脫硝自動控制保護系統的探索及應用

摘 要 本文介紹了某發電有限公司八期（2×150 MW）機組煙氣脫硝系統的基本工藝，并對脫硝自動控制及保護系統的方式、方法、常見故障及解決措施進行了論述。初步實現了脫硝系統從氨氣制備到SCR反應器的主要部位的自動化控制，解決了脫硝控制、保護系統實際運行中出現的一些問題，較好地滿足了脫硝系統運行要求，節約了能源消耗，減輕了運行人員的勞動強度，取得了一定的成效。

關鍵詞 脫硝；SCR；自動控制；保護；應用

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）19-0085-04

某發電有限公司八期（2×150 MW）機組的煙氣脫硝采用選擇性催化還原（SCR）法。脫硝系統主要工作流程：液氨通過卸氨壓縮機的作用從液氨槽車中送入液氨儲罐，減壓節流后進入液氨蒸發器，經熱水浴加熱后蒸發為氣氨，再進入氨氣緩沖罐，通過調節閥和輸送管道進入脫硝反應系統，經稀釋空氣稀釋后通過噴氨格柵與煙氣均勻混合，通過導流板和整流裝置后進入SCR反應器催化反應區，在催化劑的作用下氨與NOx反應，轉化為N2和H2O，處理后的煙氣進入空氣預熱器進行熱交換。液氨噴淋完成經化學反應穩定還需一個過程，測量NOx濃度存在延遲，因此脫硝控制為大延遲控制對象。

1 脫硝系統原理

1.1 氨儲存供應系統

SCR脫硝裝置還原劑采用純度為99.6%的液氨。氨儲存和供應系統包括卸氨壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋罐、廢水泵、廢水池、消防雨淋閥等，此套系統提供氨氣供脫硝反應使用。

液氨的供應由液氨槽車運送，利用卸氨壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲罐內，儲罐中的液氨輸送到液氨蒸發器內蒸發為氨氣，經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，再送至脫硝反應系統。氨系統緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋罐中，經水的吸收排入廢水池，再經由廢水泵送至電廠工業廢水處理系統處理。氨的供應量能滿足40%-100%BMCR鍋爐不同負荷的要求，并且系統調節準確、靈活、可靠。

圖1 液氨的儲存和制備系統

1.2 脫硝SCR系統原理

脫硝SCR系統主要包括煙氣系統、SCR反應器、氨噴射系統、稀釋風系統及聲波吹灰系統。煙氣進入SCR煙氣脫硝裝置，在SCR煙氣脫硝裝置煙道中布置有導流板等氣流均布裝置使煙氣與NH3充分混合。然后煙氣進入SCR反應器，在溫度300℃～420℃催化劑作用下，NH3與煙氣中的NOx進行脫硝反應，產物是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，進入空預器，回到鍋爐尾部煙道。每臺爐采用雙反應器，反應器布置在高溫省煤器與空預器之間的空間。選用蜂窩式催化劑，催化劑層數按2層運行1層備用設計。按照滿負荷處理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%。

主要的化學反應方程式如下：

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，化學反應方程式（1）被認為是脫硝反應的主要反應方程式，它的反應特征如下。

1）NH3和NO的反應摩爾比接近為1。

2）脫硝反應中需要O2參與反應。

3）典型的反應溫度為300～400℃。

圖2 SCR脫硝反應器系統圖

2 氨區、SCR區主要保護系統

2.1 氨區保護系統

2.1.1 氨儲罐保護系統

氨儲罐上安裝有逆止閥、緊急關斷閥和安全閥等，作為儲罐液氨泄漏保護所用。儲罐還裝有溫度計、壓力表、液位計、高液位報警儀和相應的變送器等，將信號送到脫硝控制系統，當儲罐內溫度（每個儲罐均采用三冗余測量控制方式）或壓力高時（每個儲罐均采用三冗余測量控制方式）報警。氨儲罐有防太陽輻射措施，四周安裝有工業水噴淋管線及噴嘴，當儲罐槽體溫度過高時自動噴淋裝置啟動，對槽體自動噴淋減溫；當有微量氨氣泄露時也可啟動自動噴淋裝置，對氨氣進行吸收，控制氨氣污染。噴淋系統噴霧強度為9 L/min·m2，水霧噴頭的工作壓力定為0.35 MPa。水噴霧總保護面積120 m2，噴霧用水量為18 L/s。液氨屬有毒物質，且液氨的熔點為-77.7℃，常壓下沸點為-33.4℃，液氨儲存罐采用了溫度保護，當儲存罐溫度高于40℃（三取二）時啟動噴淋系統雨淋閥來降低儲罐內的溫度。氨氣和空氣混合物的比例在15%～28%時，遇明火就會燃燒爆炸，在液氨制備區裝有氨氣泄漏檢測儀，當氨氣泄漏濃度達到40ppm時，啟動雨淋閥稀釋氨氣。

液氨儲罐區雨淋閥聯鎖開：

1）A液氨儲罐溫度大于40℃（3選2）。

2）B液氨儲罐溫度大于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）。

邏輯關系：1+2+3+4。

2.1.2 液氨儲罐液位保護

液氨儲罐A至液氨蒸發器A/B氣動門聯鎖開：

1）B液氨儲罐液位低于150 mm。

2）液氨儲罐出口液氨閥投切開關投入。

邏輯關系：1+2

液氨儲罐B至液氨蒸發器A/B氣動門聯鎖開：

1）A液氨儲罐液位低于150 mm。

2）液氨儲罐出口液氨閥投切開關投入。

邏輯關系：1+2。

2.2 SCR保護系統

1）為了防止當運行情況改變或SCR反應器無法正常投運時大量氨氣噴入煙道，造成空預器或煙道堵塞，安裝了氨氣/熱空氣混合器氣氨進口調節閥和氨氣/熱空氣混合器氣氨進口閥保護關聯鎖，聯鎖條件采用“或”條件：endprint

①鍋爐MFT。

②SCR入口煙溫低于300℃，延時15min（三選二）。

③SCR入口煙溫高于420℃（三選二）。

④A和B稀釋風機均停。

2）為了防止當SCR反應器不具備投入條件時運行人員誤將SCR反應器投入運行，安裝了噴氨氣動門允許開保護，采用“與”條件，將SCR反應器投運需要達到的參數列入其中：

①對應側SCR入口煙溫高于300℃，低于420℃（三選二）。

②A或B稀釋風機已運行。

③對應側稀釋風流量大于7500 Nm3/h。

④稀釋風機出口母管壓力大于3 kPa。

3 氨區、SCR區自動調節系統

3.1 熱控系統介紹

脫硝DCS分散控制系統硬件采用南京科遠公司的產品，與現有的主機DCS兼容滿足脫硝DCS控制系統的要求。脫硝DCS與機組分散控制系統之間用于重要保護、聯鎖的信號采用硬接線方式，分界點分別在機組DCS設備端子排上。脫硝系統采用集中控制方式，脫硝反應區控制系統納入主機DCS，分散控制系統主要由數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）以及輔機順序控制系統（SCS）三大分系統組成。MCS共有6套模擬量調節控制系統，分別為SCR噴氨自動控制系統、蒸發器溫度自動控制系統、氨氣緩沖罐壓力自動控制系統各2套。

3.2 氨區自動調節系統

液氨制備區主要設有氨氣緩沖罐壓力自動調節、液氨蒸發器溫度自動調節各2套自動調節系統。

3.2.1 氨氣緩沖罐壓力自動調節系統

氨氣緩沖罐壓力自動控制為單回路控制，跟蹤模擬量為緩沖罐氨氣壓力，壓力測量值與調門開度輸出量之間為反作用關系，即壓力越高，調門開度越小。熱態初調時壓力設定值為

0.4 MPa，滿足SCR反應所需氨氣要求。氨氣緩沖罐壓力自動控制PID參數設置如下：比例系數：100，積分時間：150 s，微分時間：60 s。當氨氣緩沖罐壓力高于0.4 MPa時關閉液氨緩沖罐進口氨氣調節閥。

圖3 液氨蒸發器壓力調節

3.2.2 液氨蒸發器溫度調節系統

蒸發器溫度自動控制為單回路控制，跟蹤模擬量為蒸發器水溫，水溫測量值與調門開度輸出量之間為反作用關系，即水溫越高，調門開度越小。熱態初調時水溫設定值為45℃，滿足液氨氣化所需的能量要求。液氨蒸發器溫度自動控制PID參數設置如下：比例系數：100，積分時間：150 s，微分時間：60 s。當蒸發器水溫高于45℃時關閉液氨蒸發器蒸汽流量調節閥。

圖4 液氨蒸發器溫度調節

3.2.3 調節系統運行中發生的問題與對策

運行中發現B側蒸發器蒸汽流量調節閥和B側緩沖罐進口氨氣調節閥的開度很低，甚至降低至1%左右，而蒸發器的水溫仍然繼續升高，氨氣緩沖罐的壓力繼續增大，影響到氨區的穩定運行和氨氣供應。經現場分析判斷：兩只調節閥可能存在零位限位不準確，閥門關不到位以致內漏的情況。維護人員拆卸后發現確實存在限位不準的情況，重新調整限位后保證關閉嚴密，開啟充分后，恢復正常使用。

3.3 氨區自動調節系統

3.3.1 噴氨自動控制系統的基本原理

SCR噴氨自動控制為雙回路串級PID調節控制。主回路以SCR出口NOx濃度折算值作為測量值PV，NOx濃度設定值作為設定值SP，進行PID調節，輸出量OP為0.7-1.3的系數，測量值與輸出量為正作用關系；副回路中，以SCR進口NOx濃度減去設定的出口NOx濃度，得到的差值乘以煙氣流量信號計算出需要脫除的NOx總量，氣氨與NOx化學反應的摩爾比為1比1，據此計算出理論噴氨量，理論噴氨量與主回路的OP值乘積作為副回路的設定值SP，將氨氣流量信號作為副回路的測量值PV，進行PI調節，利用SCR出口NOx濃度作為反饋，采用PI控制器對噴氨調節閥開度進行控制。噴氨自動控制PID參數設置如下：比例系數：100，積分時間：60 s，微分時間：60 s。

對于出口NOx濃度控制，在脫硝效率計算中的入口NOx濃度測量值均使用經氧量修正后的值，其修正表達式為：

修正的NOx值= NOx實際值×15/（21-氧量實際值）

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

脫硝效率=[入口NOx-出口NOx設定值]/入口NOx×100%

圖5 SCR反應器自動調節系統框圖

在啟動噴氨系統時，先手動逐漸開大噴氨調節閥，以提高脫硝效率，同時觀察出口氨逃逸率，當脫硝效率達到控制值后，將噴氨調節閥投入自動。

3.3.2 運行中發生的問題與對策

1）脫硝出入口NOx分析儀易發生故障。

脫硝煙氣測量裝置采用北京航天益來電子科技有限公司生產的CYA-863N煙氣連續監測系統，氣體分析儀為ABB EL3020，能同時測量NOx和O2。此種分析儀是將煙氣抽出后經取樣管路進行分析顯示，以隔離的4～20mADC信號送到主機的DCS系統，分析設備的狀態接點開關量信號也送入到DCS系統。

①裝置PLC故障。

由于脫硝CEMS小室頂部漏水，進入機柜后導致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，增強通風，干燥機柜。

②加熱管線溫度設定偏低。

原加熱管線溫度設定在120℃，煙氣在取樣管路中易因內外溫差凝結反水，水進入主機后會造成主機失靈，嚴重時會損壞光分析元件。

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

③裝置定期自動反吹導致噴氨自動失靈。

CYA-863N煙氣連續監測系統具有4小時定期自動反吹功能，自動反吹時，表計出口NOx濃度瞬時值過大，與設定值相差太大，噴氨自動退出。

解決措施：表計反吹時表計反吹時調門開度保持150秒，使反吹時不正常數據不能參與自動調節，保持噴氨自動正常

投入。

2）氨氣流量測量信號波動較大。

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

解決措施：一是對氨氣流量信號進行過濾，消減頻繁小幅波動；二是設置自動輸出最小值為33%，其時對應流量為2 m3/h，經試驗，滿足出口NOx控制要求。

3）自動調節系統波動較大。

噴氨自動調節系統運行中，發現調節閥波動較大，SCR出口NOx濃度波動較大（40-120 mg/m3）。

解決措施：

①在滿足AGC響應速率的前提下，降低AGC負荷變化速率設定值，以減少負荷變化引起的干擾。

②設置煙氣負荷變化前饋，所用信號為送風量（代煙氣量）*反應器入口NOx值，當煙氣負荷變化時，相應變化氨空比，即變化對氨的需求量。可提高對該部分干擾的快速響應性。

③對系統進行優化整定，增加比例作用，減小積分作用。

4 結論

某發電有限公司八期（2×150 MW）機組的煙氣脫硝系統投運后，通過幾個月的摸索實踐，實現了脫硝系統從氨氣制備到SCR反應器的主要部位的自動化控制，節約了能源消耗，減輕了運行人員的勞動強度，取得了一定的成效。

參考文獻

[1]鹽城發電有限公司2×135MW發電供熱機組煙氣脫硝改造脫硫改造工程EPC總承包技術協議.

[2]蔡小峰.煙氣脫硝技術及其應用[J].電力環境保護 2008，24（3）：26-29.

[3]火力發電廠大氣污染物排放標準[S].

[4]羅子湛，孟立新.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優化[J].

作者簡介

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