脫硝供氨系統異常事故的分析與對策

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. 武漢船舶職業技術學院， 武漢 430000)

脫硝供氨系統異常事故的分析與對策

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. 武漢船舶職業技術學院， 武漢 430000)

介紹了選擇性催化還原脫硝技術的原理、脫硝供氨系統設備，并對主要設備的邏輯保護進行了分析；對脫硝系統運行中的重點異常事故提出了相應的處理對策；并對設備運行控制方面提出了幾點建議，確保供氨系統安全穩定運行。

煙氣脫硝； 選擇性催化還原； 事故分析； 對策

隨著火力發電工業的迅速發展，機組的容量越來越大，國家對環保的重視程度越來越高，火電廠排放指標也越來越嚴格，機組的運行方式也隨之發生了變化，脫硝及供氨系統已成為現階段火力發電廠不可缺少的一部分。

筆者對4臺1 036 MW機組3 033 t/h超超臨界鍋爐配套的SCR(選擇性催化還原法)煙氣脫硝系統運行中的問題進行了分析。

1 脫硝原理

SCR技術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，將NOx還原成N2和H2O[1]，其反應式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

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

2 脫硝供氨系統

圖1為該電廠脫硝供氨系統流程及保護簡圖，主要設備包括卸氨壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐(其中主要設備均只保留一套)。該簡圖中虛線代表液氨管路。

圖1 脫硝供氨系統流程及保護簡圖

2.1 液氨卸載系統

液氨卸載系統用于液氨的卸載及轉移，關鍵設備為卸氨壓縮機，共配置2臺，一用一備，選用雙填料箱無油潤滑的活塞式氣體壓縮機，在進口處配有氨液分離器，確保被壓縮的氨氣無油、無水。壓縮機配有四通閥，能實現不同管路間液氨轉移的切換。卸氨壓縮機抽吸液氨儲罐中的氣態氨，經壓縮機壓縮后在較高溫度下進入槽車。

2.2 液氨儲存系統

液氨儲存系統配置4個液氨儲罐，儲罐的液氨進料管、氣氨出口管上配置限流閥和緊急關斷球閥，氣氨進口管上配置關斷球閥和止回閥，在液氨管道的兩個切斷閥之間設置安全閥等安全保護設施。液氨儲罐上設置有溫度、壓力、液位等就地顯示儀表，及遠傳報警、控制信號和相應的變送器等。液氨儲罐罐區設置遮陽棚，防止太陽直射。

2.3 液氨蒸發系統

液氨蒸發系統配置2臺液氨泵、4臺液氨蒸發器和2個氨氣緩沖罐。液氨從儲罐進入蒸發器，可以通過液氨的壓差來實現，也可通過配置的液氨泵來實現。液氨蒸發器采用蒸汽加熱式的蒸發器，蒸發器的最大蒸發量為620 kg/h。進入蒸發器的液氨在熱媒的加熱下蒸發，產生氣態氨，達到規定的壓力后，從蒸發器上的氣態氨出口送出。

2.4 噴淋系統和氨氣稀釋系統

液氨儲存區、液氨蒸發區和液氨卸載區設置自動噴淋水系統，用于吸收任何情況下發生的泄漏氨氣；液氨儲存區的水噴淋系統也用于溫度過高時冷卻儲罐，以避免儲罐壓力異常升高。在系統內設有排放系統，從液氨儲存到氨供應系統的氨排放管路，包括安全閥的放氣管路，構成為一個封閉系統，所有排放氣將經由氨氣稀釋槽吸收成廢氨液后排放至污水池，再經由污水泵送到化學廢水處理站避免向大氣中排放。

2.5 氮氣吹掃系統

在系統的卸料壓縮機、液氨儲罐、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐等處都備有氮氣吹掃管線。在液氨卸料之前通過氮氣吹掃管線對以上設備分別進行嚴格的系統嚴密性檢查和氮氣吹掃，防止氨氣泄漏和系統中殘余的空氣混合造成危險。

3 主要邏輯與保護

3.1 氨儲存系統

液氨儲罐設置溫度高、壓力高報警，當溫度或壓力高于設定值時，開啟對應氨罐區水噴淋閥，對氨罐降溫、減壓。液氨儲罐設置液位高、液位高高報警，液位低、液位低低報警。出現液位高高報警信號時，閉鎖儲罐液氨進口氣動閥開啟，延時5 s后聯鎖關閉液氨卸料閥，防止卸氨過程中儲罐液位高導致滿罐。

3.2 液氨蒸發系統

蒸發器進口母管設置液氨入口壓力低報警。蒸發器出口設定溫度高、溫度低、壓力高、壓力高高、壓力低報警。當出現蒸發器出口壓力高高報警時，聯鎖關閉蒸發器加熱蒸汽進口閥，并閉鎖其開啟，防止蒸發器超壓。

蒸發器設置熱媒溫度高、溫度低報警，當出現溫度高報警時聯鎖關閉蒸發器加熱蒸汽進口閥、溫度低報警時聯鎖開啟蒸發器加熱蒸汽進口閥，對熱媒進行加熱。蒸發器設置液氨液位高報警，當出現液氨液位高報警時聯鎖關閉蒸發器液氨進口氣動閥，防止蒸發器內液氨進入氣氨管道。

氨氣緩沖罐設置壓力低、壓力高報警，當緩沖壓力低時，開啟蒸發器進、出口氣動閥進行供氨；當壓力高時，關閉蒸發器進、出口氣動閥，停止供氨。

3.3 氨卸載系統

液氨壓縮機氨液分離器配有安全閥、液氨排放閥和液位檢測報警，壓縮機出口設置壓力開關。卸氨壓縮機氨液分離器設置液位高報警，出現液位高報警時，聯鎖停止卸氨壓縮機運行。卸氨壓縮機出口設置壓力高、壓力高高報警，出現壓力高高報警時，聯鎖停止卸氨壓縮機運行。卸氨壓縮機進口氨液分離器設置壓力高報警。

3.4 噴淋系統

儲罐區、蒸發器區、卸載區設置氨氣濃度高、氨氣濃度高高報警。出現氨氣濃度高高報警時，聯鎖開啟儲罐區噴淋水氣動閥，吸收氨氣；氨氣濃度正常后，需手動關閉噴淋水氣動閥，未設置自動關閉噴淋水氣動閥邏輯。

4 異常事故的分析與對策

4.1 卸氨系統

液氨卸載過程中，經常發生卸氨壓縮機運行異常，啟動后壓縮機出口溫度高，儲罐液位不上升，排查壓縮機本體無問題后，應對壓縮機進口氣液分離器進行排污，因為卸氨壓縮機工作過程是抽吸儲罐中的氣態氨，經壓縮機壓縮后在較高溫度下進入槽車，若分離器內有水或液氨等異物，壓縮機進口進入的不是氣態氨，而是液態氨或水，導致壓縮機無法出力，而且有可能損壞壓縮機。

液氨卸載過程中，發現液氨儲罐內液氨無上升而且有少許下降，此時應檢查壓縮機本體上的四通閥的狀態，因為壓縮機四通閥分A、B兩種狀態，實現不同管路間液氨轉移的切換。在卸氨過程中使用的是A狀態，在液氨儲罐倒換中使用的是B狀態，如果在卸氨過程中使用B狀態，壓縮機進口進入的是儲罐內的液氨，會導致儲罐內液氨有少許下降，壓縮機過載。當發現上述現象時，應立即停運壓縮機，四通閥切換至A路，并對分離器排污。

4.2 液氨蒸發系統

供氨管道結冰是影響供氨系統正常運行的重要因素之一，嚴重時可能導致供氨中斷、機組排煙NOx超標、環境評估指標不合格[3]。溫度與壓力的關系見表1。當液氨從壓縮儲罐排放到大氣中時，溫度降低到-33 ℃。

表1 溫度與壓力關系

故障現象有：

(1) 切換液氨儲罐供氨，導致出口管道結冰，儲罐出口母管壓力突降。

原因分析：在切換過程中，將運行液氨儲罐供氨中斷，未及時開啟備用液氨儲罐供氨，待供氨管路內的液氨消耗完畢后再開啟備用液氨儲罐供氨，導致液氨大量蒸發吸熱，使溫度降至一個極低的值，對應液氨飽和壓力極低，使液氨無法通過自身的壓力進入蒸發器，導致供氨系統中斷。

處理方法：此時應立即將液氨蒸發器進、出口氣動閥關閉，停止供氨，用大量的沖洗水沖洗結冰管道，使管道內的液氨吸收水的熱量。監視儲罐出口母管壓力，當壓力升至與儲罐接近時，開啟液氨蒸發器進口氣動閥，保持出口氣動閥關閉，觀察蒸發器出口壓力，待壓力上升至接近于管道壓力時，開啟蒸發器出口氣動閥，恢復供氨。在處理過程中，應重點監視液氨儲罐出口母管壓力，通過開關液氨蒸發器進口氣動閥，保持液氨儲罐出口母管壓力大于0.5 MPa。

對策：在液氨儲罐切換操作中，一般采用兩種方法進行操作，效果良好，近期未發生結冰現象。

第一種方法：①先投入備用液氨儲罐供氨，后停止運行液氨儲罐供氨，切換后注意監視液氨儲罐出口母管壓力，若壓力下降迅速，應立即切回。②關閉液氨蒸發器進、出口氣動閥，停止運行液氨儲罐供氨，再投入備用液氨儲罐供氨，檢查液氨儲罐出口母管壓力正常后，開啟液氨蒸發器進、出口氣動閥恢復供氨。

第二種方法因需短時間內停止供氨，所以操作要迅速，防止機組排煙NOx含量超標。

(2) 運行過程中，液氨蒸發器進口管道結冰，儲罐出口母管壓力正常，蒸發器出口壓力低。

原因分析：機組負荷升高時，用氨量增大，蒸發器內液氨基本蒸發完畢，而進口手動閥節流導致液氨在手動閥后擴容蒸發，吸收大量熱量，導致管道結冰堵塞。

處理方法：關閉液氨蒸發器進口氣動閥，用大量的沖洗水沖洗，待結冰現象消失后，調大液氨蒸發器進口手動閥，恢復系統運行。

對策：在蒸發器運行過程中，如果發現機組負荷升高，蒸發器出力不足，應及時調大蒸發器進口手動閥開度，維持蒸發器出口壓力正常。若蒸發器入口手動閥全開仍然不能維持壓力，可考慮增投一臺液氨蒸發器運行。

(3) 運行過程中，蒸發器出口管道結冰，出口溫度小于25 ℃，嚴重時緩沖罐底部結冰。

原因分析：

①蒸發器加熱蒸汽供氣不正常，導致熱媒溫度低，蒸發器出口管道進液氨。

②蒸發器熱媒液位低，液氨蒸發器加熱表面積減少，加熱效率降低，導致蒸發器出口管道進液氨。

③蒸發器自動疏水器疏水不暢，導致熱媒溫度低，蒸發器出口管道進液氨。

④機組脫硝用氨量增大，緩沖罐壓力低，蒸發器進、出口氣動閥保持開啟狀態，連續供氣，當進入液氨的量時大于蒸發器的出力時，蒸發器出口管道進液氨。

處理方法：發現熱媒溫度、液位，蒸發器本體異常時應及時查明原因，停止異常蒸發器運行，投入備用蒸發器運行。若蒸發器無法滿足系統出力，可考慮增投一臺液氨蒸發器運行。

5 結語

脫硝供氨系統自運行以來，妨礙系統正常運行的關鍵問題是閥門內漏、泄漏和供氨不正常：閥門內漏與選型、材質、使用方法有關，主要由設計、維護、改造來提高質量；泄漏卻是要由檢修維護、運行巡視、運行操作共同改善；供氨不正常則可從調整運行方面進行控制，確保供氨系統安全穩定運行。

從以上分析可以看出：

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

(2) 液氨蒸發器進口母管壓力這個測點很重要，壓力低時可判斷為供氨系統液氨供給中斷，此時因及時查找原因，是否為儲罐液氨用空，蒸發器進口母管結冰，相關閥門誤關。

(3) 液氨蒸發器單臺最大蒸發量為620 kg/h，當4臺機組高負荷時用氨量可能超出蒸發器的最大出力，此時應增投一臺蒸發器運行，防止蒸發器內液氨用空。

(4) 液氨蒸發器熱媒溫度設置不應過低，否則會影響蒸發器蒸發效率，但太高會導致熱媒蒸發，一般設置在60 ℃左右。

(5) 液氨蒸發器液氨液位高報警，閉鎖液氨蒸發器進口氣動閥開啟，這個保護對于防止液氨蒸發器出口管道進液氨有很大的作用。

(6) 蒸發器液氨液位高報警如果誤動作會導致蒸發器無法運行，建議將該保護取消，蒸發器出口管道是否進液氨也可根據蒸發器出口溫度來判斷，如果液氨蒸發器在正常運行時出口溫度小于20 ℃，基本可以確認蒸發器出口管道進液氨了，此時應及時調小蒸發器進口手動調閥，減少蒸發器蒸發量。

(7) 蒸發器熱媒液位對蒸發器出力有很大影響，必須加強巡視與監控。

(8) 在系統投運過程中，應先對蒸發器前管路充氨，保證蒸發器前管道內充滿液氨，再投入蒸發器供氨，在系統退出過程中先停蒸發器運行，再退出儲罐運行。

[1] 郭錦濤,秦國偉，紀立國，等. SCR法煙氣脫硝系統工程應用[J].能源與環境，2009(5): 53-54.

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

[3] 李勇.后石電廠600 MW機組煙氣脫硝系統及工藝特點介紹[J]. 山東電力技術，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，從事大型火力發電機組環保運行及優化方面的工作。

E-mail: 279629005@qq.com

TK223.33

A

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