PKS控制系統(tǒng)在鍋爐煙氣脫硝處理中的應(yīng)用

顏廷柱

（山東陽煤恒通化工股份有限公司，山東 郯城 276100）

引言

山東陽煤恒通化工股份有限公司是集煤化工、鹽化工及熱電聯(lián)產(chǎn)于一體的聯(lián)合化工企業(yè)，2012年根據(jù)生產(chǎn)實際情況配套新增一臺240t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，按照國家《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，需要進行煙氣脫塵、脫硫和脫硝處理。電除塵和脫硫系統(tǒng)在現(xiàn)有運行鍋爐中已經(jīng)積累了豐富的工藝設(shè)備安裝和操作控制經(jīng)驗，而脫硝裝置的工藝設(shè)備、技術(shù)方案的選擇以及DCS控制系統(tǒng)組態(tài)應(yīng)用等方面則完全是首次，特別是脫硝過程中氨流量的調(diào)節(jié)以及吹灰順控程序的組態(tài)等都是一個新的課題，Honeywell PKS控制系統(tǒng)作為一款開放型分布過程控制系統(tǒng)，其完善的自診斷功能，靈活的組態(tài)工具和模塊化的軟硬件結(jié)構(gòu)，滿足了脫硝裝置DCS控制需求，確保了裝置設(shè)備的長期安全穩(wěn)定運行，為企業(yè)帶來了良好的環(huán)保效益。

1 PKS控制系統(tǒng)硬件概況

Experion PKS系統(tǒng)是Honeywell公司推出的基于批處理、過程控制、SCADA應(yīng)用于一體的開放式混合控制系統(tǒng)。其整合了資產(chǎn)配置、過程性能、人員效率和經(jīng)營管理的靈活性，增加了先進自動化控制平臺和安全管理，通過系統(tǒng)提供的大量功能塊庫很方便來實現(xiàn)連續(xù)過程控制、產(chǎn)品批量處理、離散量操作、設(shè)備控制等生產(chǎn)需求。其先進的控制理念、可靠的穩(wěn)定性、完善的支持服務(wù)等優(yōu)勢得到了用戶的認(rèn)可，在石油、化工、冶金、鋼鐵等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用

一個最基本的PKS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由I/O卡件、C300控制器、CF（Control Firewall）防火墻、ESV服務(wù)器、ESC操作站以及由CISCO交換機為核心構(gòu)成的Fault Tolerant Ethernet（FTE）容錯網(wǎng)絡(luò)組成[1]。

C300控制器是PKS系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，它包括硬件控制器和控制軟件CEE，每個控制器有兩個IO LINKS接口，可以連接C系列I/O卡件或PMIO卡件，主要有完成上位通訊、點對點通訊、IOLINK IO通訊和控制執(zhí)行環(huán)境等功能；CF控制防火墻，在已有可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一層高安全防護以拒絕接收所有控制器不需要的信息；FTE容錯網(wǎng)絡(luò)是Honeywell專為PKS量身定制開發(fā)的專利網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以先進的多路由選擇替代傳統(tǒng)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，不但提供了容錯的特點，也提供了快速網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)及工業(yè)以太網(wǎng)控制應(yīng)用的安全性；ESV服務(wù)器完成控制策略的生成和操作畫面的繪制，以及數(shù)據(jù)庫的采集、處理和存儲，進行報警管理，網(wǎng)絡(luò)管理等基本功能。

2 脫硝裝置的工藝原理及流程

該新增配套鍋爐設(shè)計額定蒸汽量240t/h的循環(huán)流化床鍋爐，采用煤矸石 + 貧煤為原料，煙氣中的氮氧化合物通常由95%的NO和5%的NO2組成，煙氣脫硝裝置以純氨（NH3）為還原劑、催化劑采用蜂窩式催化劑，使用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction）即 SCR工藝技術(shù)。

脫硝裝置的設(shè)備主要包括制氨系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器以及吹灰系統(tǒng)四個部分，來自液氨緩沖罐的液氨在空氣混合器中氣化并與空氣充分混和，進入位于SCR反應(yīng)器入口煙道上的氨注射柵格（AIG），一定溫度下的氨和空氣混合物注射入煙氣通道，再與鍋爐煙氣充分混合后通過SCR反應(yīng)器催化劑層，在催化劑的作用下，煙氣中的NOx與氨在催化劑的表面發(fā)生充分的化學(xué)還原反應(yīng)，生成N2和H2O，從而達到除去氮氧化物的目的。

脫硝裝置的核心設(shè)備—SCR反應(yīng)器布置于電除塵器之前，鍋爐高溫段省煤器與中溫段省煤器之間，鍋爐燃燒產(chǎn)生的飛灰將流經(jīng)反應(yīng)器，為防止反應(yīng)器積灰，每層反應(yīng)器的入口布置有吹灰器，通過吹灰器的定期吹掃來清除催化劑上的積灰。

3 脫硝系統(tǒng)的主要控制回路

脫硝工藝DCS的操作作為鍋爐DCS系統(tǒng)的一個子站納入到鍋爐DCS操作站統(tǒng)一控制，運行人員直接通過集控室內(nèi)的鍋爐DCS操作員站完成對脫硝過程的溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的監(jiān)視和操作，并對重要監(jiān)測點的歷史數(shù)據(jù)和報警進行記錄，煙氣脫硝處理過程中主要的聯(lián)鎖保護及控制回路如下。

3.1 氨稀釋系統(tǒng)聯(lián)鎖與控制

脫硝裝置配有2臺稀釋風(fēng)機，為1運1備的運行方式，進口裝有調(diào)節(jié)擋板、出口裝有流量計，用于監(jiān)測和調(diào)節(jié)風(fēng)機流量，在滿足啟動條件的情況下稀釋風(fēng)機可實現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制，為保證氨注入煙道的絕對安全以及均勻混合，將氨濃度控制在爆炸極限（其爆炸極限在空氣中體積為15%～28%）下限以下，兩臺稀釋風(fēng)機采用互備聯(lián)鎖方式，當(dāng)某臺風(fēng)機出現(xiàn)事故跳閘信號或風(fēng)機運行時稀釋空氣流量＜850m3/h并超過3分鐘，DCS系統(tǒng)發(fā)出報警并啟動備用風(fēng)機。

爐前設(shè)置氨氣濃度監(jiān)測，以監(jiān)測氨氣泄漏量，根據(jù)監(jiān)測值的大小，DCS發(fā)出聲光報警對操作人員進行提醒，若氨氣濃度增大到一定值，氨出口切斷閥將進行強制關(guān)閉；若稀釋空氣流量繼續(xù)減小到750m3/h時并超過5秒鐘，在報警的同時關(guān)閉氨進口閥；在氨氣混合器后設(shè)有氨氣濃度測點，根據(jù)計算得到的氨與空氣比，當(dāng)氨氣與空氣比值＞8%時發(fā)出報警，比值＞10%且超過5秒，報警的同時關(guān)閉氨出口，保證氨/空氣比值在安全范圍內(nèi)。

3.2 氨流量控制回路

在SCR工藝中氨流量控制是影響脫硝效果的重要因素，噴氨量少會使脫硝效率過低，噴氨量過大容易導(dǎo)致氨逃逸率上升造成尾部煙道積灰。根據(jù)當(dāng)前脫硝裝置的運行情況，脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制采用了基本控制方式Constant Mole Ratio Control（固定摩爾比控制方式），在該控制方式下系統(tǒng)按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中

由于NO是NOx的主要成分（通常煙氣中NOx含有95%的NO，其余5%為NO2），因此利用NO的測量結(jié)果來計算煙氣中NOx的總濃度；根據(jù)測定的入口NO濃度和煙氣流量，確定SCR脫除NOx的摩爾流量，需要脫除的NOx的摩爾流量乘以NH3的摩爾質(zhì)量，就決定了需要注入催化劑上游AIG的氨的質(zhì)量流量；考慮到NH3和經(jīng)過催化劑的NOx分布之間的偏差、催化劑的失效、儀器校準(zhǔn)誤差和鍋爐燃燒曲線中的錯誤等實際因素，根據(jù)SCR進出口NO值間的差異計算出脫硝的效率，并對NH3的摩爾質(zhì)量進行調(diào)整和修正，并將此修正值反饋給氨流量控制器來對氨流量進行精確調(diào)節(jié)。

3.3 SCR反應(yīng)器的吹灰過程控制

在鍋爐運行過程中，煤炭燃燒產(chǎn)生的灰粒隨煙氣飄浮至催化劑表面，再加上煙氣中的酸蒸汽車和水蒸汽在低溫壁面上凝結(jié)，增加了灰分的黏性使灰層加厚，容易造成催化劑通向活性位的通道阻塞，減小催化劑的有效體積，或者催化劑活性損失中毒現(xiàn)象的發(fā)生[3]，因此在SCR反應(yīng)器每層催化劑的上方安裝了2臺耙式吹灰器，采用蒸汽吹除法來清除催化劑表面積灰，保證催化劑的活性成為SCR脫硝反應(yīng)器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

脫硝吹灰過程可以由操作員通過DCS操作畫面的啟動按鈕執(zhí)行，或者根據(jù)催化劑進出口差壓聯(lián)鎖值（設(shè)計差壓為300Pa）自動啟動程序。吹灰程序設(shè)計為典型的順序控制回路，在程序啟動時要先檢測吹灰蒸汽入口溫度和壓力，如煙氣溫度過高將會使催化劑燒結(jié)、煙氣溫度過低時NH3會和SO3反應(yīng)生成酸性硫酸銨，從而會堵塞催化反應(yīng)器通道和污染空氣預(yù)熱器，設(shè)計要求溫度在350℃～410℃，壓力在1.18～2.95MPa。

為保證吹灰器的有序安全運行，每臺反應(yīng)器的吹灰器按從上至下的催化劑層依次運行，即上一層催化劑的吹灰器在設(shè)定的時間內(nèi)依次啟動運行后，再開始運行下一層催化劑的吹灰器,保證每臺反應(yīng)器每次只有1臺吹灰器運行，當(dāng)1個吹灰器已處于運行或離開靜止位置時其它吹灰器無法啟動，在前進周期檢測到電機電流偏高時DCS產(chǎn)生報警并將吹灰器收回。

4 結(jié)語

該鍋爐自開車運行以來，PKS控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，特別是脫硝系統(tǒng)所有生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量及液位等工藝參數(shù)，均由控制室內(nèi)的DCS操作站進行監(jiān)控制，工藝指標(biāo)超限可自動報警并提供長期歷史查詢；自動化控制程度高安全聯(lián)鎖措施完備；脫硝效果明顯，氮氧化合物排放濃度穩(wěn)定控制在100mg/m3以下，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，也為以后其他鍋爐的脫硝改造積累了經(jīng)驗。

[1]Experion PKS C300 Controller User’s Guide Honeywell 2010(02).

[2]羅子湛，孟立新.燃煤電站SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優(yōu)化[J].電站系統(tǒng)工程，2010（7）.

[3]顧彧，金保升，肖剛.SCR積灰特性及清灰技術(shù)的比較分析[J].能源研究與應(yīng)用，2008（8）.