CN111581894A - 一种scr喷氨量智能监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SCR喷氨量智能监控系统及方法,涉及锅炉脱硝领域,解决SCR脱硝过程中喷氨量过剩、氨逃逸的现象,具体为设置包括SCR入口测量模块、喷氨控制模块、计算模型模拟模块及动态数据库的监控系统。设置在SCR反应器入口端的SCR入口测量模块与计算模型模拟模块的输入端相连,计算模型模拟模块的输出端与动态数据库相连,喷氨控制模块通过动态数据库中的NOX分布数据和NH3分布数据对SCR反应器进行智能化喷氨。计算模型模拟模块根据SCR入口测量模块采集的运行数据和计算模拟模型,确定多种工况下对应的NOX分布、NH3分布等数据。本发明能够能够实时有效地监控SCR反应器中的喷氨情况。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉脱硝领域,特别是涉及一种SCR喷氨量智能监控系统及方法。
背景技术
燃煤锅炉烟气脱硝技术主要采用的是选择性催化脱硝(SCR)。目前,为达到较好的脱硝效果,电厂在实际运行时往往会加大喷氨量,导致喷氨量过剩。过剩的氨不仅会污染环境,还会与烟气中的SO3生成粘结性NH4HSO4积灰,严重影响下游空气预热器的安全运行。因此,需要有效调整SCR喷氨策略,合理控制喷氨量。
传统脱硝自动控制系统在运行过程中存在较多问题,控制系统多采用常规PID控制,对于脱硝效率这类大迟延对象,控制效果很不理想,尤其在机组启停磨煤机期间,脱硝入口NOX浓度波动较大时,出口NOX浓度很难及时控制,氨逃逸较多。因此,开展脱硝过程中SCR喷氨量的控制策略研究,是提高脱硝效率、降低成本的关键。
目前公开了一种基于智能前馈信号的SCR脱硝系统喷氨量优化控制系统及方法,以电厂历史数据为基础,采用数据建模的思想,以锅炉侧可调参数作为输入,以炉膛出口NOX浓度作为输出,利用最小二乘支持向量机算法构建预测模型,用来构建喷氨量控制策略中的智能前馈控制器;但该方法由于仍存在非线性、有迟延、分布参数和扰动因素较多,且无法得到SCR反应器内三维空气动力场、温度场的情况,无法直观地反应脱硝效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种SCR喷氨量智能监控系统及方法,旨在解决SCR脱硝过程中喷氨量过剩、氨逃逸的现象,能够实时有效地监控SCR反应器中的喷氨情况。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种SCR喷氨量智能监控系统,所述SCR喷氨量智能监控系统应用于SCR反应装置;所述SCR反应装置包括SCR反应器、与SCR反应器入口端连接的第一SCR烟道、与SCR反应器出口端连接的第二SCR烟道以及设置在SCR反应器内部的SCR喷氨格栅;所述SCR喷氨量智能监控系统包括SCR入口测量模块、喷氨控制模块、计算模型模拟模块以及动态数据库;
所述SCR入口测量模块通过燃煤电站分布式控制系统与所述计算模型模拟模块的输入端相连,所述计算模型模拟模块的输出端与所述动态数据库相连,所述喷氨控制模块用于根据所述动态数据库中的NOX分布数据和NH3分布数据对SCR反应器进行智能化喷氨;
所述SCR入口测量模块设置在所述第一SCR烟道处,所述SCR入口测量模块用于测量SCR反应器入口的运行数据;所述运行数据包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
所述计算模型模拟模块的模拟区间为SCR反应器;所述计算模型模拟模块用于根据获取的SCR反应器入口的运行数据以及内部集成的计算模拟模型,确定多种工况下SCR反应系统浓度分布的模拟结果,并将模拟结果存入动态数据库中;所述模拟结果包括多种工况下SCR反应系统中SCR反应器的三维空气动力场数据、温度场数据、NOX分布数据、NH3分布数据、脱硝率、喷氨量和氨逃逸量。
可选的,所述SCR喷氨量智能监控系统还包括动态数据可视化模块;所述动态数据可视化模块包括电厂实际负荷参数的输入;所述动态数据可视化模块用于根据电厂实际负荷参数的输入调动所述动态数据库对应的模拟结果,并将调动的所述模拟结果输出为实时动态的图像。
可选的,所述动态数据可视化模块中的用户界面包括输入区域和显示区域,所述输入区域用于输入实时边界条件,所述显示区域用于实时显示SCR反应器的脱硝情况、喷氨量、NH3分布信息以及NOX分布信息。
可选的,所述SCR喷氨量智能监控系统还包括SCR出口测量模块;所述SCR出口测量模块通过燃煤电站分布式控制系统与所述计算模型模拟模块的输入端相连;所述SCR出口测量模块设置在所述第二SCR烟道处,所述SCR出口测量模块用于测量SCR反应器出口的运行数据;所述运行数据包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
所述计算模型模拟模块用于将获取的SCR反应器出口的运行数据存入所述动态数据库中;
所述动态数据可视化模块用于根据电厂实际负荷参数的输入调动所述动态数据库对应的SCR反应器出口的运行数据。
可选的,所述计算模型模拟模块用于根据获取的历史SCR反应器入口的运行数据和获取的历史SCR反应器出口的运行数据,优化调整计算模拟模型。
可选的,所述SCR入口测量模块和所述SCR出口测量模块均包括氨逃逸量检测仪、氮氧化物检测仪、流速检测仪、压力检测仪和温度检测仪。
可选的,所述喷氨控制模块用于根据动态数据库中的NOX分布数据和NH3分布数据进行SCR喷氨量的设定以及控制SCR喷氨格栅的喷氨量;其中,所述喷氨控制模块通过喷氨阀门控制SCR喷氨格栅的喷氨量。
一种SCR喷氨量智能监控方法,包括:
建立SCR反应器入口NOX量与系统喷氨量的预测模型;
构建SCR反应装置的三维空间模型;
建立SCR反应器脱硝过程的计算模型;
获取SCR反应器的边界条件;所述边界条件包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
根据所述预测模型、所述计算模型、所述边界条件和所述三维空间模型,构建计算模拟模型,并通过所述计算模拟模型模拟计算得到多种工况下SCR反应系统浓度分布的动态数据;所述动态数据包括NOX分布数据、NH3分布数据、喷氨量及氨逃逸量;
根据实际运行工况参数对应的氨逃逸量,调整SCR反应器的喷氨量。
可选的,所述构建SCR反应装置的三维空间模型,具体包括:
采用近似处理方法,构建SCR反应装置的三维空间模型。
可选的,还包括:
根据实际运行工况参数对应的喷氨量,确定SCR喷氨量智能监控系统的喷氨控制模块中的SCR喷氨量的设定值;
调用实际运行工况参数对应的NOx分布数据和NH3分布数据,并将所述NOx分布数据和所述NH3分布数据显示在SCR喷氨量智能监控系统中动态数据可视化模块的用户界面上。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供了一种SCR喷氨量智能监控系统及方法,采用数值模拟的方法从源头克服了现有脱硝控制系统的非线性、迟延大、分布参数和扰动因素多等缺陷,同时可使电厂工作人员观察到SCR脱硝反应器内部的动态模拟结果,根据动态模拟结果对机组人员提出指导性意见。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明SCR喷氨量智能监控系统的结构框图;
图2为本发明SCR喷氨量智能监控方法的流程示意图;
图3为本发明监控系统中用户SCR脱硝指导界面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种SCR喷氨量智能监控系统及方法,能够实时有效地监控SCR反应器内的脱硝效果、喷氨量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种SCR喷氨量智能监控系统,如图1所示,其监控系统应用于SCR反应装置上,该监控系统包括:SCR入口测量模块、SCR出口测量模块、喷氨控制模块、计算模型模拟模块以及动态数据库。
SCR反应装置包括SCR反应器、与SCR反应器入口端连接的第一SCR烟道、与SCR反应器出口端连接的第二SCR烟道以及设置在SCR反应器内部的SCR喷氨格栅。
SCR入口测量模块和SCR出口测量模块均通过燃煤电站分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)与计算模型模拟模块的输入端相连,计算模型模拟模块的输出端与动态数据库相连,计算模型模拟模块的模拟区间为SCR反应器,喷氨控制模块通过调用动态数据库中的NOX分布、NH3分布等数据对SCR反应器进行智能化喷氨。
SCR入口测量模块设置在第一SCR烟道处,SCR入口测量模块用于测量SCR反应器入口的运行数据;SCR入口测量模块主要包括氨逃逸量检测仪、氮氧化物检测仪、流速检测仪、压力检测仪和温度检测仪。其运行数据包含烟气流量、烟气温度、烟气压力和烟气成分(主要包含NOX量和NH3逃逸量)。
SCR出口测量模块设置在第二SCR烟道处,SCR出口测量模块用于测量SCR反应器出口的运行数据;SCR出口测量模块主要包括氨逃逸检测仪、氮氧化物检测仪、流速检测仪、压力检测仪、温度检测仪。其运行数据包含烟气流量、烟气温度、烟气压力和烟气成分(主要包含NOX量和NH3逃逸量)。
计算模型模拟模块用于根据获取的SCR反应器入口的运行数据以及内部集成的计算模拟模型,确定多种工况下SCR反应系统浓度分布的模拟结果,并将模拟结果存入动态数据库中。
计算模型模拟模块还用于将获取的SCR反应器出口的运行数据存入所述动态数据库中。
计算模型模拟模块还用于根据获取的历史SCR反应器入口的运行数据和获取的历史SCR反应器入口的运行数据,优化调整计算模拟模型。
喷氨控制模块用于根据动态数据库中的NOX分布、NH3分布等数据进行SCR喷氨量的设定以及控制SCR喷氨格栅的喷氨量。其中,喷氨控制模块通过喷氨阀门控制SCR喷氨格栅的喷氨量。其中,喷氨格栅处装有自动及手动控制阀门,称为喷氨阀门,用于调整SCR反应器内喷氨量的大小。
此外,喷氨控制模块通过DCS系统自动输入SCR反应器入口的实时NOX含量,调用动态数据库对应的氨逃逸量对喷氨阀门的喷氨量进行喷氨指导。
动态数据库包括计算模型模拟模块对应的模拟结果,具体为多种工况下SCR反应系统中的SCR反应器的三维空气动力场数据、温度场数据、NOX分布数据、NH3分布数据、脱硝率、喷氨量和氨逃逸量。
该监控系统还包括动态数据可视化模块,该动态数据可视化模块包括电厂实际负荷参数的输入,动态数据可视化模块用于根据电厂实际负荷参数的输入调动动态数据库对应的模拟结果,并将该模拟结果输出为实时动态的图像。
进一步的,动态数据可视化模块中的用户界面(GUI)包括输入区域和显示区域,用户在输入区域输入实时边界条件,在显示区域实时显示SCR反应器的脱硝情况、喷氨量、NH3分布以及NOX分布。
如图2所示,本发明还提供了一种SCR喷氨量智能监控方法,包括以下步骤:
步骤101,建立SCR反应器入口NOX量与系统喷氨量的预测模型。
优选地,在步骤101中,所述预测模型为:
步骤102,构建SCR反应装置的三维空间模型。
采用近似处理方法,将SCR反应装置(包括第一SCR烟道、第二SCR烟道、SCR反应器、SCR喷氨格栅)分别沿长宽高方向划分计算区域,进而转化为三维空间结构,以便网格化使得计算机可以据此计算。
步骤103,建立SCR反应器脱硝过程的计算模型。
优选地,所述步骤103具体包括:采用理论模型对SCR脱硝过程中的化学反应、空气动力场和烟气气固两相流的耦合进行数值仿真实验。
优选地,所述步骤103采用的理论模型包括:标准k-ε湍流模型、两相流颗粒相随机轨道模型、组分输运模型、多孔介质模型、化学反应模型、相间传热模型、热泳力模型、曳力模型以及接触力学模型(软球模型)。
其中,标准k-ε湍流模型的表达式为:
式中,ρ为密度;t为时间;Xj为坐标;μ为粘性系数;k为湍动能;ε为湍流耗散率;Φk为壁面动能项;μτ为涡粘性;τtij为流体压强;Sij为平均速度应变率张量;Φε为壁面动能耗散项。
两相流颗粒相随机轨道模型是根据模拟蒙特卡洛(DMSC)方法,采用取样颗粒代替真实颗粒进行模拟建立的。在实际应用中,采用少量的取样颗粒代替大量的真实颗粒。
组分输运模型是通过第i种物质对流扩散方程预测其质量分数ωi;组分输运模型的表达式为:
式中,ρ为流体密度;t为时间;u为流体速度;Ji为物质扩散通量,由浓度梯度产生;Ri为化学反应净产生速率;Si为离散相和定义的源相导致的额外产生速率。ωi为通过第i种物质对流扩散方程预测的质量分数。
多孔介质模型的表达式为:
式中,ρ为流体密度;νj为j向流体速度;C2ij为沿着流动方向每一单位长度的惯性损失系数;ρf为流体密度;Ef为流体的能量;λ为介质的多孔性;ρs为固体介质密度;Es为固体介质的能量;keff为介质的有效热传导系数;ki为介质传热系数;为流体焓源项。
化学反应模型是根据化学反应方程4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O、4NH3+6NO=5N2+6H2O,催化反应速率方程建立的;其中,k为T(K)时的反应速率常数;A0为指前因子,与温度无关的常数;m为温度指数,为小于等于4的整数或半整数;E为活化能,R为气体常数。
相间传热模型是根据公式Qsg=hsg(Ts-Tg)建立的;其中,hsg为相间传热系数(W/(m3·K));Ts为固相温度;Tg为气相温度。
热泳力模型是根据公式(Talbot公式)建立的;其中,dp为近壁面第一个内节点处的烟气颗粒粒径,μ为气体动力粘度;Cs为热滑移系数,取1.17;λg、λp分别为流体和颗粒导热系数;Ct为温度阶跃系数,取2.18;Kn为克努森数,Kn=2λ/dp;Cm为动量滑移系数,取1.14;mp为颗粒质量;T为当地流体温度。
接触力学模型是根据公式公式公式建立的;其中,x是偏离平衡位置的位移;m是振子质量;χ、ψ分别是弹簧阻尼系数和弹性系数;kn为法向弹簧刚度系数;ηn为法向阻尼系数;为球i在法向上的变形;为球i与壁面接触点法向上的相对速度分量;kt为切向弹簧刚度系数,默认取kt=2/7kn;ηt为切向阻尼系数,默认取ηt=1/2ηn。
步骤104,获取SCR反应器的边界条件;所述边界条件包括SCR入口测量模块采集到的烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOx分布数据和NH3分布数据。
步骤105,根据预测模型、计算模型、边界条件和三维空间模型,构建计算模拟模型,并通过计算模拟模型模拟计算得到多种工况下SCR反应系统浓度分布的动态数据,所述动态数据包括NOX分布数据、NH3分布数据、喷氨量及氨逃逸量。具体为:
将步骤101所述预测模型、步骤103所述计算模型、步骤104所述边界条件代入步骤102中建立的三维空间模型,得到计算模拟模型,并通过计算模拟模型内部的计算机程序模拟计算得到多种工况下SCR系统浓度分布的动态数据库,该动态数据包括NOX分布数据、NH3分布数据、喷氨量及氨逃逸量。
步骤106,根据实际运行工况参数对应的氨逃逸量,调整SCR反应器的喷氨量。具体为:首先获取SCR反应器的实际运行工况,并根据实际运行工况的参数调用动态数据中对应的的氨逃逸量,进而实现调整SCR反应器的喷氨量的目的。
步骤107,根据实际运行工况的参数调用动态数据中对应的NOx分布数据和NH3分布数据,然后导入动态数据可视化模块中,在软件界面呈现三维可视化的SCR反应器的脱硝情况。
步骤108,根据实际运行工况的参数调用动态数据中对应的喷氨量数值,进而确定喷氨控制模块中SCR喷氨量的设定值。
图3为本发明实施例监控系统的用户SCR脱硝指导界面图,如图3所示,根据实际运行工况确定SCR反应器的脱硝情况,根据氨逃逸量进行SCR喷氨量的实时调整。
本发明提供的一种SCR喷氨量智能监控系统及方法,通过建立三维几何模型以及SCR反应器脱硝过程的计算模型确定SCR系统浓度分布的动态数据库,根据电厂实际运行工况调用所述的动态数据库中的NH3分布、NOX分布数据,并导入数据可视化单元,模拟所述SCR反应器内的喷氨情况;根据所述的喷氨情况实时对所述的SCR反应器进行可视化监控,用于喷氨控制单元中SCR系统喷氨量的设定。
本发明采用数值模拟的方式从源头避免了现有脱硝控制系统的非线性、迟延大、分布参数和扰动因素多等缺陷,可使电厂工作人员观察到SCR反应器内部的动态模拟结果,根据动态模拟结果对机组人员提出指导性意见;采用本发明提供的监控方法及系统可建立一个集脱硝控制优化、喷氨量监测为一体的三维可视化智能监控系统;该系统能够对SCR喷氨量过剩、氨逃逸进行实时监测,在一定程度上节约了成本,提高了锅炉的经济性和安全性,值得大力推广。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述SCR喷氨量智能监控系统应用于SCR反应装置;所述SCR反应装置包括SCR反应器、与SCR反应器入口端连接的第一SCR烟道、与SCR反应器出口端连接的第二SCR烟道以及设置在SCR反应器内部的SCR喷氨格栅;所述SCR喷氨量智能监控系统包括SCR入口测量模块、喷氨控制模块、计算模型模拟模块以及动态数据库;
所述SCR入口测量模块通过燃煤电站分布式控制系统与所述计算模型模拟模块的输入端相连,所述计算模型模拟模块的输出端与所述动态数据库相连,所述喷氨控制模块用于根据所述动态数据库中的NOX分布数据和NH3分布数据对SCR反应器进行智能化喷氨;
所述SCR入口测量模块设置在所述第一SCR烟道处,所述SCR入口测量模块用于测量SCR反应器入口的运行数据;所述运行数据包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
所述计算模型模拟模块的模拟区间为SCR反应器;所述计算模型模拟模块用于根据获取的SCR反应器入口的运行数据以及内部集成的计算模拟模型,确定多种工况下SCR反应系统浓度分布的模拟结果,并将模拟结果存入动态数据库中;所述模拟结果包括多种工况下SCR反应系统中SCR反应器的三维空气动力场数据、温度场数据、NOX分布数据、NH3分布数据、脱硝率、喷氨量和氨逃逸量。
2.根据权利要求1所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述SCR喷氨量智能监控系统还包括动态数据可视化模块;所述动态数据可视化模块包括电厂实际负荷参数的输入;所述动态数据可视化模块用于根据电厂实际负荷参数的输入调动所述动态数据库对应的模拟结果,并将调动的所述模拟结果输出为实时动态的图像。
3.根据权利要求2所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述动态数据可视化模块中的用户界面包括输入区域和显示区域,所述输入区域用于输入实时边界条件,所述显示区域用于实时显示SCR反应器的脱硝情况、喷氨量、NH3分布信息以及NOX分布信息。
4.根据权利要求2所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述SCR喷氨量智能监控系统还包括SCR出口测量模块;所述SCR出口测量模块通过燃煤电站分布式控制系统与所述计算模型模拟模块的输入端相连;所述SCR出口测量模块设置在所述第二SCR烟道处,所述SCR出口测量模块用于测量SCR反应器出口的运行数据;所述运行数据包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
所述计算模型模拟模块用于将获取的SCR反应器出口的运行数据存入所述动态数据库中;
所述动态数据可视化模块用于根据电厂实际负荷参数的输入调动所述动态数据库对应的SCR反应器出口的运行数据。
5.根据权利要求4所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述计算模型模拟模块用于根据获取的历史SCR反应器入口的运行数据和获取的历史SCR反应器出口的运行数据,优化调整计算模拟模型。
6.根据权利要求4所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述SCR入口测量模块和所述SCR出口测量模块均包括氨逃逸量检测仪、氮氧化物检测仪、流速检测仪、压力检测仪和温度检测仪。
7.根据权利要求4所述的一种SCR喷氨量智能监控系统,其特征在于,所述喷氨控制模块用于根据动态数据库中的NOX分布数据和NH3分布数据进行SCR喷氨量的设定以及控制SCR喷氨格栅的喷氨量;其中,所述喷氨控制模块通过喷氨阀门控制SCR喷氨格栅的喷氨量。
8.一种SCR喷氨量智能监控方法,其特征在于,包括:
建立SCR反应器入口NOX量与系统喷氨量的预测模型;
构建SCR反应装置的三维空间模型;
建立SCR反应器脱硝过程的计算模型;
获取SCR反应器的边界条件;所述边界条件包括烟气流量、烟气温度、烟气压力、NOX量和NH3逃逸量;
根据所述预测模型、所述计算模型、所述边界条件和所述三维空间模型,构建计算模拟模型,并通过所述计算模拟模型模拟计算得到多种工况下SCR反应系统浓度分布的动态数据;所述动态数据包括NOX分布数据、NH3分布数据、喷氨量及氨逃逸量;
根据实际运行工况参数对应的氨逃逸量,调整SCR反应器的喷氨量。
9.根据权利要求8所述的一种SCR喷氨量智能监控方法,其特征在于,所述构建SCR反应装置的三维空间模型,具体包括:
采用近似处理方法,构建SCR反应装置的三维空间模型。
10.根据权利要求8所述的一种SCR喷氨量智能监控方法,其特征在于,还包括:
根据实际运行工况参数对应的喷氨量,确定SCR喷氨量智能监控系统的喷氨控制模块中的SCR喷氨量的设定值;
调用实际运行工况参数对应的NOx分布数据和NH3分布数据,并将所述NOx分布数据和所述NH3分布数据显示在SCR喷氨量智能监控系统中动态数据可视化模块的用户界面上。
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