基于大数据的火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算模型

卢建彬 李健韬 刘晓英

（内蒙古京能盛乐热电有限公司）

火电厂火力发电过程中，燃料通过燃烧释放热能［1］并形成大量烟气。 烟气中的大量氮氧化物排放至空气中，会造成严重的空气污染［2］，严重时会形成雾霾。 选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脱硝系统是脱除火力发电燃煤机组生成的氮氧化物的重要系统［3］，其利用还原剂氨气与氮氧化物发生反应，生成对环境无污染的水和氮气［4～6］，从而达到脱除氮氧化物的目的。 但是在火电厂SCR脱硝系统运行过程中， 氨气泄漏问题频发。 氨气是常见的有毒物质，液氨具有易燃易爆、毒性强的特点［7］，若发生泄漏，极易造成人员中毒伤亡甚至爆炸等事故，因此分析氨气泄漏的危险区域［8］，制定氨气泄漏的相关处理措施是极为重要的。

目前众多研究学者针对液氨泄漏危险进行了研究，郭虎城等针对重大危险源区域的液氨泄漏问题， 利用重大危险源区域定量风险评估方法，评估了液氨泄漏以及在固定泄漏模式下的社会与个人风险，明确了大气稳定度和风速对液氨泄漏事故风险的影响［9］；韩轶等模拟了液氨存储区的火灾爆炸事故场景，有效评估了液氨泄漏造成的火灾爆炸事故；当获取了工艺参数并在工艺条件一定时，对液氨泄漏造成的火灾事故后果进行了研究，结果验证了火灾防控对事故损失降低的有效性［10］。 这些方法虽然模拟了液氨泄漏的风险，但是并未确定液氨泄漏的危险区域。 为此，笔者设计了一种基于大数据的火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算模型，利用大数据技术确定影响火电厂SCR脱硝系统、 液氨泄漏区域以及泄漏浓度的主要因素， 利用高斯烟羽模型模拟SCR脱硝系统液氨泄漏的动态变化， 为火电厂SCR脱硝系统的液氨泄漏事故分析， 提供定量的风险评估依据。

1 火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算模型

1.1 火电厂SCR脱硝系统结构

火电厂SCR脱硝系统的运行结构示意图如图1所示。火电厂SCR脱硝系统在省煤器后设置了反应器， 利用反应器为SCR脱硝系统提供催化剂。SCR脱硝系统利用混合器混合送风机送入的空气和供氨站液氨储罐送来的氨气［11］，利用喷氨调节阀将混合后的均匀稀释气体传送至反应器。 反应器中的催化剂与混合气体发生反应，即可达到去除氮氧化物的目的。

图1 火电厂SCR脱硝系统的运行结构示意图

1.2 基于大数据的SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域分析

笔者采用K-means聚类算法作为火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险分析的数据挖掘算法。 该算法利用火电厂SCR脱硝系统的海量运行数据，分析其中包含的有价值的可以应用于液氨泄漏危险区域估算的数据。 火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算的大数据分析架构如图2所示。

图2 大数据分析架构

由图2可知， 大数据分析架构包括数据采集层、数据存储层、数据分析层、数据应用层和数据展示层。 数据采集层利用温度传感器、风速传感器、 浓度传感器等传感器采集SCR脱硝系统运行过程中的相关数据［12］并存储至数据存储层内。 利用数据分析层，通过K-means聚类算法，对数据存储层内的不同类型数据实施聚类，挖掘与液氨泄漏区域相关的数据［13］，为液氨泄漏区域估算提供数据基础。 数据分析层将所挖掘数据传送至数据应用层， 数据应用层的现场模拟模块利用MATLAB软件模拟火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏情况，估算液氨泄漏区域，并通过数据展示模块展示给用户。 大数据分析过程以及液氨泄漏区域估算结果，可通过互联网传送至云端，利用云端实现应用数据的在线存储。 火电厂SCR脱硝系统管理人员可以随时登录云端， 查看火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏区域估算结果，并依据结果下发液氨泄漏处置的相关决策指令。

K-means聚类算法以最小化误差函数作为聚类准则，并依据所制定的聚类准则，将海量液氨泄漏数据划分为预定的类别数量K， 具体步骤如下。

第1步。 从数据存储层的海量大数据中，随机抽取K个数据，作为聚类的初始簇中心。抽取火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏相关数据前， 需要预处理数据， 将火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏相关数据中的干扰数据剔除。

第2步。 将采集的数据划分至与该数据样本点较近的簇中。

选取欧式距离作为火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏相关数据聚类分析的划分准则。 欧式距离d（x，y）计算式如下：

其中，n表示数据样本维度。 利用式（1）计算数据存储层数据间的距离，并依据最近邻原则将数据划分至相应类别中。

第3步。计算火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏相关数据样本与聚类中心的间距。 依据最近邻原则，重新划分各数据以及与该数据距离最近的中心点所在类别，重新分配各簇的中心点。

第4步。 重复以上3步，直至数据聚类中心不再变化。

K-means聚类算法通过重复迭代计算， 更新各聚类中心的值，输出最佳聚类结果。 K-measn聚类算法可从海量大数据中挖掘与液氨泄漏危险区域估算相关的数据， 分析数据的变化趋势［14］，为不同工况下火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算模拟提供良好的数据基础。 由数据挖掘结果可知， 影响液氨泄漏危险区域的因素众多，包括液氨泄漏孔径、泄漏孔高度、泄漏孔位置等内在因素以及火电厂SCR脱硝系统的环境温度、风速、风向等外在因素。型中的烟羽模型来模拟液氨泄漏扩散情况。

1.3.1 液氨泄漏速率

液氨泄漏主要包括泄漏、闪蒸和气态形式扩散3个过程。 液氨泄漏至空气中，由高压转化为常压，导致部分液氨快速蒸发转化为气态。

利用小孔泄漏公式， 确定液氨泄漏速率Q的计算式为：

1.3 液氨泄漏危险区域估算模型

利用数据挖掘技术确定火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏风险的影响因素后， 可利用MATLAB软件模拟液氨泄漏危险区域。 MATLAB通过三维动画方式模拟液氨泄漏现场，同时可以依据用户需求设定不同大小和不同位置的泄漏源。 MATLAB软件利用TGid网格类型划分所构建的泄漏危险区域估算模型， 选取Tet/Hybrid网格单元划分网格，模型网格间距为5 m×5 m×5 m。 液化气体泄漏存在瞬时泄漏扩散以及连续泄漏扩散两种情况，而液氨泄漏属于连续泄漏扩散，因此选取高斯模

其中，C表示液氨泄漏系数；A与M分别表示液氨泄漏面积和氨气的气体分子量；P与k分别表示液氨储罐压力和绝热系数；R与T分别表示氨气的气体常数和气体绝对温度；d表示环境温度。

1.3.2 液氨扩散烟羽模型

液氨泄漏过程中，液氨密度和液氨储罐压力随着液氨泄漏量的逐渐提升而变化。 假设液氨储罐压力和液氨密度不变，利用MATLAB软件，选取高斯烟羽模型，模拟液氨在风速变化时的泄漏扩散情况。

高斯烟羽模型的表达式如下：

其中，μ表示风速；σy表示y方向的扩散系数；H表示有效源高度；σz与z分别表示氨气浓度测量点高度和竖向扩散系数。

1.3.3 液氨泄漏危险区域划分

液氨泄漏扩散时， 不同区域的氨气浓度不同，故危险等级不同。对火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域进行划分，结果见表1。过治疗才可康复，因此需要通过专业救援人员进行有序疏散。 对于中度危险区域的受困人员，可能会出现重度中毒或伤亡情况。 重度危险区域的氨气浓度较高，可能会出现爆炸的情况，危险程度极高，此时受困人员极易出现伤亡情况。

表1 液氨泄漏危险区域划分结果

2 模型测试

选取某火电厂1 000 MW燃煤机组配套的SCR脱硝装置作为研究对象。 该SCR脱硝装置采用高尘布置方式，液氨的绝热指数为1.295 K，临界压力为1.842 MPa。 利用MATLAB软件模拟液氨储罐的泄漏情况。 设置液氨泄漏口的半径为10、30、80 mm，泄漏口形状为圆形。液氨储罐内的压力为1.3 MPa，泄漏速率为4.35 kg/s。储罐体积为800 m3，

对于受影响危险区域，仅需要对相关人员进行疏散即可，对被困人员影响较小。 对于轻度危险区域，被困人员可能会出现中毒情况，需要经液氨重装量为80%，液氨的实际体积为640 m3。 设置液氨泄漏口的泄漏高度为1 m。MATLAB仿真软件的模拟区域为1800 m×500 m×10 m， 液氨泄漏源的位置坐标为（0，0，1）。 模拟时假设液氨为均匀、连续的泄漏源。 液氨转化为气态时，其质量保持守恒，氨气不再发生相变和化学反应。 液氨泄漏过程中与外界不存在热量交换情况。

考虑不同因素对液氨泄漏危险区域的影响，设定液氨泄漏危险区域估算的3个模拟场景见表2。

表2 液氨泄漏模拟场景设置

选取表2中的场景1作为模拟对象，设置液氨泄漏源强为固定。 不同泄漏孔径下氨气泄漏浓度随时间的变化关系如图3所示。 可以看出，液氨泄漏源强和火电厂的环境风向为固定状态时，不同泄漏孔径下的氨气扩散规律相同。 液氨发生泄漏时，氨气浓度逐渐升高，达到一定值后趋于稳定。泄漏孔径越大，氨气浓度升高速度越快，对环境及周围人员的危害程度越高。

图3 不同泄漏孔径下氨气泄漏浓度随时间的变化关系

为了进一步验证本文方法对液氨泄漏危险区域估算的有效性， 设置场景1的风速为2.5 m/s。统计不同氨气浓度时，本文方法的液氨泄漏危险区域估算结果（表3）。 由表3可以看出，液氨泄漏转化为氨气，氨气浓度较高时，氨气扩散的影响范围较小。 这是因为随着氨气浓度的增加，高浓度的氨气在空中漂浮，降低了扩散速度，因此其影响区域变小。

表3 不同氨气浓度的泄漏危险区域估算结果

采用本文方法模拟3种场景下的液氨泄漏危险区域，结果如图4所示。 可以看出，相同泄漏速率和泄漏源强下，风速越高，液氨泄漏危险区域越小。 这是因为风速较高时，空气流动速度加快，此时空气中的大气稳定性高，故液氨泄漏危险区域面积变小。 当风速较小时，空气流动速度降低，空气中的大气稳定性较差，因此液氨泄漏危险区域面积变大。

图4 3种场景下的液氨泄漏危险区域

3 结束语

利用基于大数据的数据挖掘技术，确定影响火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域的相关指标，利用所获取的影响指标，估算火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域。 液氨泄漏造成的后果极为严重，因此在火电厂SCR脱硝系统运行过程中，应采取防爆技术措施，及时消除安全隐患。 规范员工的生产操作行为，重视风险防范管理的重要性， 从根源上避免火电厂SCR脱销系统液氨泄漏事故的发生。 所设计的火电厂SCR脱硝系统液氨泄漏危险区域估算模型，可有效估算液氨泄漏危险区域， 为保障SCR脱硝系统安全生产运行提供重要依据。