一种基于流速与NOx浓度监测的SCR系统喷氨支管控制方法

本发明涉及一种基于烟气“流速-nox浓度”在线监测的scr系统喷氨支管自动控制方法，属于热能动力工程技术领域。

背景技术：

选择性催化还原(selectivecatalystreduction,scr)技术是目前大型燃煤装备烟气脱硝的主流应用技术，其运行性能的优劣直接取决于scr系统的氨喷射特性。scr系统的氨喷射装备涉及喷氨总量控制、喷氨分配控制两个方面。随着燃煤装备超低排放改造的推进，scr系统喷氨分配控制引起了行业内的众多关注，传统手动控制的喷氨控制方法显然不能实现系统内较好的氨氮混合当量比，如何实现scr系统喷氨支管(喷氨分配控制设备)的精准化控制是行业内的研究焦点。

结合scr系统的反应机理可以得到，只有当烟气中氮氧化物(nox)的量与所喷射还原剂(nh3)的量匹配合理时，才可以实现较高的脱硝效率，且不会造成较大的氨逃逸；而烟气中nox的真实含量由烟气流速和nox浓度共同确定。总体看来，现有的scr系统喷氨分配控制技术方案主要有三大类，具体可阐述为：1)完全忽略机组烟道内烟气运行特性的波动性，粗放式地根据单一数据监测结果采取固定不变的喷氨喷氨分配方式(如专利cn201810146615.3)，该方法应用后的scr系统氨氮混合匹配度极差，不能适应超低排放改造的严苛要求；2)通过离线数据监测方式获取多种工况下的scr系统内烟气运行特性，进而制订相应的动态喷氨分配控制策略(如专利cn201610102338.7)，该方法一定程度上改善了scr系统内的氨氮混合匹配度，但是难以克服烟气特性参数随运行时间的偏移问题，动态喷氨逻辑的自适应能力较差；3)选择在scr系统出口烟道截面实现烟气特性参数的在线监测，继而反馈式的动态喷氨控制(如专利cn202010295306.x)，该方法应用时存在前端喷氨单元与出口测量单元对应性较差的问题(受到烟道转弯、变径等因素影响)，且过度追求出口nox浓度的均匀性会可能会导致更大的氨逃逸，违背了scr系统的反应机理。

鉴于scr系统喷氨装置前多为垂直、非变径烟道，烟气流动均匀性与对应关系显著，结合scr系统的反应机理，研究发现基于scr系统入口烟道截面内烟气流速、nox浓度在线监测数据的喷氨支管自动控制方法能够实现scr系统喷氨支管精准化控制。该方法不仅能够实现系统内良好的氨氮混合当量比，而且动态喷氨控制逻辑自身具有较强的自适应能力，适合超低排放改造后机组scr系统喷氨控制的安全、稳定、长周期运行。

技术实现要素：

技术问题：在燃煤装备超低排放改造的背景下，为进一步优化scr系统内氨氮混合当量比的匹配程度，以提高scr系统脱硝效率、降低氨逃逸，本提供一种基于烟气“流速-nox浓度”在线监测的scr系统喷氨支管自动控制方法，实现scr系统喷氨支管的精细化控制。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于流速与nox浓度监测的scr系统喷氨支管控制方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：在线测量烟道网格区域内的各分区域烟气的流速和nox浓度；

步骤2：根据测量得到的烟道网格区域内的各分区域烟气流速特征与机组负荷及总风量，确定分区域的流速惰性因子；

根据测量得到的烟道网格区域内的各分区烟气nox浓度特征与机组负荷及风煤比，确定分区域的nox浓度惰性因子；

步骤3：基于流速惰性因子及nox浓度惰性因子，联合解析分区域内的nox通量敏感性，确定nox通量变化的惰性区域与非惰性区域；

步骤4：惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为固定不变值；非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为变化值，变化的喷氨支管阀门开度由整定后的模糊规则库确定。

每一个烟道网格区域内存在一个在线的烟气流速传感器，流速在线测量结果为自带时间标签的烟气流速离散测点。

确定各分区域的流速惰性因子的方法是：

针对取样时间段内的具有相同时间标签的流速、机组负荷运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数u＝f(l)；u＝f(l)＝k1l+b1，k1和b1为对应的拟合系数；

针对取样时间段内的具有相同时间标签的流速、总风量运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数u＝f(a)；u＝f(a)＝k2a+b2，k2和b2为对应的拟合系数；

确定分区域的流速惰性因子ifu：

式中：为拟合函数u＝f(l)对机组负荷的偏导，为拟合函数u＝f(a)对总风量的偏导，u为流速，l为机组负荷，a为总风量。

每一个烟道网格区域内存在一个在线的烟气nox浓度传感器，nox浓度在线测量结果为自带时间标签的烟气nox浓度离散测点。

确定分区域的浓度惰性因子的方法式：

针对取样时间段内的具有相同时间标签的nox浓度、机组负荷运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数c＝g(l)；具体的，c＝g(l)＝c1l²+c2l+c3，c1、c2和c3为对应的拟合系数；

针对取样时间段内的具有相同时间标签的nox浓度、风煤比运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数c＝g(r)；具体的，c＝g(r)＝d1r²+d2r+d3，d1、d2和d3为对应的拟合系数；

确定分区域的浓度惰性因子ifc：

式中：为拟合函数c＝g(l)对机组负荷的偏导，为拟合函数c＝g(r)对风煤比的偏导，c为nox浓度，l为机组负荷，r为风煤比。

确定nox通量变化惰性区域与非惰性区域的方法为：

确定联合惰性因子if：

if＝αifu+βifc

式中：α+β＝1，α取值介于0.7～0.9；

对于给定的区域惰性判定标准ξ，若存在if≤ξ，则对应分区域为惰性区域，反之对应分区域为非惰性区域；区域惰性判定标准ξ的取值由机组炉型、喷氨格栅型式、流场分布特性共同决定，取值规则如下：

式中：ξi,j取8～15；ψ为区域惰性判定标准ξ与喷氨格栅型式的关联系数，分区控制喷氨格栅型式取值1，线性控制喷氨格栅型式取值0.6～0.8。根据烟道网格区域内的流速、nox浓度在线测量结果，以及机组负荷、理论喷氨量运行参数，整定建立喷氨支管阀门理想开度模糊规则库，具有如下一般形式：

式中：ki,j的第一个角标代表喷氨支管编号，从1到支管总数；ki,j的第二个角标代表依据机组负荷所均等划分的工况数目，j≥3；为每一行(即：各工况下)的第i个喷氨支管阀门的平均开度。

所述惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为固定不变值，非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度实现自动调控，其特征在于，惰性区域所对应喷氨支管阀门的固定不变开度为非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度依据上述模糊规则库进行自动调控，对于特定的喷氨支管相邻工况区间下的阀门开度基于线性差值方法计算。

所述模糊规则库一般形式中的阀门开度矩阵m，根据烟道网格区域内的流速、nox浓度在线测量结果进行定期的自更新，在线自更新启动的条件为：

式中：t模糊规则库连续使用时间；tset为预设的在线自更新间隔时间；ki,j^τ+1为τ+1时刻的喷氨支管阀门开度；ki,j^τ为τ时刻的喷氨支管阀门开度；θ为预设的喷氨支管阀门开度漂移容忍误差。

因此，本专利从解析scr系统内的烟气流速、nox浓度为出发点，提出了一种基于烟气“流速-nox浓度”惰性因子解析的scr系统喷氨控制方法。

具体地，首先根据烟道网格区域内的流速在线测量结果，开展分区烟气流速特征与机组负荷、总风量的敏感性分析，确定分区域的流速惰性因子；进而根据烟道网格区域内的nox浓度在线测量结果，开展分区烟气nox浓度特征与机组负荷、风煤比的敏感性分析，确定分区域的浓度惰性因子；随后基于流速及浓度惰性因子联合解析分区域内的nox通量敏感性，确定nox通量变化惰性区域与非惰性区域；最后设计合理可靠的scr系统喷氨控制方法，即：惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为固定不变值，非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度实现自动调控，具体喷氨支管阀门开度由整定后的模糊规则库确定。本发明方法可以实现scr系统内氨氮当量比的实时匹配优化，有助于提高氨利用率、降低氨逃逸。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有的优点为：提出了一种基于烟气“流速-nox浓度”在线监测的scr系统喷氨支管自动控制方法，通过对scr系统烟道网格区域内的流速、nox浓度在线测量解析，分别确定分区域的流速惰性因子、浓度惰性因子，基于流速及nox浓度惰性因子，联合解析分区域内的nox通量敏感性，确定nox通量变化惰性区域与非惰性区域，获得从scr系统反应机理出发的喷氨支管自动控制方法。本发明方法可以实现scr系统内氨烟当量比的实时匹配优化，有效提高氨利用率、降低氨逃逸。

附图说明

图1是本发明控制方法的流程框图。

图2为本发明实施案例中喷氨格栅前烟道截面网格区域划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，本实施案例在以本技术方案为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本发明，但是本发明的保护范围不局限于实施案例。

本实施案例依托某600mw级燃煤机组scr系统实施，配套前后墙对冲锅炉，采用尿素水解制氨工艺。该机组scr系统喷氨格栅前烟道截面尺寸为13500mm×3200mm，基于静电感应相关测速原理和紫外差分吸收光谱技术(doas)技术设计安装有烟气流速、nox浓度在线测量装备，可实时获得喷氨格栅前烟道截面内的烟气流速分布特性、nox浓度分布特性、nox通量分布特性，进而结合喷氨格栅的型式划分喷氨格栅前烟道截面网格区域(如附图2所示)，进而确定烟道截面网格区域内的运行参数在线测量结果。具体的实施过程如下：

步骤1：根据烟道网格区域内的流速在线测量结果，开展分区烟气流速特征与机组负荷、总风量的敏感性分析，确定分区域的流速惰性因子。

首先针对取样时间段内的具有相同时间标签的流速、机组负荷运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数u＝f(l)，然后针对取样时间段内的具有相同时间标签的流速、总风量运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数u＝f(a)，最后按照如下方法确定分区域的流速惰性因子ifu：

式中：为拟合函数u＝f(l)对机组负荷的偏导，为拟合函数u＝f(a)对总风量的偏导。

步骤2：根据烟道网格区域内的nox浓度在线测量结果，开展分区烟气nox浓度特征与机组负荷、风煤比的敏感性分析，确定分区域的浓度惰性因子。

同样地，针对取样时间段内的具有相同时间标签的nox浓度、机组负荷运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数c＝g(l)，然后针对取样时间段内的具有相同时间标签的nox浓度、风煤比运行数据采用多项式拟合方法获得连续的拟合函数c＝g(r)，最后按照如下方法确定分区域的浓度惰性因子ifc：

式中：为拟合函数c＝g(l)对机组负荷的偏导，为拟合函数c＝g(r)对风煤比的偏导。

步骤3：基于流速及nox浓度惰性因子联合解析分区域内的nox通量敏感性，确定nox通量变化惰性区域与非惰性区域；

所述基于流速及浓度惰性因子联合解析分区域内的nox通量敏感性，确定nox通量变化惰性区域与非惰性区域，其特征在于，分区域内的nox通量敏感性通过联合惰性因子if确定，其计算方法为：

if＝αifu+βifc

式中：α+β＝1，本实施例中α取值0.8。

对于给定的区域惰性判定标准ξ，若存在if≤ξ，则对应分区域为惰性区域，反之对应分区域为非惰性区域。

区域惰性判定标准ξ的取值由机组炉型、喷氨格栅型式、流场分布特性共同决定，取值规则如下：

式中：ξi,j取8～15；ξ1,j行、ξ2,j行、ξ3,j行、ξ4,j行为机组炉型特性，相应取值分别对应四角切圆锅炉、前后墙对冲锅炉、循环流化床锅炉、其他种类锅炉；ξi,1列、ξi,2列、ξi,3列、ξi,4列为流场分布特性，相应取值分别对应喷氨格栅前烟气流速分布均匀性cv≤5％、5％＜cv≤10％、10％＜cv≤15％、15％＜cv≤20％、cv＞20％；ψ为区域惰性判定标准ξ与喷氨格栅型式的关联系数，分区控制喷氨格栅型式取值1，线性控制喷氨格栅型式取值0.6～0.8。

在一个实施例中，建立如下取值：

在一个实施例中，机组为前后墙对冲锅炉，喷氨格栅前烟气流速分布均匀性cv诊断结果为14.21％，故区域惰性判定标准ξ取ξ2,3；因喷氨格栅型式为分区控制喷氨格栅型式，故ψ取1；于是，本实施案例中取ξ＝ξ2,3＝10。由此确定该机组scr系统喷氨支管所对应惰性区域与非惰性区域如表1所示。

表1：喷氨支管所对应网格区域的惰性与非惰性特征

步骤4：惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为固定不变值，非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度实现自动调控，具体喷氨支管阀门开度由整定后的模糊规则库确定。

根据烟道网格区域内的流速、nox浓度在线测量结果，以及机组负荷(300mw、350mw、400mw、450mw、500mw、550mw、600mw、650mw)、理论喷氨量运行参数，整定建立喷氨支管阀门理想开度模糊规则库，本实施例中具有如下形式：

式中：ki,j的第一个角标代表喷氨支管编号，从1到支管总数；ki,j的第二个角标代表依据机组负荷所均等划分的工况数目，j≥3；为每一行(即：各工况下)的第i个喷氨支管阀门的平均开度。

惰性区域所对应喷氨支管阀门开度为固定不变值，非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度实现自动调控，其特征在于，惰性区域所对应喷氨支管阀门的固定不变开度为非惰性区域所对应喷氨支管阀门开度依据上述模糊规则库进行自动调控，对于特定的喷氨支管相邻工况区间下的阀门开度基于线性差值方法计算。

根据烟道网格区域内的流速、nox浓度在线测量结果进行定期的自更新，在线自更新启动的条件为：

式中：t模糊规则库连续使用时间；tset为预设的在线自更新间隔时间；ki,j^τ+1为τ+1时刻的喷氨支管阀门开度；ki,j^τ为τ时刻的喷氨支管阀门开度；θ为预设的喷氨支管阀门开度漂移容忍误差。

通过本实施案例可以说明，本发明所公开的一种基于烟气“流速-nox浓度”惰性因子解析的scr系统喷氨控制方法，可实现针对于燃煤装备scr系统喷氨支管的精准化控制，有助于匹配系统内的氨氮混合当量比。

如上所述，尽管结合具体实施案例及附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但其不得解释为对本发明自身的限制。在本发明的技术方案的基础上，任何单位和个人不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或者变形仍在本发明的保护范围以内。