脫硝供氨系統(tǒng)異常事故的分析與對(duì)策

胡立川， 許育群， 陳裕忠, 曾曉敏

(1. 華能海門電廠， 廣東汕頭 515132； 2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430000)

脫硝供氨系統(tǒng)異常事故的分析與對(duì)策

胡立川1， 許育群1， 陳裕忠1, 曾曉敏2

(1. 華能海門電廠， 廣東汕頭 515132； 2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430000)

介紹了選擇性催化還原脫硝技術(shù)的原理、脫硝供氨系統(tǒng)設(shè)備，并對(duì)主要設(shè)備的邏輯保護(hù)進(jìn)行了分析；對(duì)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中的重點(diǎn)異常事故提出了相應(yīng)的處理對(duì)策；并對(duì)設(shè)備運(yùn)行控制方面提出了幾點(diǎn)建議，確保供氨系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

煙氣脫硝； 選擇性催化還原； 事故分析； 對(duì)策

隨著火力發(fā)電工業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)組的容量越來越大，國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視程度越來越高，火電廠排放指標(biāo)也越來越嚴(yán)格，機(jī)組的運(yùn)行方式也隨之發(fā)生了變化，脫硝及供氨系統(tǒng)已成為現(xiàn)階段火力發(fā)電廠不可缺少的一部分。

筆者對(duì)4臺(tái)1 036 MW機(jī)組3 033 t/h超超臨界鍋爐配套的SCR(選擇性催化還原法)煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中的問題進(jìn)行了分析。

1 脫硝原理

SCR技術(shù)是通過在煙氣中加入氨氣，在催化劑作用下，利用氨氣與NOx的有選擇性反應(yīng)，將NOx還原成N2和H2O[1]，其反應(yīng)式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

在沒有催化劑的情況下，上述反應(yīng)溫度為980 ℃左右，當(dāng)溫度高于1 100 ℃，氨氣會(huì)氧化成NO，而且NOx的還原速度也會(huì)很快下降；當(dāng)溫度低于800 ℃，反應(yīng)速度會(huì)很慢，NOx被還原的量很少，此時(shí)就需要添加催化劑。采用催化劑后，上述反應(yīng)溫度可以在300～400 ℃進(jìn)行，該溫度相當(dāng)于省煤器與空氣預(yù)熱器之間的煙氣溫度[2-3]。

2 脫硝供氨系統(tǒng)

圖1為該電廠脫硝供氨系統(tǒng)流程及保護(hù)簡(jiǎn)圖，主要設(shè)備包括卸氨壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐(其中主要設(shè)備均只保留一套)。該簡(jiǎn)圖中虛線代表液氨管路。

圖1 脫硝供氨系統(tǒng)流程及保護(hù)簡(jiǎn)圖

2.1 液氨卸載系統(tǒng)

液氨卸載系統(tǒng)用于液氨的卸載及轉(zhuǎn)移，關(guān)鍵設(shè)備為卸氨壓縮機(jī)，共配置2臺(tái)，一用一備，選用雙填料箱無油潤(rùn)滑的活塞式氣體壓縮機(jī)，在進(jìn)口處配有氨液分離器，確保被壓縮的氨氣無油、無水。壓縮機(jī)配有四通閥，能實(shí)現(xiàn)不同管路間液氨轉(zhuǎn)移的切換。卸氨壓縮機(jī)抽吸液氨儲(chǔ)罐中的氣態(tài)氨，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后在較高溫度下進(jìn)入槽車。

2.2 液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)

液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)配置4個(gè)液氨儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐的液氨進(jìn)料管、氣氨出口管上配置限流閥和緊急關(guān)斷球閥，氣氨進(jìn)口管上配置關(guān)斷球閥和止回閥，在液氨管道的兩個(gè)切斷閥之間設(shè)置安全閥等安全保護(hù)設(shè)施。液氨儲(chǔ)罐上設(shè)置有溫度、壓力、液位等就地顯示儀表，及遠(yuǎn)傳報(bào)警、控制信號(hào)和相應(yīng)的變送器等。液氨儲(chǔ)罐罐區(qū)設(shè)置遮陽棚，防止太陽直射。

2.3 液氨蒸發(fā)系統(tǒng)

液氨蒸發(fā)系統(tǒng)配置2臺(tái)液氨泵、4臺(tái)液氨蒸發(fā)器和2個(gè)氨氣緩沖罐。液氨從儲(chǔ)罐進(jìn)入蒸發(fā)器，可以通過液氨的壓差來實(shí)現(xiàn)，也可通過配置的液氨泵來實(shí)現(xiàn)。液氨蒸發(fā)器采用蒸汽加熱式的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器的最大蒸發(fā)量為620 kg/h。進(jìn)入蒸發(fā)器的液氨在熱媒的加熱下蒸發(fā)，產(chǎn)生氣態(tài)氨，達(dá)到規(guī)定的壓力后，從蒸發(fā)器上的氣態(tài)氨出口送出。

2.4 噴淋系統(tǒng)和氨氣稀釋系統(tǒng)

液氨儲(chǔ)存區(qū)、液氨蒸發(fā)區(qū)和液氨卸載區(qū)設(shè)置自動(dòng)噴淋水系統(tǒng)，用于吸收任何情況下發(fā)生的泄漏氨氣；液氨儲(chǔ)存區(qū)的水噴淋系統(tǒng)也用于溫度過高時(shí)冷卻儲(chǔ)罐，以避免儲(chǔ)罐壓力異常升高。在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有排放系統(tǒng)，從液氨儲(chǔ)存到氨供應(yīng)系統(tǒng)的氨排放管路，包括安全閥的放氣管路，構(gòu)成為一個(gè)封閉系統(tǒng)，所有排放氣將經(jīng)由氨氣稀釋槽吸收成廢氨液后排放至污水池，再經(jīng)由污水泵送到化學(xué)廢水處理站避免向大氣中排放。

2.5 氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)

在系統(tǒng)的卸料壓縮機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐等處都備有氮?dú)獯祾吖芫€。在液氨卸料之前通過氮?dú)獯祾吖芫€對(duì)以上設(shè)備分別進(jìn)行嚴(yán)格的系統(tǒng)嚴(yán)密性檢查和氮?dú)獯祾?，防止氨氣泄漏和系統(tǒng)中殘余的空氣混合造成危險(xiǎn)。

3 主要邏輯與保護(hù)

3.1 氨儲(chǔ)存系統(tǒng)

液氨儲(chǔ)罐設(shè)置溫度高、壓力高報(bào)警，當(dāng)溫度或壓力高于設(shè)定值時(shí)，開啟對(duì)應(yīng)氨罐區(qū)水噴淋閥，對(duì)氨罐降溫、減壓。液氨儲(chǔ)罐設(shè)置液位高、液位高高報(bào)警，液位低、液位低低報(bào)警。出現(xiàn)液位高高報(bào)警信號(hào)時(shí)，閉鎖儲(chǔ)罐液氨進(jìn)口氣動(dòng)閥開啟，延時(shí)5 s后聯(lián)鎖關(guān)閉液氨卸料閥，防止卸氨過程中儲(chǔ)罐液位高導(dǎo)致滿罐。

3.2 液氨蒸發(fā)系統(tǒng)

蒸發(fā)器進(jìn)口母管設(shè)置液氨入口壓力低報(bào)警。蒸發(fā)器出口設(shè)定溫度高、溫度低、壓力高、壓力高高、壓力低報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)蒸發(fā)器出口壓力高高報(bào)警時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉蒸發(fā)器加熱蒸汽進(jìn)口閥，并閉鎖其開啟，防止蒸發(fā)器超壓。

蒸發(fā)器設(shè)置熱媒溫度高、溫度低報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)溫度高報(bào)警時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉蒸發(fā)器加熱蒸汽進(jìn)口閥、溫度低報(bào)警時(shí)聯(lián)鎖開啟蒸發(fā)器加熱蒸汽進(jìn)口閥，對(duì)熱媒進(jìn)行加熱。蒸發(fā)器設(shè)置液氨液位高報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)液氨液位高報(bào)警時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉蒸發(fā)器液氨進(jìn)口氣動(dòng)閥，防止蒸發(fā)器內(nèi)液氨進(jìn)入氣氨管道。

氨氣緩沖罐設(shè)置壓力低、壓力高報(bào)警，當(dāng)緩沖壓力低時(shí)，開啟蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥進(jìn)行供氨；當(dāng)壓力高時(shí)，關(guān)閉蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥，停止供氨。

3.3 氨卸載系統(tǒng)

液氨壓縮機(jī)氨液分離器配有安全閥、液氨排放閥和液位檢測(cè)報(bào)警，壓縮機(jī)出口設(shè)置壓力開關(guān)。卸氨壓縮機(jī)氨液分離器設(shè)置液位高報(bào)警，出現(xiàn)液位高報(bào)警時(shí)，聯(lián)鎖停止卸氨壓縮機(jī)運(yùn)行。卸氨壓縮機(jī)出口設(shè)置壓力高、壓力高高報(bào)警，出現(xiàn)壓力高高報(bào)警時(shí)，聯(lián)鎖停止卸氨壓縮機(jī)運(yùn)行。卸氨壓縮機(jī)進(jìn)口氨液分離器設(shè)置壓力高報(bào)警。

3.4 噴淋系統(tǒng)

儲(chǔ)罐區(qū)、蒸發(fā)器區(qū)、卸載區(qū)設(shè)置氨氣濃度高、氨氣濃度高高報(bào)警。出現(xiàn)氨氣濃度高高報(bào)警時(shí)，聯(lián)鎖開啟儲(chǔ)罐區(qū)噴淋水氣動(dòng)閥，吸收氨氣；氨氣濃度正常后，需手動(dòng)關(guān)閉噴淋水氣動(dòng)閥，未設(shè)置自動(dòng)關(guān)閉噴淋水氣動(dòng)閥邏輯。

4 異常事故的分析與對(duì)策

4.1 卸氨系統(tǒng)

液氨卸載過程中，經(jīng)常發(fā)生卸氨壓縮機(jī)運(yùn)行異常，啟動(dòng)后壓縮機(jī)出口溫度高，儲(chǔ)罐液位不上升，排查壓縮機(jī)本體無問題后，應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口氣液分離器進(jìn)行排污，因?yàn)樾栋眽嚎s機(jī)工作過程是抽吸儲(chǔ)罐中的氣態(tài)氨，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后在較高溫度下進(jìn)入槽車，若分離器內(nèi)有水或液氨等異物，壓縮機(jī)進(jìn)口進(jìn)入的不是氣態(tài)氨，而是液態(tài)氨或水，導(dǎo)致壓縮機(jī)無法出力，而且有可能損壞壓縮機(jī)。

液氨卸載過程中，發(fā)現(xiàn)液氨儲(chǔ)罐內(nèi)液氨無上升而且有少許下降，此時(shí)應(yīng)檢查壓縮機(jī)本體上的四通閥的狀態(tài)，因?yàn)閴嚎s機(jī)四通閥分A、B兩種狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同管路間液氨轉(zhuǎn)移的切換。在卸氨過程中使用的是A狀態(tài)，在液氨儲(chǔ)罐倒換中使用的是B狀態(tài)，如果在卸氨過程中使用B狀態(tài)，壓縮機(jī)進(jìn)口進(jìn)入的是儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)液氨有少許下降，壓縮機(jī)過載。當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停運(yùn)壓縮機(jī)，四通閥切換至A路，并對(duì)分離器排污。

4.2 液氨蒸發(fā)系統(tǒng)

供氨管道結(jié)冰是影響供氨系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素之一，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致供氨中斷、機(jī)組排煙NOx超標(biāo)、環(huán)境評(píng)估指標(biāo)不合格[3]。溫度與壓力的關(guān)系見表1。當(dāng)液氨從壓縮儲(chǔ)罐排放到大氣中時(shí)，溫度降低到-33 ℃。

表1 溫度與壓力關(guān)系

故障現(xiàn)象有：

(1) 切換液氨儲(chǔ)罐供氨，導(dǎo)致出口管道結(jié)冰，儲(chǔ)罐出口母管壓力突降。

原因分析：在切換過程中，將運(yùn)行液氨儲(chǔ)罐供氨中斷，未及時(shí)開啟備用液氨儲(chǔ)罐供氨，待供氨管路內(nèi)的液氨消耗完畢后再開啟備用液氨儲(chǔ)罐供氨，導(dǎo)致液氨大量蒸發(fā)吸熱，使溫度降至一個(gè)極低的值，對(duì)應(yīng)液氨飽和壓力極低，使液氨無法通過自身的壓力進(jìn)入蒸發(fā)器，導(dǎo)致供氨系統(tǒng)中斷。

處理方法：此時(shí)應(yīng)立即將液氨蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥關(guān)閉，停止供氨，用大量的沖洗水沖洗結(jié)冰管道，使管道內(nèi)的液氨吸收水的熱量。監(jiān)視儲(chǔ)罐出口母管壓力，當(dāng)壓力升至與儲(chǔ)罐接近時(shí)，開啟液氨蒸發(fā)器進(jìn)口氣動(dòng)閥，保持出口氣動(dòng)閥關(guān)閉，觀察蒸發(fā)器出口壓力，待壓力上升至接近于管道壓力時(shí)，開啟蒸發(fā)器出口氣動(dòng)閥，恢復(fù)供氨。在處理過程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)視液氨儲(chǔ)罐出口母管壓力，通過開關(guān)液氨蒸發(fā)器進(jìn)口氣動(dòng)閥，保持液氨儲(chǔ)罐出口母管壓力大于0.5 MPa。

對(duì)策：在液氨儲(chǔ)罐切換操作中，一般采用兩種方法進(jìn)行操作，效果良好，近期未發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。

第一種方法：①先投入備用液氨儲(chǔ)罐供氨，后停止運(yùn)行液氨儲(chǔ)罐供氨，切換后注意監(jiān)視液氨儲(chǔ)罐出口母管壓力，若壓力下降迅速，應(yīng)立即切回。②關(guān)閉液氨蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥，停止運(yùn)行液氨儲(chǔ)罐供氨，再投入備用液氨儲(chǔ)罐供氨，檢查液氨儲(chǔ)罐出口母管壓力正常后，開啟液氨蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥恢復(fù)供氨。

第二種方法因需短時(shí)間內(nèi)停止供氨，所以操作要迅速，防止機(jī)組排煙NOx含量超標(biāo)。

(2) 運(yùn)行過程中，液氨蒸發(fā)器進(jìn)口管道結(jié)冰，儲(chǔ)罐出口母管壓力正常，蒸發(fā)器出口壓力低。

原因分析：機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)，用氨量增大，蒸發(fā)器內(nèi)液氨基本蒸發(fā)完畢，而進(jìn)口手動(dòng)閥節(jié)流導(dǎo)致液氨在手動(dòng)閥后擴(kuò)容蒸發(fā)，吸收大量熱量，導(dǎo)致管道結(jié)冰堵塞。

處理方法：關(guān)閉液氨蒸發(fā)器進(jìn)口氣動(dòng)閥，用大量的沖洗水沖洗，待結(jié)冰現(xiàn)象消失后，調(diào)大液氨蒸發(fā)器進(jìn)口手動(dòng)閥，恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

對(duì)策：在蒸發(fā)器運(yùn)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷升高，蒸發(fā)器出力不足，應(yīng)及時(shí)調(diào)大蒸發(fā)器進(jìn)口手動(dòng)閥開度，維持蒸發(fā)器出口壓力正常。若蒸發(fā)器入口手動(dòng)閥全開仍然不能維持壓力，可考慮增投一臺(tái)液氨蒸發(fā)器運(yùn)行。

(3) 運(yùn)行過程中，蒸發(fā)器出口管道結(jié)冰，出口溫度小于25 ℃，嚴(yán)重時(shí)緩沖罐底部結(jié)冰。

原因分析：

①蒸發(fā)器加熱蒸汽供氣不正常，導(dǎo)致熱媒溫度低，蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨。

②蒸發(fā)器熱媒液位低，液氨蒸發(fā)器加熱表面積減少，加熱效率降低，導(dǎo)致蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨。

③蒸發(fā)器自動(dòng)疏水器疏水不暢，導(dǎo)致熱媒溫度低，蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨。

④機(jī)組脫硝用氨量增大，緩沖罐壓力低，蒸發(fā)器進(jìn)、出口氣動(dòng)閥保持開啟狀態(tài)，連續(xù)供氣，當(dāng)進(jìn)入液氨的量時(shí)大于蒸發(fā)器的出力時(shí)，蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨。

處理方法：發(fā)現(xiàn)熱媒溫度、液位，蒸發(fā)器本體異常時(shí)應(yīng)及時(shí)查明原因，停止異常蒸發(fā)器運(yùn)行，投入備用蒸發(fā)器運(yùn)行。若蒸發(fā)器無法滿足系統(tǒng)出力，可考慮增投一臺(tái)液氨蒸發(fā)器運(yùn)行。

5 結(jié)語

脫硝供氨系統(tǒng)自運(yùn)行以來，妨礙系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題是閥門內(nèi)漏、泄漏和供氨不正常：閥門內(nèi)漏與選型、材質(zhì)、使用方法有關(guān)，主要由設(shè)計(jì)、維護(hù)、改造來提高質(zhì)量；泄漏卻是要由檢修維護(hù)、運(yùn)行巡視、運(yùn)行操作共同改善；供氨不正常則可從調(diào)整運(yùn)行方面進(jìn)行控制，確保供氨系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

從以上分析可以看出：

(1) 供氨管路結(jié)冰是造成供氨中斷最主要的原因，結(jié)冰的原因有很多，但總結(jié)起來就是液氨蒸發(fā)，吸收大量的熱量，而該熱量無法得到補(bǔ)充，使溫度急劇下降，所以防止結(jié)冰的原則是控制整個(gè)系統(tǒng)液氨蒸發(fā)是在蒸發(fā)器內(nèi)完成，蒸發(fā)器之前的管道必須充滿液氨。

(2) 液氨蒸發(fā)器進(jìn)口母管壓力這個(gè)測(cè)點(diǎn)很重要，壓力低時(shí)可判斷為供氨系統(tǒng)液氨供給中斷，此時(shí)因及時(shí)查找原因，是否為儲(chǔ)罐液氨用空，蒸發(fā)器進(jìn)口母管結(jié)冰，相關(guān)閥門誤關(guān)。

(3) 液氨蒸發(fā)器單臺(tái)最大蒸發(fā)量為620 kg/h，當(dāng)4臺(tái)機(jī)組高負(fù)荷時(shí)用氨量可能超出蒸發(fā)器的最大出力，此時(shí)應(yīng)增投一臺(tái)蒸發(fā)器運(yùn)行，防止蒸發(fā)器內(nèi)液氨用空。

(4) 液氨蒸發(fā)器熱媒溫度設(shè)置不應(yīng)過低，否則會(huì)影響蒸發(fā)器蒸發(fā)效率，但太高會(huì)導(dǎo)致熱媒蒸發(fā)，一般設(shè)置在60 ℃左右。

(5) 液氨蒸發(fā)器液氨液位高報(bào)警，閉鎖液氨蒸發(fā)器進(jìn)口氣動(dòng)閥開啟，這個(gè)保護(hù)對(duì)于防止液氨蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨有很大的作用。

(6) 蒸發(fā)器液氨液位高報(bào)警如果誤動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器無法運(yùn)行，建議將該保護(hù)取消，蒸發(fā)器出口管道是否進(jìn)液氨也可根據(jù)蒸發(fā)器出口溫度來判斷，如果液氨蒸發(fā)器在正常運(yùn)行時(shí)出口溫度小于20 ℃，基本可以確認(rèn)蒸發(fā)器出口管道進(jìn)液氨了，此時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)小蒸發(fā)器進(jìn)口手動(dòng)調(diào)閥，減少蒸發(fā)器蒸發(fā)量。

(7) 蒸發(fā)器熱媒液位對(duì)蒸發(fā)器出力有很大影響，必須加強(qiáng)巡視與監(jiān)控。

(8) 在系統(tǒng)投運(yùn)過程中，應(yīng)先對(duì)蒸發(fā)器前管路充氨，保證蒸發(fā)器前管道內(nèi)充滿液氨，再投入蒸發(fā)器供氨，在系統(tǒng)退出過程中先停蒸發(fā)器運(yùn)行，再退出儲(chǔ)罐運(yùn)行。

[1] 郭錦濤,秦國(guó)偉，紀(jì)立國(guó)，等. SCR法煙氣脫硝系統(tǒng)工程應(yīng)用[J].能源與環(huán)境，2009(5): 53-54.

[2] 李群.電廠煙氣脫硝技術(shù)分析[J].華電技術(shù)，2008，30(9)：74-76.

[3] 李勇.后石電廠600 MW機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)及工藝特點(diǎn)介紹[J]. 山東電力技術(shù)，2001(4):41-44.

Analysis and Countermeasures for Abnormal Accidents in Denitrification System for Ammonia Supply

Hu Lichuan1, Xu Yuqun1, Chen Yuzhong1, Zeng Xiaomin2

(1. Huaneng Haimen Power Plant, Shantou 515132, Guangdong Province, China;2. Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430000, China)

An introduction is being presented to the principle of selective catalytic reduction denitrification technology and to the equipment adopted in the denitrification system for ammonia supply, with the protection logic of main facilities analyzed, while corresponding countermeasures are proposed for abnormal accidents occurring in operation of the denitrification system. In addition, some proposals are suggested for operation and control of the equipment, so as to secure safety and stable operation of the ammonia supply system.

flue gas denitrification; selective catalytic reduction; accident analysis; countermeasure

2014-11-17

胡立川(1984—)，男，工程師，從事大型火力發(fā)電機(jī)組環(huán)保運(yùn)行及優(yōu)化方面的工作。

E-mail: 279629005@qq.com

TK223.33

A

1671-086X(2015)04-0304-04