脫硝自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)的探索及應(yīng)用

摘 要 本文介紹了某發(fā)電有限公司八期（2×150 MW）機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)的基本工藝，并對(duì)脫硝自動(dòng)控制及保護(hù)系統(tǒng)的方式、方法、常見故障及解決措施進(jìn)行了論述。初步實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)從氨氣制備到SCR反應(yīng)器的主要部位的自動(dòng)化控制，解決了脫硝控制、保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的一些問題，較好地滿足了脫硝系統(tǒng)運(yùn)行要求，節(jié)約了能源消耗，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞 脫硝；SCR；自動(dòng)控制；保護(hù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0085-04

某發(fā)電有限公司八期（2×150 MW）機(jī)組的煙氣脫硝采用選擇性催化還原（SCR）法。脫硝系統(tǒng)主要工作流程：液氨通過卸氨壓縮機(jī)的作用從液氨槽車中送入液氨儲(chǔ)罐，減壓節(jié)流后進(jìn)入液氨蒸發(fā)器，經(jīng)熱水浴加熱后蒸發(fā)為氣氨，再進(jìn)入氨氣緩沖罐，通過調(diào)節(jié)閥和輸送管道進(jìn)入脫硝反應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)稀釋空氣稀釋后通過噴氨格柵與煙氣均勻混合，通過導(dǎo)流板和整流裝置后進(jìn)入SCR反應(yīng)器催化反應(yīng)區(qū)，在催化劑的作用下氨與NOx反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N2和H2O，處理后的煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱交換。液氨噴淋完成經(jīng)化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定還需一個(gè)過程，測(cè)量NOx濃度存在延遲，因此脫硝控制為大延遲控制對(duì)象。

1 脫硝系統(tǒng)原理

1.1 氨儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)

SCR脫硝裝置還原劑采用純度為99.6%的液氨。氨儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)包括卸氨壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋罐、廢水泵、廢水池、消防雨淋閥等，此套系統(tǒng)提供氨氣供脫硝反應(yīng)使用。

液氨的供應(yīng)由液氨槽車運(yùn)送，利用卸氨壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入液氨儲(chǔ)罐內(nèi)，儲(chǔ)罐中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，經(jīng)氨氣緩沖罐控制壓力為0.4 MPa左右，然后與稀釋空氣在混合器中混合均勻，再送至脫硝反應(yīng)系統(tǒng)。氨系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋罐中，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送至電廠工業(yè)廢水處理系統(tǒng)處理。氨的供應(yīng)量能滿足40%-100%BMCR鍋爐不同負(fù)荷的要求，并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、靈活、可靠。

圖1 液氨的儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)

1.2 脫硝SCR系統(tǒng)原理

脫硝SCR系統(tǒng)主要包括煙氣系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器、氨噴射系統(tǒng)、稀釋風(fēng)系統(tǒng)及聲波吹灰系統(tǒng)。煙氣進(jìn)入SCR煙氣脫硝裝置，在SCR煙氣脫硝裝置煙道中布置有導(dǎo)流板等氣流均布裝置使煙氣與NH3充分混合。然后煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器，在溫度300℃～420℃催化劑作用下，NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行脫硝反應(yīng)，產(chǎn)物是N2和H2O，煙氣溫度基本不變。脫硝后的干凈煙氣排出SCR煙氣脫硝裝置，進(jìn)入空預(yù)器，回到鍋爐尾部煙道。每臺(tái)爐采用雙反應(yīng)器，反應(yīng)器布置在高溫省煤器與空預(yù)器之間的空間。選用蜂窩式催化劑，催化劑層數(shù)按2層運(yùn)行1層備用設(shè)計(jì)。按照滿負(fù)荷處理100%煙氣量，SCR入口NOx濃度450 mg/Nm3，出口NOx濃度不大于90 mg/Nm3，脫硝效率不小于80%。

主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

4NO+4NH3+O2 →4N2+6H2O （1）

6NO2+8NH3 →7N2+12H2O （2）

煙氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO約占NOx總量的95%，NO2約占總量的5%，因此，化學(xué)反應(yīng)方程式（1）被認(rèn)為是脫硝反應(yīng)的主要反應(yīng)方程式，它的反應(yīng)特征如下。

1）NH3和NO的反應(yīng)摩爾比接近為1。

2）脫硝反應(yīng)中需要O2參與反應(yīng)。

3）典型的反應(yīng)溫度為300～400℃。

圖2 SCR脫硝反應(yīng)器系統(tǒng)圖

2 氨區(qū)、SCR區(qū)主要保護(hù)系統(tǒng)

2.1 氨區(qū)保護(hù)系統(tǒng)

2.1.1 氨儲(chǔ)罐保護(hù)系統(tǒng)

氨儲(chǔ)罐上安裝有逆止閥、緊急關(guān)斷閥和安全閥等，作為儲(chǔ)罐液氨泄漏保護(hù)所用。儲(chǔ)罐還裝有溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)、高液位報(bào)警儀和相應(yīng)的變送器等，將信號(hào)送到脫硝控制系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度（每個(gè)儲(chǔ)罐均采用三冗余測(cè)量控制方式）或壓力高時(shí)（每個(gè)儲(chǔ)罐均采用三冗余測(cè)量控制方式）報(bào)警。氨儲(chǔ)罐有防太陽輻射措施，四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴，當(dāng)儲(chǔ)罐槽體溫度過高時(shí)自動(dòng)噴淋裝置啟動(dòng)，對(duì)槽體自動(dòng)噴淋減溫；當(dāng)有微量氨氣泄露時(shí)也可啟動(dòng)自動(dòng)噴淋裝置，對(duì)氨氣進(jìn)行吸收，控制氨氣污染。噴淋系統(tǒng)噴霧強(qiáng)度為9 L/min·m2，水霧噴頭的工作壓力定為0.35 MPa。水噴霧總保護(hù)面積120 m2，噴霧用水量為18 L/s。液氨屬有毒物質(zhì)，且液氨的熔點(diǎn)為-77.7℃，常壓下沸點(diǎn)為-33.4℃，液氨儲(chǔ)存罐采用了溫度保護(hù)，當(dāng)儲(chǔ)存罐溫度高于40℃（三取二）時(shí)啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)雨淋閥來降低儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度。氨氣和空氣混合物的比例在15%～28%時(shí)，遇明火就會(huì)燃燒爆炸，在液氨制備區(qū)裝有氨氣泄漏檢測(cè)儀，當(dāng)氨氣泄漏濃度達(dá)到40ppm時(shí)，啟動(dòng)雨淋閥稀釋氨氣。

液氨儲(chǔ)罐區(qū)雨淋閥聯(lián)鎖開：

1）A液氨儲(chǔ)罐溫度大于40℃（3選2）。

2）B液氨儲(chǔ)罐溫度大于40℃（3選2）。

3）氨檢漏儀B/C大于50ppm（2選1）。

4）氨檢漏儀D/E大于50ppm（2選1）。

邏輯關(guān)系：1+2+3+4。

2.1.2 液氨儲(chǔ)罐液位保護(hù)

液氨儲(chǔ)罐A至液氨蒸發(fā)器A/B氣動(dòng)門聯(lián)鎖開：

1）B液氨儲(chǔ)罐液位低于150 mm。

2）液氨儲(chǔ)罐出口液氨閥投切開關(guān)投入。

邏輯關(guān)系：1+2

液氨儲(chǔ)罐B至液氨蒸發(fā)器A/B氣動(dòng)門聯(lián)鎖開：

1）A液氨儲(chǔ)罐液位低于150 mm。

2）液氨儲(chǔ)罐出口液氨閥投切開關(guān)投入。

邏輯關(guān)系：1+2。

2.2 SCR保護(hù)系統(tǒng)

1）為了防止當(dāng)運(yùn)行情況改變或SCR反應(yīng)器無法正常投運(yùn)時(shí)大量氨氣噴入煙道，造成空預(yù)器或煙道堵塞，安裝了氨氣/熱空氣混合器氣氨進(jìn)口調(diào)節(jié)閥和氨氣/熱空氣混合器氣氨進(jìn)口閥保護(hù)關(guān)聯(lián)鎖，聯(lián)鎖條件采用“或”條件：endprint

①鍋爐MFT。

②SCR入口煙溫低于300℃，延時(shí)15min（三選二）。

③SCR入口煙溫高于420℃（三選二）。

④A和B稀釋風(fēng)機(jī)均停。

2）為了防止當(dāng)SCR反應(yīng)器不具備投入條件時(shí)運(yùn)行人員誤將SCR反應(yīng)器投入運(yùn)行，安裝了噴氨氣動(dòng)門允許開保護(hù)，采用“與”條件，將SCR反應(yīng)器投運(yùn)需要達(dá)到的參數(shù)列入其中：

①對(duì)應(yīng)側(cè)SCR入口煙溫高于300℃，低于420℃（三選二）。

②A或B稀釋風(fēng)機(jī)已運(yùn)行。

③對(duì)應(yīng)側(cè)稀釋風(fēng)流量大于7500 Nm3/h。

④稀釋風(fēng)機(jī)出口母管壓力大于3 kPa。

3 氨區(qū)、SCR區(qū)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3.1 熱控系統(tǒng)介紹

脫硝DCS分散控制系統(tǒng)硬件采用南京科遠(yuǎn)公司的產(chǎn)品，與現(xiàn)有的主機(jī)DCS兼容滿足脫硝DCS控制系統(tǒng)的要求。脫硝DCS與機(jī)組分散控制系統(tǒng)之間用于重要保護(hù)、聯(lián)鎖的信號(hào)采用硬接線方式，分界點(diǎn)分別在機(jī)組DCS設(shè)備端子排上。脫硝系統(tǒng)采用集中控制方式，脫硝反應(yīng)區(qū)控制系統(tǒng)納入主機(jī)DCS，分散控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）以及輔機(jī)順序控制系統(tǒng)（SCS）三大分系統(tǒng)組成。MCS共有6套模擬量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，分別為SCR噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)、蒸發(fā)器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、氨氣緩沖罐壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)各2套。

3.2 氨區(qū)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

液氨制備區(qū)主要設(shè)有氨氣緩沖罐壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、液氨蒸發(fā)器溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)各2套自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.2.1 氨氣緩沖罐壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

氨氣緩沖罐壓力自動(dòng)控制為單回路控制，跟蹤模擬量為緩沖罐氨氣壓力，壓力測(cè)量值與調(diào)門開度輸出量之間為反作用關(guān)系，即壓力越高，調(diào)門開度越小。熱態(tài)初調(diào)時(shí)壓力設(shè)定值為

0.4 MPa，滿足SCR反應(yīng)所需氨氣要求。氨氣緩沖罐壓力自動(dòng)控制PID參數(shù)設(shè)置如下：比例系數(shù)：100，積分時(shí)間：150 s，微分時(shí)間：60 s。當(dāng)氨氣緩沖罐壓力高于0.4 MPa時(shí)關(guān)閉液氨緩沖罐進(jìn)口氨氣調(diào)節(jié)閥。

圖3 液氨蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)

3.2.2 液氨蒸發(fā)器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

蒸發(fā)器溫度自動(dòng)控制為單回路控制，跟蹤模擬量為蒸發(fā)器水溫，水溫測(cè)量值與調(diào)門開度輸出量之間為反作用關(guān)系，即水溫越高，調(diào)門開度越小。熱態(tài)初調(diào)時(shí)水溫設(shè)定值為45℃，滿足液氨氣化所需的能量要求。液氨蒸發(fā)器溫度自動(dòng)控制PID參數(shù)設(shè)置如下：比例系數(shù)：100，積分時(shí)間：150 s，微分時(shí)間：60 s。當(dāng)蒸發(fā)器水溫高于45℃時(shí)關(guān)閉液氨蒸發(fā)器蒸汽流量調(diào)節(jié)閥。

圖4 液氨蒸發(fā)器溫度調(diào)節(jié)

3.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生的問題與對(duì)策

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)B側(cè)蒸發(fā)器蒸汽流量調(diào)節(jié)閥和B側(cè)緩沖罐進(jìn)口氨氣調(diào)節(jié)閥的開度很低，甚至降低至1%左右，而蒸發(fā)器的水溫仍然繼續(xù)升高，氨氣緩沖罐的壓力繼續(xù)增大，影響到氨區(qū)的穩(wěn)定運(yùn)行和氨氣供應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析判斷：兩只調(diào)節(jié)閥可能存在零位限位不準(zhǔn)確，閥門關(guān)不到位以致內(nèi)漏的情況。維護(hù)人員拆卸后發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在限位不準(zhǔn)的情況，重新調(diào)整限位后保證關(guān)閉嚴(yán)密，開啟充分后，恢復(fù)正常使用。

3.3 氨區(qū)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3.3.1 噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理

SCR噴氨自動(dòng)控制為雙回路串級(jí)PID調(diào)節(jié)控制。主回路以SCR出口NOx濃度折算值作為測(cè)量值PV，NOx濃度設(shè)定值作為設(shè)定值SP，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出量OP為0.7-1.3的系數(shù)，測(cè)量值與輸出量為正作用關(guān)系；副回路中，以SCR進(jìn)口NOx濃度減去設(shè)定的出口NOx濃度，得到的差值乘以煙氣流量信號(hào)計(jì)算出需要脫除的NOx總量，氣氨與NOx化學(xué)反應(yīng)的摩爾比為1比1，據(jù)此計(jì)算出理論噴氨量，理論噴氨量與主回路的OP值乘積作為副回路的設(shè)定值SP，將氨氣流量信號(hào)作為副回路的測(cè)量值PV，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，利用SCR出口NOx濃度作為反饋，采用PI控制器對(duì)噴氨調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行控制。噴氨自動(dòng)控制PID參數(shù)設(shè)置如下：比例系數(shù)：100，積分時(shí)間：60 s，微分時(shí)間：60 s。

對(duì)于出口NOx濃度控制，在脫硝效率計(jì)算中的入口NOx濃度測(cè)量值均使用經(jīng)氧量修正后的值，其修正表達(dá)式為：

修正的NOx值= NOx實(shí)際值×15/（21-氧量實(shí)際值）

出口NOx濃度控制投入自動(dòng)后，其PID輸出值是比例修正氨氣設(shè)定值，滿足控制出口NOx濃度的控制要求。

脫硝效率=[入口NOx-出口NOx設(shè)定值]/入口NOx×100%

圖5 SCR反應(yīng)器自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

在啟動(dòng)噴氨系統(tǒng)時(shí)，先手動(dòng)逐漸開大噴氨調(diào)節(jié)閥，以提高脫硝效率，同時(shí)觀察出口氨逃逸率，當(dāng)脫硝效率達(dá)到控制值后，將噴氨調(diào)節(jié)閥投入自動(dòng)。

3.3.2 運(yùn)行中發(fā)生的問題與對(duì)策

1）脫硝出入口NOx分析儀易發(fā)生故障。

脫硝煙氣測(cè)量裝置采用北京航天益來電子科技有限公司生產(chǎn)的CYA-863N煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，氣體分析儀為ABB EL3020，能同時(shí)測(cè)量NOx和O2。此種分析儀是將煙氣抽出后經(jīng)取樣管路進(jìn)行分析顯示，以隔離的4～20mADC信號(hào)送到主機(jī)的DCS系統(tǒng)，分析設(shè)備的狀態(tài)接點(diǎn)開關(guān)量信號(hào)也送入到DCS系統(tǒng)。

①裝置PLC故障。

由于脫硝CEMS小室頂部漏水，進(jìn)入機(jī)柜后導(dǎo)致PLC 模塊燒壞，造成分析儀指示失靈的缺陷。

解決措施：更換PLC模塊，增強(qiáng)通風(fēng)，干燥機(jī)柜。

②加熱管線溫度設(shè)定偏低。

原加熱管線溫度設(shè)定在120℃，煙氣在取樣管路中易因內(nèi)外溫差凝結(jié)反水，水進(jìn)入主機(jī)后會(huì)造成主機(jī)失靈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞光分析元件。

解決措施：修改加熱管線溫度設(shè)定為150℃，增加表計(jì)前濾芯；定期排除取樣管路中凝結(jié)的水汽。endprint

③裝置定期自動(dòng)反吹導(dǎo)致噴氨自動(dòng)失靈。

CYA-863N煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有4小時(shí)定期自動(dòng)反吹功能，自動(dòng)反吹時(shí)，表計(jì)出口NOx濃度瞬時(shí)值過大，與設(shè)定值相差太大，噴氨自動(dòng)退出。

解決措施：表計(jì)反吹時(shí)表計(jì)反吹時(shí)調(diào)門開度保持150秒，使反吹時(shí)不正常數(shù)據(jù)不能參與自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持噴氨自動(dòng)正常

投入。

2）氨氣流量測(cè)量信號(hào)波動(dòng)較大。

氨氣流量測(cè)量因表計(jì)（橫河渦街流量計(jì)）本身特性，一是易受干擾引起頻繁小幅波動(dòng)，二是最小測(cè)量流量（約1.9 m3/h），以致當(dāng)自動(dòng)控制使調(diào)門開度較小時(shí)晃動(dòng)幅度較大。

解決措施：一是對(duì)氨氣流量信號(hào)進(jìn)行過濾，消減頻繁小幅波動(dòng)；二是設(shè)置自動(dòng)輸出最小值為33%，其時(shí)對(duì)應(yīng)流量為2 m3/h，經(jīng)試驗(yàn)，滿足出口NOx控制要求。

3）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)波動(dòng)較大。

噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥波動(dòng)較大，SCR出口NOx濃度波動(dòng)較大（40-120 mg/m3）。

解決措施：

①在滿足AGC響應(yīng)速率的前提下，降低AGC負(fù)荷變化速率設(shè)定值，以減少負(fù)荷變化引起的干擾。

②設(shè)置煙氣負(fù)荷變化前饋，所用信號(hào)為送風(fēng)量（代煙氣量）*反應(yīng)器入口NOx值，當(dāng)煙氣負(fù)荷變化時(shí)，相應(yīng)變化氨空比，即變化對(duì)氨的需求量。可提高對(duì)該部分干擾的快速響應(yīng)性。

③對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化整定，增加比例作用，減小積分作用。

4 結(jié)論

某發(fā)電有限公司八期（2×150 MW）機(jī)組的煙氣脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，通過幾個(gè)月的摸索實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了脫硝系統(tǒng)從氨氣制備到SCR反應(yīng)器的主要部位的自動(dòng)化控制，節(jié)約了能源消耗，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了一定的成效。

參考文獻(xiàn)

[1]鹽城發(fā)電有限公司2×135MW發(fā)電供熱機(jī)組煙氣脫硝改造脫硫改造工程EPC總承包技術(shù)協(xié)議.

[2]蔡小峰.煙氣脫硝技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù) 2008，24（3）：26-29.

[3]火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]羅子湛，孟立新.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝噴氨自動(dòng)控制方式優(yōu)化[J].

作者簡(jiǎn)介

單錦宏（1958-），男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，大型火電企業(yè)總經(jīng)理，研究方向：電力工程管理。endprint