脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统及方法，按照安装喷氨格栅分区，将脱硝装置进行纵向分区，将对应的入口烟气分区、催化剂分区、出口烟气分区进行划入对应分区内，在烟气入口和烟气出口每个对应分区正中心安装一个氮氧化物探头，所有氮氧化物探头通过信号线与现场变送箱相连。在烟气出口每二个对应分区正中心安装一个采样探头，所有采样探头通过采样管与半导体激光气体分析仪相连。现场变送箱、半导体激光气体分析仪与工业控制计算机相连，工业控制计算机控制远程电控阀门。出入口各区NOX浓度和出口各区逃逸NH3浓度传输给工业控制计算机，通过工业控制计算机进行数据分析处理，来实时精确控制远程电控阀门来调节对应分区喷氨量。
【专利说明】脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于气氛浓度场分布在线分析的脱硝装置(SCR)喷氨分区实时优化控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]烟气选择性催化还原脱硝装置(SCR)目前是各大火电厂重要的环保设施，通过喷氨和催化剂将烟气中的N0X进行脱除。在实际运行过程中，喷氨量的控制，将直接影响到脱硝的效率，影响Ν0Χ&及逃逸氨的达标排放，并会影响到催化剂的使用寿命，从而影响整体的脱硝运行成本。
[0003]目前SCR喷氨控制主要采用总量控制调节的模式，通过入口的N0X浓度、烟气流量、氨氮摩尔比以及催化剂转换效率等数据计算出总体喷氨量，对进入整个喷氨格栅的氨气流量进行设定，并通过出口的N0X&度进行反馈调节氨气流量。所有这些调节控制基于的前提是:进入SCR的烟气中N0X的浓度分布是均匀的；喷氨格栅每个区域喷氨是均匀的；催化剂的催化效率也是均匀的。但在实际运行过程中，由于结构设计问题、负荷的波动、设备运行工况的变化等等因素，都会影响到这些基本的假设前提。因此在实际运行中，SCR装置的喷氨自动控制系统大多数均无法投自动运行模式，而基本采用手动调节的模式。但由于缺乏连续在线的监测手段，无法真实全面了解SCR内部的状况，手动调节更多的是靠经验，凭感觉，造成SCR装置整体运行管理水平较低，造成后续设备维护量增加，运营成本难以控制。
[0004]造成上述问题的根本原因是喷氨控制采用的总量控制调节的模式，属于眉毛胡子一把抓的粗放型的控制方式，一旦假设前提不成立，就无法实施精确的控制，因此采用分区域的控制方式将可以很好地解决这个问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种基于气氛浓度场分布在线分析的脱硝装置(SCR)喷氨分区实时优化控制系统及方法，本发明通过实时在线监测SCR烟气出入口的N0X浓度分布，以及出口逃逸NH3的浓度分布；通过进行数据分析处理，拟出相应的控制策略；再通过远程控制系统自动实时精确调节对应喷氨区域的喷氨量。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统，包括N0X浓度分布实时在线分析子系统、NH3浓度分布在线分析子系统、工业控制计算机、远程电控阀门，所述的N0X浓度分布实时在线分析子系统包括氮氧化物探头、现场变送箱；所述的NH3浓度分布在线分析子系统包括半导体激光气体分析仪、采样探头。每个喷氨格栅分区安装一个远程电控阀门，且带有远程电控阀门的喷氨格栅安装在脱硝装置SCR的烟气入口处。其特征在于:按照安装的喷氨格栅分区，将整个脱硝装置SCR进行纵向分区，将对应的入口烟气分区、催化剂分区、出口烟气分区划入对应分区内。在烟气入口和烟气出口的每个对应分区正中心安装一个氮氧化物探头，所有氮氧化物探头通过信号线与现场变送箱相连，现场变送箱与工业控制计算机相连。在烟气出口的每二个对应分区正中心安装一个采样探头，所有采样探头通过采样管与半导体激光气体分析仪相连，半导体激光气体分析仪与工业控制计算机相连。工业控制计算机控制远程电控阀门。
[0008]所述氮氧化物探头为直插式氮氧化物探头。
[0009]所述NH3浓度分布在线分析子系统采用采样探头进行多点连续采样。
[0010]脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统的方法，其特征在于按以下步骤进行:
[0011]通过N0X&度分布实时在线分析子系统实时在线检测SCR出入口各区的N0x浓度分布，通过NH3浓度分布在线分析子系统实时在线检测SCR各区出口逃逸NH3的浓度分布。上述出入口各区的N0X浓度分布和出口各区逃逸NH3的浓度分布的数据传输给工业控制计算机，通过工业控制计算机进行数据分析处理，拟出相应的控制策略，来实时精确控制远程电控阀门来调节对应喷氨格栅分区的喷氨量。
[0012]通过工业控制计算机采集SCR入口烟气N0X的实时浓度分布以及烟气流速的数据，来计算出每个分区的N0x流量数据；然后根据设定的脱硝效率计算出每个分区的NH3/N0X摩尔比。在通过采集出口烟气N0X的实时浓度分布数据，来修正每个分区的实际ΝΗ3/Ν0χ摩尔比；并转换成对应分区的氨气调节阀的阀位信号。
[0013]发明的有益效果:
[0014]1、本发明可以显著降低SCR出口 N0X浓度分布的相对标准偏差，可以大幅度提高催化剂的使用寿命。据测算SCR出口 N0X&度分布相对标准偏差每降低10%，催化剂使用寿命可以提闻7%。
[0015]2、本发明采用的分区精确喷氨控制的方法，可以大幅度提高氨气的利用率，降低氨气的消耗量，直接降低SCR装置的运行成本。
[0016]3、本发明提高了氨气的利用率，因此可以降低逃逸氨的排放。在达到最优控制的状态下，可以降低近40%的逃逸氨的排放。
[0017]4、本发明可以提高SCR装置的最大脱硝效率，在最优控制的状态下，可以提高约8%的最大脱硝效率，进一步提闻催化剂的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的SCR装置催化反应区分区示意图。
[0019]图2为本发明的N0X浓度分布实时在线分析子系统示意图。
[0020]图3为本发明的出口 NH3浓度分布在线分析系统示意图。
[0021]图4为本发明的喷氨分区实时优化控制系统框图。
[0022]图5为本发明的直插式氮氧化物探头结构示意图。
[0023]图6为本发明的直插式氮氧化物探头的安装示意图。
【具体实施方式】
[0024]结合附图对本发明作进一步的描述。
[0025]如图1、图2、图3、图4所示，本发明的脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统，包括N0X浓度分布实时在线分析子系统、NH3浓度分布在线分析子系统、工业控制计算机、远程电控阀门。所述的N0X浓度分布实时在线分析子系统包括氮氧化物探头、现场变送箱。所述氮氧化物探头为直插式氮氧化物探头。所述的NH3浓度分布在线分析子系统包括半导体激光气体分析仪、采样探头，所述NH3浓度分布在线分析子系统采用采样探头进行多点连续采样。每个喷氨格栅分区安装一个远程电控阀门，且带有远程电控阀门的喷氨格栅安装在脱硝装置SCR的烟气入口处，其特征在于:按照安装的喷氨格栅分区，将整个脱硝装置SCR进行纵向分区，将对应的入口烟气分区、催化剂分区、出口烟气分区划入对应分区内，在烟气入口和烟气出口的每个对应分区正中心安装一个直插式氮氧化物探头，所有直插式氮氧化物探头通过信号线与现场变送箱相连，现场变送箱与工业控制计算机相连。在烟气出口的每二个对应分区正中心安装一个采样探头，所有采样探头通过采样管与半导体激光气体分析仪相连，半导体激光气体分析仪与工业控制计算机相连。工业控制计算机控制远程电控阀门。
[0026]如图5所示，所述的直插式氮氧化物探头，由半导体陶瓷氮氧化物敏感元件1、陶瓷过滤器2、高温导线3、信号处理单元4、高温保护套管5以及防水接线盒6组成，半导体陶瓷氮氧化物敏感元件1安装在陶瓷过滤器2内；高温导线3 —端与半导体陶瓷氮氧化物敏感元件1的引出电极连接，另一端与探头信号处理单元4连接；半导体陶瓷氮氧化物敏感元件1、高温导线3均安装在高温保护套管5内；陶瓷过滤器2与高温套管5连接在一起；陶瓷过滤器2安装在探头的前端，探头信号处理单元4安装在探头后端，探头信号处理单元4安装在一个防水的接线盒6内；防水的接线盒6与保护套管5连接在一起。如图6所示，直插式氮氧化物探头通过法兰连接件8，安装在烟道壁7上。直插式氮氧化物探头的高温套管5插入烟道内，使得半导体陶瓷敏感元件1直接接触高温烟气。
[0027]脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统的方法，其特征在于按以下步骤进行:
[0028]通过N0X浓度分布实时在线分析子系统实时在线检测SCR出入口各区的N0X浓度分布，通过NH3浓度分布在线分析子系统实时在线检测SCR各区出口逃逸NH3的浓度分布。上述出入口各区的N0X浓度分布和出口各区逃逸NH3的浓度分布的数据传输给工业控制计算机，通过工业控制计算机进行数据分析处理，拟出相应的控制策略，来实时精确控制远程电控阀门来调节对应喷氨格栅分区的喷氨量。
[0029]具体实施方案如下:
[0030]1、SCR催化装置系统分区
[0031]按照喷氨格栅的分区，将整个SCR催化装置进行纵向分区。如图1，该图是SCR装置一个催化反应区的俯视示意图，以8个分区为例。依据喷氨格栅的8个分区，将对应的入口烟气、催化剂、出口烟气进行分区域的划分。将喷氨格栅分区对应的入口烟气分区、催化剂分区和出口烟气分区均划入同一分区。
[0032]2、烟气气氛浓度分布在线检测系统
[0033](1)测点选择:
[0034]按照系统分区，布置出入口的N0X以及逃逸NH3的浓度分布在线检测的测点。布置的原则是N0X测点按照实际分区的数量对应布置，具体位置在分区的中间点。逃逸NH3的测点可以按照2个分区共用一个测点的方式布置，具体位置在两个分区的中间点。如图1。
[0035](2)出口及入口 N0X浓度分布实时在线分析子系统:
[0036]该子系统是整个系统的基础核心系统，该子系统检测的出入口 N0X浓度实时分布，是整个控制系统的基础控制参数。
[0037]要进行N0X浓度分布的检测，就必须采用多点同时在线测量。因此该子系统的核心部件采用了能够直接插入高温烟道中，对烟气中的N0X进行连续在线分析的氮氧化物探头。该探头采用半导体陶瓷气体传感器为现有结构，可以直接工作在高温高污染的气氛中，反应速度小于2秒。探头结构简单，安装方便，可以直接插入烟道内。直插式氮氧化物探头只需要连接电源和信号线即可工作，无需气源等设施，安装极为方便。直插式氮氧化物探头到现场变送箱采用标准的总线传输模式，通过一对线即可进行所有探头信号的传输，大大简化了现场的布线工作。由于结构和安装都很简单，而且成本低廉，因此非常适合进行多点的浓度分布检测。该子系统最多可以支持包括出口及入口共24个探头同时进行实时在线测量。该子系统的示意图请参考图2。
[0038](3)出口 NH3浓度分布在线分析子系统:
[0039]该子系统主要是作为评估喷氨优化控制效果的参考参数之一。通过该参数结合出口 N0X的浓度分布，可以评判喷氨优化控制的效果，对控制参数进行进一步优化。该组参数作为评估参数，不参与实时控制，对实时性没有太高要求。
[0040]该子系统采用的是多点循环采样方式的半导体激光在线分析子系统。核心部件是半导体激光气体分析仪。系统采用多点循环采样，全程高温伴热的采样方式，最多可以连续在线检测6个点。该子系统示意图请参考图3。
[0041]3、控制系统的执行机构
[0042]将喷氨格栅分区的调节阀门均改造成远程电控阀门，可以远程电控调节。
[0043]4、工业控制计算机
[0044]将所有检测信号和远程电控阀门的控制信号接入工业控制计算机。工业控制计算机安装的控制软件采用WINCC或组态王工业组态软件，以及SQLServer数据库软件，均为现有控制软件。软件对输入的各个参数进行分析处理，通过相应的算法计算出控制策略，并转化为每个喷氨分区调节阀的开度信号来实现喷氨的分区控制。如图4
[0045]5、喷氨分区实时优化控制软件:
[0046]工业控制计算机使用的软件主要有工业组态软件和关系型数据库软件两种基本软件。组态软件主要采用WINCC软件或组态王软件，数据库软件主要采用SQL server软件。
[0047]通过工业控制计算机硬件采集SCR入口烟气N0X的实时浓度分布以及烟气流速的数据，通过软件来计算出每个分区的NCV流量数据。然后根据设定的脱硝效率计算出每个分区的ΝΗ3/Ν0χ摩尔比。在通过硬件的采集出口烟气N0X的实时浓度分布数据，来修正每个分区的实际NH3/N0x摩尔比。并转换成对应分区的氨气调节阀的阀位信号，传输给阀门调节机构进行阀门开度的调节。
【权利要求】
1.脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统，包括N0X浓度分布实时在线分析子系统、NH3浓度分布在线分析子系统、工业控制计算机、远程电控阀门，所述的N0X浓度分布实时在线分析子系统包括氮氧化物探头、现场变送箱，所述的NH3浓度分布在线分析子系统包括半导体激光气体分析仪、采样探头；每个喷氨格栅分区安装一个远程电控阀门，且带有远程电控阀门的喷氨格栅安装在脱硝装置SCR的烟气入口处；其特征在于:按照安装的喷氨格栅分区，将整个脱硝装置SCR进行纵向分区，将对应的入口烟气分区、催化剂分区、出口烟气分区划入对应分区内；在烟气入口和烟气出口的每个对应分区正中心安装一个氮氧化物探头，所有氮氧化物探头通过信号线与现场变送箱相连，现场变送箱与工业控制计算机相连。在烟气出口的每二个对应分区正中心安装一个采样探头，所有采样探头通过采样管与半导体激光气体分析仪相连，半导体激光气体分析仪与工业控制计算机相连；工业控制计算机控制远程电控阀门。
2.根据权利要求1所述的脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统，其特征在于:所述氮氧化物探头为直插式氮氧化物探头。
3.根据权利要求1所述的脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统，其特征在于:所述NH3浓度分布在线分析子系统采用采样探头进行多点连续采样。
4.利用权利要求1一 3之一所述的基于脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统的方法，其特征在于按以下步骤进行:通过N0X&度分布实时在线分析子系统实时在线检测SCR出入口各区的N0X浓度分布，通过NH3浓度分布在线分析子系统实时在线检测SCR各区出口逃逸NH3的浓度分布，上述出入口各区的N0X浓度分布和出口各区逃逸NH3的浓度分布的数据传输给工业控制计算机，通过工业控制计算机进行数据分析处理，拟出相应的控制策略，来实时精确控制远程电控阀门来调节对应喷氨格栅分区的喷氨量。
5.根据权利要求4所述的脱硝装置喷氨分区实时优化控制系统的方法，其特征在于:通过工业控制计算机采集SCR入口烟气N0X的实时浓度分布以及烟气流速的数据，来计算出每个分区的N0X流量数据；然后根据设定的脱硝效率计算出每个分区的NH3/NOx摩尔比；再通过采集出口烟气N0X的实时浓度分布数据，来修正每个分区的实际NH3/NOx摩尔比；并转换成对应分区的氨气调节阀的阀位信号。
【文档编号】B01D53/56GK103657374SQ201310680066
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】孙阳, 陶红喜, 吴锴 申请人:武汉华敏测控技术股份有限公司