CN105844083B - 一种scr脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法 - Google Patents

Abstract

一种SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法，确定能够反映催化剂状态的SCR脱硝系统参数，依据边界条件获取各负荷工况下参数的实时运行数据，并进行基于拉依达准则(3σ准则)的数据滤波处理，根据数据滤波处理后的有效数据绘制SCR脱硝系统参数时间变化曲线，以此为依据计算脱硝催化剂的理论更换时间，并从经济性的角度实时计算并预测脱硝催化剂的最佳更换时间。

Description

一种SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法

技术领域

本发明属于动力行业，具体涉及一种SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法。

背景技术

近年来，我国燃煤锅炉广泛采用了选择性催化还原SCR脱硝技术以实现对烟气中NOx的减排。催化剂作为SCR脱硝反应的核心，其活性高低直接影响脱硝效率的高低，而且催化剂是脱硝工程初期投资以及后期运营过程中成本控制的关键。

在实际运行过程中，烟气中潜在的化学性毒害物质以及烟尘冲刷、高温波动等都会造成催化剂活性的下降从而逐渐发生老化现象。当催化剂的老化发生到一定程度，会导致脱硝效率不能达到设计值，烟气中NOx的排放不达标，氨逃逸率增加。

目前，各发电厂及科研机构普遍采用离线的实验室性能测试及活性检测方法，如文献“选择性催化还原脱硝催化剂失活研究综述，中国电机工程学报2013(14)”，文献“烟气脱硝催化剂的性能检测与评价，中国电力2010(11)”等。从表观活性、微观结构以及表面沉积物等方面入手对催化剂的活性温度、机械强度参数、化学成分含量和工艺性能指标指标以及活性变化进行评价，从而对催化剂的运行、管理及更换提供指导。

这种离线方法一般利用机组停机检修机会进行，对于催化剂状态的把握具有一定的滞后性，而且对于催化剂更换时间预测更是一种不确定预估。为此需要探索一种在线方法，对能够反映催化剂状态的脱硝系统关键参数进行详细数据挖掘与分析，通过对其变化趋势规律的掌握建立标准模型及流程，实现对催化剂最佳更换时间的实时计算，这对于发电厂脱硝系统检修计划的制定和检修成本的预算及控制具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法。

该方法涉及的技术方案如下：

1)确定反映催化剂状态的SCR脱硝系统在线参数

即脱硝效率E_SCR、喷氨流量S_NH3、出口氨浓度或氨逃逸率PPM、NO_X排放浓度C_NOx-Out，确定SCR反应器温度T、烟气流量F_Gas和SCR系统NO_X入口浓度C_NOx-In为SCR系统稳态运行条件参数；

2)确定方案的边界条件

机组运行状态良好，锅炉燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数、烟气在炉内停留时间稳定，且入炉煤质稳定；

3)获取各负荷工况下参数的实时运行数据并进行数据过滤处理

3-1)获取机组设计负荷P_i分别处于低负荷、中负荷和高负荷各要求负荷工况下机组稳态运行时四个SCR脱硝系统参数E_SCR,S_NH3,PPM,C_NOx-Out的实时运行数据；

其中低负荷、中负荷和高负荷分别定义为50％P_e、75％P_e和100％P_e；

3-2)对3-1)获取的实时运行数据进行基于拉依达准则即3σ准则的数据滤波处理并剔除奇异数据；

4)绘制脱硝系统参数时间变化曲线

以12小时为时间单位，分别计算过去12小时内所有参数经过数据滤波处理得到的n-m个有效数据的算术平均值，并用这些算术平均值分别绘制低负荷、中负荷和高负荷工况下四个SCR脱硝系统参数随时间的变化曲线PPM^Pi(t)，

5)通过对变化曲线进行数据拟合得到脱硝催化剂的理论更换时间；

5-1)脱硝效率降低到设计要求最低脱硝效率时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(4)式所示；

5-2)NO_X排放浓度升高至排放要求极限值时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(5)式所示；

5-3)出口氨浓度或氨逃逸率PPM^Pi(t)升高至排放要求极限值时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(6)式所示；

在Pi负荷工况下，和PPM^Pi(t)三条曲线各自出现转折点，分别对应式(4)、式(5)和式(6)分别推算的理论更换时间和通常这三个时间不尽相同，因此，定义Pi负荷工况下，脱硝催化剂的理论更换时间如式(7)所示：

6)计算脱硝催化剂的最佳更换时间

在Pi负荷工况下，如果达到理论更换时间而不更换脱硝催化剂，通过增加的喷氨消耗量与液氨成本单价计算增加的喷氨成本，并计入相关脱硝设备增加的电量，计算得到增加的运行消耗成本，如式(8)所示：

式中，p_NH3为液氨成本单价，更换脱硝催化剂后的喷氨流量p_KWH为上网电价，KWH为相关脱硝设备每12小时增加平均电耗；

脱硝催化剂更换成本R_C(t)由催化剂购置成本现值B_C、安装费用现值I_C及废催化剂处理费现值D_C通过复利法计算得到，如式(9)所示，其中y为计息年化利率，t为计息时间，12小时为一个时间单位；

当额外的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)在延长期内的经济收益相等时，如式(10)所示，可实时计算并预测不同Pi负荷工况下脱硝催化剂的最佳更换时间

或将不同Pi负荷工况对应的额外增加的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)绘制与时间相关的曲线，不同Pi负荷工况对应不同最佳更换时间其他边界条件一致的前提下，负荷Pi越高，时间越短；

根据式(10)计算的脱销催化剂在Pi低负荷、中负荷和高负荷工况对应不同最佳更换时间通过不同Pi负荷工况在机组运行过程中所占比例权重α^Pi，计算脱硝催化剂的最佳更换时间t_OR，如式(11)所示

式中，α^Pi的取值，根据历史负荷情况考虑，也可根据年度或月度调度计划考虑。

所述的机组稳态运行必须同时满足三个边界条件：

1)机组负荷P_i在各要求负荷工况下取值时，上下波动必须稳定在±0.5％P_e内，且稳定取值时间必须超过120秒；

2)SCR反应器温度T和烟气流量F_Gas取值必须同时满足(1)式，且稳定取值持续超过120秒：

式中，T₀ ^Pi和分别为SCR反应器温度和烟气流量在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值；

3)SCR反应器入口的NOx浓度C_NOx-In取值必须满足式(2)，且稳定取值持续超过120秒：

式中，为SCR系统NO_X入口浓度在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值，C_NOx-Ini和C_NOx-Inj为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值，δC_NOx-In为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值的变化率。

采用本发明不但能够实时预测脱硝催化剂的理论更换时间，而且能够从经济性的角度实时计算并预测脱硝催化剂的最佳更换时间，为电厂SCR脱硝催化剂的管理以及检修计划制定和费用准备具有重要的指导意义。

附图说明

图1是脱硝催化剂达到理论更换时间是否更换对应的喷氨流量对比图。

图2是额外增加的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本时间相关曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

1)确定能够反映催化剂状态的SCR脱硝系统在线参数

SCR脱硝系统在线参数中，确定能够反应催化剂状态的参数为脱硝效率E_SCR、喷氨流量S_NH3、出口氨浓度或氨逃逸率PPM、NO_X排放浓度C_NOx-Out，确定SCR反应器温度T、烟气流量F_Gas和SCR系统NO_X入口浓度C_NOx-In为SCR系统稳态运行条件参数。由于SCR脱硝装置一般分为A侧和B侧，则可按A侧和B侧分别确定两组参数。

2)确定方案的边界条件

该方案实施的边界条件是：机组运行状态良好，锅炉燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数、烟气在炉内停留时间保持稳定，且入炉煤质保持稳定；

3)获取各负荷工况下参数的实时运行数据并进行数据过滤处理

3-1)获取机组设计负荷P_i分别处于低负荷、中负荷和高负荷各要求负荷工况下机组稳态运行时四个SCR脱硝系统参数E_SCR,S_NH3,PPM,C_NOx-Out的实时运行数据，低负荷、中负荷和高负荷一般分别定义为50％P_e、75％P_e和100％P_e；

其中，确定机组是否稳态运行必须同时满足三个边界条件：

①机组负荷P_i在各要求负荷取值时，上下波动必须稳定在±0.5％P_e内，且稳定取值时间必须超过120秒；

②SCR反应器温度T和烟气流量F_Gas取值必须同时满足式(1)，且稳定取值持续超过120秒：

式中，T₀ ^Pi和分别为SCR反应器温度和烟气流量在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值；

③SCR反应器入口的NOx浓度C_NOx-In取值必须满足式(2)，且稳定取值持续超过120秒：

式中，为SCR系统NO_X入口浓度在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值，C_NOx-Ini和C_NOx-Inj为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值。δC_NOx-In为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值的变化率。

3-2)对3-1)获取的实时运行数据进行基于拉依达准则(3σ准则)的数据滤波处理，将奇异数据全部剔除，具体处理方法如下：

3-2-1)先计算所有数据(数据量用n表示)的算术平均值；

3-2-2)计算标准方差；

3-2-3)以为剔除筛选条件，将m个奇异数据剔除掉，数据滤波处理后的有效数据为n-m个。

4)绘制脱硝系统参数时间变化曲线

以12小时为时间单位，在每日的0点整、12点整，分别计算过去12小时内所有参数经过数据滤波处理得到的n-m个有效数据的算术平均值，并用这些算术平均值分别绘制各要求负荷工况下四个SCR脱硝系统参数随时间的变化曲线PPM^Pi(t)，

5)计算脱硝催化剂的理论更换时间

随着时间的推移，脱硝催化剂的活性会不断的降低，在Pi负荷工况且稳定的边界条件下，脱硝效率逐步降低，在标准要求范围内，NO_X排放浓度和出口氨浓度或氨逃逸率PPM^Pi(t)逐步升高，当各自分别变化到设计要求的极限值时，认为达到了脱硝催化剂的理论更换时间。因此，当数据积累到一定程度，可通过对曲线进行数据拟合来预测脱硝催化剂的理论更换时间。

5-1)脱硝效率降低到设计要求最低脱硝效率时，认为达到了脱硝催化剂的理论更换时间如式(4)所示；

5-2)NO_X排放浓度升高至排放要求极限值时，认为达到了脱硝催化剂的理论更换时间如式(5)所示；

5-3)出口氨浓度或氨逃逸率PPM^Pi(t)升高至排放要求极限值时，认为达到了脱硝催化剂的理论更换时间如式(6)所示；

但是，由于机组处于运行过程中无法及时安排时间进行更换，或者在多层催化剂中并非所有层催化剂活性都降低至无法容忍的程度，即使达到了脱硝催化剂的理论更换时间，一般也不对催化剂进行更换，而是通过加大喷氨流量来提高脱硝效率降低NO_X排放浓度和出口氨浓度或氨逃逸率PPM^Pi(t)。因此，在Pi负荷工况下，和PPM^Pi(t)三条曲线各自出现转折点，分别对应式(4)、式(5)和式(6)分别推算的理论更换时间和通常这三个时间不尽相同，因此，定义Pi负荷工况下，脱硝催化剂的理论更换时间如式(7)所示：

6)计算脱硝催化剂的最佳更换时间

在Pi负荷工况下，如果达到理论更换时间而不更换脱硝催化剂，则只有通过加大喷氨流量来达到提高脱硝效率、降低NO_X排放浓度和氨逃逸率的目的，虽然延长了脱硝催化剂的运行时间，充分利用了催化剂的活性，但是相比于更换脱硝催化剂后的喷氨流量两者之间会存在很大的喷氨流量差通过在时间轴上的积分得到增加的喷氨消耗量如图1所示。

因此，针对不同Pi负荷工况，可通过增加的喷氨消耗量与液氨成本单价可计算增加的喷氨成本，另外，计入相关脱硝设备增加的电量，计算得到增加的运行消耗成本，如(8)式所示：

式中，p_NH3为液氨成本单价，p_KWH为上网电价，KWH为相关脱硝设备每12小时增加平均电耗。

脱硝催化剂更换成本R_C(t)与机组运行负荷工况Pi无关，它是由催化剂购置成本现值B_C、安装费用现值I_C及废催化剂处理费现值D_C通过复利法计算得到，如式(9)所示，其中y为计息年化利率，t为计息时间，12小时为一个时间单位。

当额外的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)在延长期内的经济收益相等时，如式(10)所示，可实时计算并预测不同Pi负荷工况下脱硝催化剂的最佳更换时间

也可将不同Pi负荷工况对应的额外增加的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)绘制与时间相关的曲线，如图2所示。不同Pi负荷工况对应不同最佳更换时间其他边界条件一致的前提下，负荷Pi越高，时间越短。

根据(10)式计算的脱销催化剂在不同Pi负荷工况对应不同最佳更换时间可通过不同Pi负荷工况在机组运行过程中所占比例权重α^Pi，计算脱硝催化剂的最佳更换时间t_OR，如式(11)所示

式中，α^Pi的取值，可根据历史负荷情况考虑，也可根据年度或月度调度计划考虑。

Claims (2)

1.一种SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定反映催化剂状态的SCR脱硝系统在线参数

即脱硝效率E_SCR、喷氨流量S_NH3、出口氨浓度或氨逃逸率PPM、NO_X排放浓度C_NOx-Out，确定SCR反应器温度T、烟气流量F_Gas和SCR系统NO_X入口浓度C_NOx-In为SCR系统稳态运行条件参数；

2)确定方案的边界条件

机组运行状态良好，锅炉燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数和烟气在炉内停留时间稳定，且入炉煤质稳定；

3)获取各负荷工况下参数的实时运行数据并进行数据过滤处理

3-1)获取机组设计负荷P_i分别处于低负荷、中负荷和高负荷各要求负荷工况下机组稳态运行时四个SCR脱硝系统参数E_SCR,S_NH3,PPM,C_NOx-Out的实时运行数据；

其中低负荷、中负荷和高负荷分别定义为50％P_e、75％P_e和100％P_e；

3-2)对3-1)获取的实时运行数据进行基于拉依达准则即3σ准则的数据滤波处理并剔除奇异数据；

4)绘制脱硝系统参数时间变化曲线

以12小时为时间单位，分别计算过去12小时内所有参数经过数据滤波处理得到的n-m个有效数据的算术平均值，并用这些算术平均值分别绘制低负荷、中负荷和高负荷工况下四个SCR脱硝系统参数随时间的变化曲线PPM^Pi(t),

5)通过对变化曲线进行数据拟合得到脱硝催化剂的理论更换时间；

5-1)脱硝效率降低到设计要求最低脱硝效率时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(4)所示；

5-2)NO_X排放浓度升高至排放要求极限值时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(5)所示；

5-3)出口氨浓度或氨逃逸率PPM^Pi(t)升高至排放要求极限值时，脱硝催化剂达到理论更换时间如式(6)所示；

在Pi负荷工况下，和PPM^Pi(t)三条曲线各自出现转折点，分别对应式(4)、式(5)和式(6)分别推算的理论更换时间和这三个时间不尽相同，因此，定义Pi负荷工况下，脱硝催化剂的理论更换时间如式(7)所示：

6)计算脱硝催化剂的最佳更换时间

在Pi负荷工况下，如果达到理论更换时间而不更换脱硝催化剂，通过增加的喷氨消耗量与液氨成本单价计算增加的喷氨成本，并计入相关脱硝设备增加的电量，计算得到增加的运行消耗成本，如式(8)所示：

式中，p_NH3为液氨成本单价，更换脱硝催化剂后的喷氨流量p_KWH为上网电价，KWH为相关脱硝设备每12小时增加平均电耗；

脱硝催化剂更换成本R_C(t)由催化剂购置成本现值B_C、安装费用现值I_C及废催化剂处理费现值D_C通过复利法计算得到，如式(9)所示，其中y为计息年化利率，t为计息时间，12小时为一个时间单位；

当额外的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)在延长期内的经济收益相等时，如式(10)所示，可实时计算并预测不同Pi负荷工况下脱硝催化剂的最佳更换时间

或将不同Pi负荷工况对应的额外增加的运行消耗成本与脱硝催化剂更换成本R_C(t)绘制与时间相关的曲线，不同Pi负荷工况对应不同最佳更换时间其他边界条件一致的前提下，负荷Pi越高，时间越短；

根据公式(10)计算的脱销催化剂在Pi低负荷、中负荷和高负荷工况对应不同最佳更换时间通过不同Pi负荷工况在机组运行过程中所占比例权重α^Pi，计算脱硝催化剂的最佳更换时间t_OR，如式(11)所示

式中，α^Pi的取值，根据历史负荷情况考虑或根据年度或月度调度计划考虑。

2.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂最佳更换时间的实时计算方法，其特征在于：所述的机组稳态运行必须同时满足三个边界条件：

1)机组负荷P_i在各要求负荷工况下取值时，上下波动必须稳定在±0.5％P_e内，且稳定取值时间必须超过120秒；

2)SCR反应器温度T和烟气流量F_Gas取值必须同时满足式(1)，且稳定取值持续超过120秒：

式中，和分别为SCR反应器温度和烟气流量在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值；

3)SCR反应器入口的NOx浓度C_NOx-In取值必须满足式(2)，且稳定取值持续超过120秒：

式中，为SCR系统NO_X入口浓度在低负荷、中负荷和高负荷工况下的性能试验值或初始设计值，C_NOx-Ini和C_NOx-Inj为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值，δC_NOx-In为任意时刻SCR系统NO_X入口浓度的两个取值的变化率。