技术主要采用“烟气流场优化改造+喷氨管道分区改造+NO_X/O₂总量及分区测量+喷氨总量控制+喷氨分区调平控制”方案，即通过喷氨格栅分区改造、脱硝入口NO_X/O₂总量及出口NO_X/O₂分区测量、控制策略逻辑改进，实现动态控制和精细化喷氨，达到脱硝动态调节喷氨实现降耗的目的。

 2、技术方案

（1）烟气流场优化改造通过计算机模拟手段，根据实际工程的几何形状和实际脱硝工程的设计参数，构建流体动力学模型，对原有烟气装置进行流场模拟试验，获得烟气流场的优化设计方案；

（2）对喷氨管道进行分区，设分区自动调节阀，实现喷氨装置的分区喷氨控制；

（3）脱硝入口及出口增设分区NO_X/O₂原位式快速测量仪表，测量脱硝系统入出口NO_X/O₂实时数据；

（4）优化喷氨自动控制逻辑，改为采用嵌入式供氨量动态氨氮摩尔控制技术，控制系统透明的植入DCS控制系统。

3、预期效果：在一次设备具有调节余量且无缺陷、催化剂活性满足要求的前提下，按小时均值计算，改造后SCR出口NO_X分布均匀性均较大幅提高，控制排放参数、指标明显提升。如：脱硝系统出口氨逃逸稳定＜3ppm，SCR正常投运情况下系统自动投入率可≥98%，总喷氨量相对改造前降低≥10%。2

  （五）经济效益：

1、经济效益

（1）实施后脱硝系统实现按需喷氨，可节省还原剂费用；

（2）实施后减少氨逃逸，有效减轻硫酸氢氨的形成，避免空预器堵塞造成的机组压阻升高，节省引风机的电耗费用，同时可减少空预器检修费用。

（3）实施后无需定期进行喷氨优化调整，节省每年喷氨调平费用。

（4）促进氨氮有效混合，减少硫酸氢氨腐蚀造成的催化剂失活和堵塞，延长催化剂使用寿命，节省催化剂更换费用。

 2、社会效益

脱硝装置氨氮摩尔比分布若存在问题，必然导致氨逃逸增加等情况出现，降低了机组脱硝装置可靠性、增加了更换催化剂频率、导致下游设备堵塞、引风机电耗增加等。进行喷氨系统控制技术改造后，不但节约了还原剂的耗量，同时减少了氨逃逸对环境的污染。

  （六）推广性：本项目对#2机组NOx全截面测量的SCR脱硝喷氨系统控制技术开展课题研究应用，针对SCR脱硝喷氨工艺，推广分区域精准喷氨智能控制技术，有效后可推广至电厂其他机组。

1、概述

晋控电力山西长治发电有限公司#2机组目前的SCR脱硝喷氨系统设计仅自动控制喷氨总量，但SCR入口NO_X浓度分布规律受机组负荷、燃烧方式、入炉煤质等的影响较大，难以保证进入SCR反应器的氨浓度分布与NO_X浓度分布相匹配（即难以保证SCR入口的氨氮摩尔比均匀）。

为保证NOx排放指标满足要求，SCR出口势必存在局部NO_X偏低区域和氨逃逸率超标区域，局部氨逃逸超标可能导致空预器阻力攀升、三大风机电耗上升、排烟温度上升等问题，堵灰严重时还可能造成风机失速或喘振、炉膛负压波动甚至被迫停机冲洗等影响。此外，过大的氨逃逸率还易造成电除尘极线积灰，影响除尘效果。研究还表明，局部喷氨过量，易导致催化剂微孔堵塞，影响催化剂使用寿命。

上述问题在行业内超低排放、深度调峰、宽负荷脱硝等背景下变得尤为突出。同时，由于环保要求重污染天气特殊管控，更容易出现局部氨逃逸超标情况。脱硝系统现设置一台SCR反应器，喷氨层烟道为8.8m×14m的大截面积，在仅通过总量控制的情况下，很难实现NO_X浓度和氨浓度的均匀配比。

为此，为提高NO_X排放的稳定性、减小氨逃逸率，提高机组喷氨控制质量势在必行。机组脱硝NO_X与氨逃逸全截面测量SCR喷氨控制技术研究与应用是在目前脱硝系统的测量基础上，通过全面升级脱硝系统NO_X与氨逃逸的测量系统及喷氨控制逻辑的优化，提高NO_X排放的稳定性、减小氨逃逸率，提高机组喷氨控制质量。该系统可实现SCR入口全截面NO_X浓度、SCR出口NO_X/NH₃/O₂的全断面测量，SCR入口喷氨的分区均衡控制等，全面提升喷氨控制的品质，减小氨逃逸对机组的不利影响。实施SCR喷氨控制系统改造，可有效预防因氨逃逸造成的空预器堵塞问题，也有利于更好控制SCR出口NO_X排放浓度，可长期维护机组运行的经济性和安全性，提高机组的综合竞争力。

2。技术方案、预期效果

2.1技术方案的选定

现有常规SCR系统的喷氨及混合技术，要求SCR入口NO_X分布均匀且稳定，根据SCR入口NO_X分布相应调节喷氨格栅各支管各手动调节阀开度，控制各分区喷入还原剂的量。这种方式的不足在于：

对于SCR入口NO_X浓度比较常见的±30mg/m3的变化，当出口NO_X控制在100mg/m³时这种问题不太显著；在超低排放情况下，出口NO_X通常控制在50mg/m³以内，SCR入口NO_X浓度分布不均这个问题变得比较突出。

机组现有喷氨格栅各支管阀门为手动阀门，在进行喷氨调整试验后，一般不再进行调整，因此脱硝装置入口烟道各位置相对喷氨量固定。当锅炉工况变化时，SCR入口NO_X浓度分布发生变化，而喷氨格栅各位置相对喷氨量固定，必然会存在喷氨不均匀的现象，导致脱硝装置出口部分位置NO_X浓度过低/过高等现象，造成局部氨逃逸过高或NOx排放值偏高的情况。

由于脱硝装置CEMS采样的滞后及喷氨控制的延迟，会导致喷氨量无法及时跟随工况变化进行调整。超低排放改造后，对脱硝装置出口NO_X浓度的控制稳定性要求更高，需对脱硝喷氨控制进行优化，减小因工况、煤质等变化导致脱硝装置出口NO_X浓度的波动。

随着超低排放标准的全面推广，机组SCR脱硝效率往往超过90%，氨氮比平均值超过0.9，当入口NO_X浓度波动时，常规SCR的催化剂上游截面处的氨氮比超过1.0的位置将大为增加，这些位置的氨将大量逃逸，造成空预器严重堵塞；而氨氮比低于平均值的位置，脱硝效率不能达标。在已进行了超低排放改造的锅炉中，这种问题比较普遍。

喷氨优化改造主要采用“CFD流场数值模拟+分区改造+分区测量+总量控制+分区调平”方案，即通过喷氨格栅分区改造、脱硝出口分区测量、控制策略逻辑改进，配套反应器进、出口在线检测仪表实现动态控制和精准喷氨，达到脱硝动态调节喷氨实现降耗的目的。

2.1.1基于NO_X/O₂多点原位式同测技术+DCS嵌入式精准喷氨总量控制及分区域调平控制技术

1）CFD流场数值模拟及喷氨格栅分区改造

充分考虑和分析本工程实际工况，需对原结构的CFD校核计算分析，系统改造前，在锅炉高、中、低负荷工况下进行脱硝反应器出、入口做摸底试验，依据试验检测数据建立CFD模型，反复模拟和优化，出具流场报告和SCR进、出口NO_X均匀性摸底试验报告（CMA资质的检验检测机构），为脱硝系统是否流场优化改造提供依据，同时为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。

2）脱硝入口NO_X总量测量及出口分区NO_X测量

在SCR进出口设置多点原位式在线烟气监测系统；系统采用多点原位式在线同测技术，可同时测量NO_X、O₂，NO_X/O₂分析仪直接安装于烟道上，原位式在线取样、分析，反应器入口设置4个NO_X/O₂测点，用于脱硝入口NO_X/O₂总量测量；出口设置12个NO_X/O₂测点，每个测量分区设置2个测点，测点前后墙对穿布置；各测点在任何工况下均在线同时测量，互不干扰，相互独立完成烟气采样、分析，从烟气采样、分析、到数据上传至DCS显示总时间小于3s，各测点同时在线取样、测量同一时间点的烟气参数，同时输出监测数据，可有效保证整套系统监测数据实时性、同源性；对比抽取式CEMS或轮巡取样+CEMS系统监测仪表，测量时间至少提前45-100s。

脱硝出口分区测量采用多点原位式测量技术，特点是多点同测，实时反馈，系统系统的快速响应、检测实时性、检测数据同源性、随动性强等特点，系统借助多点原位式实时在线烟气监测系统，可为SCR分区喷氨自动控制及喷氨总量自动系统优化控制的实现提供工必要条件。

3）控制逻辑

精准喷氨总量控制软件及分区域调平控制软件透明植入DCS，精准喷氨控制系统采用喷氨总量优化控制+SCR分区调平控制两级协调配合控制方式，做到脱硝精准喷氨控制系统实时、快速调整整个SCR脱硝系统供氨量。

总量自动控制方案采用基于脱硝反应原理（氨氮摩尔比）的控制理念。具体控制方法为前馈串级调节，系统引入锅炉负荷、脱硝进出口多点原位式在线烟气测量装置检测数据等参数，对脱硝SCR系统总体工况进行预测和反馈，主调节输出数据和控制器采集的相关数据运算后得出副调节的给定值（即供氨量），副调节给定值为供氨流量调节信号，实现脱硝SCR系统供氨量动态氨氮摩尔比控制。

在每个控制分区出口设置2个原位式在线烟气测量装置独立分析测量单元，用于测量各分区出口的NOx/O2浓度，系统借助脱硝出口NO_X/O₂浓度、红线目标值等数据，确定各分区喷氨偏差调节目标，实现脱硝系统每个分区喷氨量快速调整。

2.2项目研究内容

2.2.1研究设计喷氨系统分区改造方式；

2.2.2研究设计多点测量系统测点分区布置方式；

2.2.3研究开发NO_X/O₂多点测量系统；

2.2.4研究开发总量与分区协同控制策略。

2.3技术难点

本项目的难点在于解决喷氨系统总供氨量调整快速响应性、分区调平中出口分区NO_X/O₂测量数据与入口分区喷氨量调整的同时性，即喷氨系统能实时跟踪、随动控制，实现快速调整喷氨总量及每个分区供氨量，去应对NO_X浓度场变化。

2.4先进性、创新性

2.4.1创新性地采用陶瓷半导体传感器测量技术，实现了原位采样分析，保证了数据采集的实时性。

2.4.2开发全新取样技术，保证了传感器的稳定运行。

2.4.3采用多点原位同步取样测量，实现数据采集的同源性。

2.4.4开发了基于脱硝反应原理氨氮摩尔比的前馈串级调节技术，保证了脱硝系统喷氨的动态精准控制。

2.4技术路线、方案

2.4.1技术路线

#2机组NO_X全截面测量的SCR脱硝喷氨系统控制技术主要采用“烟气流场优化改造+喷氨管道分区改造+NO_X/O₂总量及分区测量+喷氨总量控制+喷氨分区调平控制”方案，即通过喷氨格栅分区改造、脱硝入口NO_X/O₂总量及出口NO_X/O₂分区测量、控制策略逻辑改进，实现动态控制和精细化喷氨，达到脱硝动态调节喷氨实现降耗的目的。

2.4.2实施方案

（1）烟气流场优化改造通过计算机模拟手段，根据实际工程的几何形状和实际脱硝工程的设计参数，构建流体动力学模型，对原有烟气装置进行流场模拟试验，获得烟气流场的优化设计方案；

（2）对喷氨管道进行分区，设分区自动调节阀，实现喷氨装置的分区喷氨控制；

（3）脱硝入口及出口增设分区NO_X/O₂原位式快速测量仪表，测量脱硝系统入出口NO_X/O₂实时数据；

（4）优化喷氨自动控制逻辑，改为采用嵌入式供氨量动态氨氮摩尔控制技术，控制系统透明的植入DCS控制系统。

2.5预期效果

在一次设备具有调节余量且无缺陷、催化剂活性满足要求的前提下，按小时均值计算，改造后SCR出口NO_X分布均匀性预期可以达到如下效果：

1）SCR出口各分区NO_X浓度分布相对标准偏差CV<15%。

2）稳定工况SCR出口任一分区NO_X浓度与该烟道平均NO_X浓度平均值的偏差不超过±8mg/m³；

3）稳定工况烟囱入口NO_X浓度与SCR出口NO_X浓度平均值偏差≤±5mg/m3；

4）稳定工况烟囱入口NO_X浓度波动范围≤±6 mg/m3；

5）动态运行工况烟囱入口NOx浓度波动范围≤±10 mg/m3；

6）有效控制氨逃逸峰值和平均氨逃逸率，脱硝系统出口氨逃逸＜3ppm。

7）SCR正常投运情况下，系统自动投入率≥98%。

8）总喷氨量：相对改造前降低≥10%。2

9）脱硝入口NO_X浓度不大于350mg/Nm3、脱硝效率不小于91.4%情况下，氨氮摩尔比不大于0.932。

3主要创新点与内涵

3.1、创新性地采用陶瓷半导体传感器测量技术，实现了原位采样分析，保证了数据采集的实时性。

利用技术成熟、轻量化的陶瓷半导体传感器测量技术，研发了基于原位NOx/O2在线数据采集系统，解决了现有CEMS仪表数据滞后的问题。取样分析单元由采样装置和陶瓷半导体传感器两部分组成。采样装置安装在烟道壁上，保证了数据采集的实时性。从烟气采样、分析、到数据上传至DCS显示总时间小于3s。

NO_X/O₂陶瓷半导体传感器，具有技术成熟、原理可靠、结构简单、测量快速、成本低廉等特点，且由于无需对被测介质进行复杂预处理，采样分析单元可直接就地安装于烟道壁，被测介质无需长距离输送，能实时快速采集数据。

3.2、开发全新取样技术，保证了传感器的稳定运行。

NO_X/O₂陶瓷半导体传感器使用的工况条件与SCR脱硝烟气测量的工况差异较大。本技术创新性地研发了喷射引流+热扩散取样技术、高温密封技术及取样装置温控技术，解决了温度波动、堵塞、磨损等关键技术难题，保证了NO_X/O₂陶瓷半导体传感器的长周期稳定运行。

3.3、采用多点原位同步取样测量，实现数据采集的同源性。

由于CEMS仪表造价昂贵，在进行多点分区测量时，为降低成本，一般只配置一个测量分析单元，对多个采样点进行轮巡采样，每次只能测量一个点的NO_X含量，这种方式除了会进一步增加测量数据的滞后时间（检测一个轮回需要6~15分钟）外，其所测量的也不是同一时间、同一截面的烟气数据，无法保证数据的同源性，将大大降低系统的控制精度及自动投入率。

本项目采用多点原位式同测技术，同一烟道多个仪表安装在烟道同一截面内，出口原位式测量仪表与喷氨分区数量一一对应设置，各仪表互不干扰，同时取样、同步测量、同步输出数据，从烟气采样、分析、到数据上传至DCS显示总时间小于3s，保证数据测量的快速性、实时性及同源性，解决单点CEMS或多点轮巡CEMS仪表数据传输滞后性问题。

3.4、开发了基于脱硝反应原理氨氮摩尔比的前馈串级调节技术，保证了脱硝系统喷氨的动态精准控制。

脱硝系统入口的NO_X总量由烟气量和氮氧化物浓度决定其数量级，采用原位式NO_X分析仪可以实时测量NO_X浓度，通过烟气量和NO_X浓度即可计算出实时NO_X总量大小和变化趋势，NO_X总量是随烟气量和NO_X浓度变化的变量，而脱硝出口NO_X浓度设定值为定值，故脱硝实际的氨氮摩尔比应根据实际的NO_X总量的变化趋势和变化量及时调整，否则会因供氨量不能跟随污染物总量变化，引起超喷或欠喷，造成氨逃逸或NO_X排放超标。基于脱硝原理的氨氮摩尔比的控制技术，是最为简单且可靠的脱硝喷氨系统控制逻辑。