[发明专利]一种基于海量运行数据的SCR脱硝催化剂寿命预测方法

摘要

本发明公开一种基于海量运行数据的SCR脱硝催化剂寿命预测方法，从燃煤电厂脱硝系统工业过程数据中分析得到SCR催化剂寿命，具体包括以下步骤：首先从DCS数据源系统中获取历史运行数据，将原始数据按时间标签整理成样本集，过滤数值不变数据、野点数据和超限数据，过滤数据的非稳态性；然后利用工况切割和数据装箱方法过滤工况混杂性的影响；再将样本集按时间离散化，并提取计算氨氮摩尔比和脱硝效率的关系；最后利用分析模型挖掘催化剂性能随时间序列劣化的规律，根据换装准则和现场实际烟气条件预测催化剂剩余寿命。本发明通过对同类型机组、类似运行条件催化剂实际运行性能的数据集成与分析，可以在更大数据集中建立催化剂寿命管理特性函数。

主权项

1.一种基于海量运行数据的SCR脱硝催化剂寿命预测方法，其特征在于，从燃煤电厂脱硝系统工业过程数据中分析得到SCR催化剂寿命，具体包括以下步骤：(1)原始数据校验与过滤：从DCS数据源系统中获取历史运行数据，将原始数据按时间标签整理成样本集，过滤数值不变数据、野点数据和超限数据，过滤数据的非稳态性；具体包括如下步骤：(1a)原始数据提取：提取燃煤电厂脱硝系统催化剂安装至今的历史运行数据，取样间隔记为Δt，参数包括负荷N、进口NOx浓度出口NOx浓度还原剂流量R、氧量O₂，数据集记为A₀；(1b)生成数据样本：将同一时间标签下的各传感器测得的数据合称为这个时间下的样本，数据集A0写成样本的形式为：式中，i为样本标签；n为样本总数；t_i为时间标签；为t_i时间点下的样本；分别为t_i时间点下的负荷、进出口NOx浓度、还原剂流量和氧量；(1c)在A0基础上，过滤数值不变的数据：这类数据可能是机组停机期间传感器测量得到，也可能是数据传输通道故障造成，过滤后数据集记为A1；(1d)在A1基础上，过滤野点数据和粗大误差数据：野点数据作为噪声存在，是偏离样本集群其它观测值的数据点；粗大误差数据是测量值远高于该指标传感器量程范围或该指标常规观测范围的数据，过滤后数据集记为A2；(1e)在A2基础上，过滤异常数据并消除数据非稳态性：当工业脱硝系统受到外部或内部扰动时，由于流动的延迟性和催化剂的蓄氨性，出口参数对扰动的响应存在一定的时滞，在这段系统非稳态工作过程中，同一时刻的入口参数和出口参数关系不对应，会影响后续的过程数据关系提取，需要提前过滤，过滤后数据集记为A3；(2)工况切割与数据装箱：利用工况切割和数据装箱方法过滤工况混杂性的影响；具体包括如下步骤：(2a)工况切割：将负荷的历史数据按数值大小等宽切割成若干小区间，小区间宽度S的定义原则为：在该区间范围内，负荷变化不大，负荷对同一样本其它参数间关系影响不大，负荷等宽切割后写成如下形式：式中，j为小区间编号；m为负荷等宽切割小区间个数；S_j为负荷等宽切割区间标签；为负荷分割后的第j个小区间；分别为第j个小区间负荷的上下限；(2b)数据装箱： 将样本内经过数据校验和过滤的其它数据按负荷标签对应装入负荷小区间内，数据装箱后的数据集写成如下形式：s.t.式中，是A₃样本集内第j个等宽区间内的样本集；是样本集内第k个样本；1是样本集内样本的个数；分别为样本里的时间标签、负荷、进出口NOx浓度、还原剂流量和氧量；和分别为第j个等宽区间内负荷的上下限；(2c)工况过滤：统计不同箱内样本个数，提取某一箱内的数据，组成新的数据集A4：(3)过程数据关系提取：将样本集按时间离散化，并提取计算氨氮摩尔比和脱硝效率的关系，具体包括如下步骤：(3a)时间离散化：将数据集A4按时间标签等宽切割成若干份，近似认为时间间隔ΔT内催化剂寿命变化不大，并以各ΔT时间段内的数据预测该时间段内催化剂的性能；ΔT的大小利用最大无关性原则确定：随着ΔT的减小，催化剂性能计算越精确，当ΔT小到一定程度，计算所得的催化剂劣化趋势不再有明显变化，即选择此时的ΔT；A4数据集按时间等宽切割后写成如下形式：s.t.式中，是A₄样本集内第f个时间区间内的样本集；是样本集内第g个样本；x是样本集内样本的个数；分别为样本里的时间标签、负荷、进出口NOx浓度、还原剂流量和氧量；和分别为第f个时间区间内时间的上下限；(3b)提取计算氨氮摩尔比和脱硝效率的关系：在将A₄数据集按时间等分成若干数据集后，利用每个数据集内的样本分别画出各时间段里的计算氨氮摩尔比和脱硝效率的关系曲线，计算氨氮摩尔比和脱硝效率的推导公式如下所示：氨氮摩尔比的定义式如下：式中，和分别为脱硝反应器入口NH₃和NOx的平均摩尔浓度，mol/L；脱硝效率的定义式如下：式中，为脱硝系统出口NOx浓度，mg/m³；为脱硝系统入口NOx浓度，mg/m³；根据电厂已有测点可以直接计算出脱硝效率，然而目前电厂氨逃逸率测点普遍难以精确测量，无法计算精确氨氮摩尔比，因此，从氨氮摩尔比定义式出发推导计算氨氮摩尔比，以表征氨氮摩尔比水平；对于尿素炉，SCR反应器入口NH3的摩尔浓度计算式如下：式中，为尿素溶液量，L/h；为尿素溶液密度，g/L；为尿素相对分子质量，g/mol；Q₀为反应器入口烟气流量，m³/h；对于液氨炉，SCR反应器入口NH3的摩尔浓度计算式如下：式中，为液氨流量，L/h；为液氨密度，g/L；为液氨相对分子质量，g/mol；Q₀为反应器入口烟气流量，m³/h；以下以尿素SCR炉为例进行推导，液氨炉以此类推；SCR反应器入口NOx的摩尔浓度计算式如下：式中，为脱硝系统入口NOx浓度，mg/m³；M_NOx为NOx相对分子质量，g/mol；氨氮摩尔比的计算式如下：设电厂使用的尿素溶液浓度为定值，进口NOx中NO2和NO的组成比例基本不变，即MNOx为定值，将上式中常数项提出，化简得到：式中，k1为提出后的常数项；上式中需要用到现场烟气量测点，考虑到现场烟气量测点准确度较差，且经常重新标定，难以直接利用，故利用负荷计算烟气流量，并用SCR进口氧气浓度加以修正，即：Q0＝N×λ×A式中，N为机组负荷，MW；λ为氧量修正系数；A为负荷与烟气量之间的比例关系，是常数；O2为SCR进口氧量；b为标准氧量；将计算烟气量带入氨氮摩尔比推导式，合并常数项，即得：式中，β为计算氨氮摩尔比，k2为常数项；(4)脱硝催化剂性能分析：利用分析模型挖掘催化剂性能随时间序列劣化的规律，根据换装准则和现场实际烟气条件预测催化剂剩余寿命。