基于DCS的脫硝尿素水解制氨系統(tǒng)

李志遠(yuǎn)

（國(guó)能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司諫壁分公司，江蘇鎮(zhèn)江 212006）

0 引言

鑒于目前日趨嚴(yán)峻的國(guó)內(nèi)安全生產(chǎn)形勢(shì)，火電廠的安全管理面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，從嚴(yán)管理，消除危險(xiǎn)隱患勢(shì)在必行。在安全管理措施中，利用技術(shù)手段，通過(guò)工藝或設(shè)備改造，往往能達(dá)到事半功倍的預(yù)期效果。一般電廠脫硝[1]都是采用液氨作為SCR[2]脫硝的還原劑，通過(guò)液氨車(chē)送到氨站，把氨氣打入氨儲(chǔ)存罐，需供氨脫硝時(shí)把噴氨調(diào)節(jié)門(mén)打開(kāi)，使氨氣與煙氣充分混合，脫出煙氣中的NO氣體，實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。依據(jù)《重大危險(xiǎn)源識(shí)別》規(guī)定，如果氨站儲(chǔ)罐里面的氨氣儲(chǔ)量在10 t以上，則屬于重大危險(xiǎn)源。隨著脫硝技術(shù)的普遍采用，從電廠防控安全風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際角度出發(fā)，降低液氨在運(yùn)輸和使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，脫硝所使用的還原劑液氨改為尿素水解制氨[3]工藝是非常有必要的。尿素是一種無(wú)色的化學(xué)物質(zhì)，易于儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，適合做制氨的主要原料。與液氨系統(tǒng)相比，尿素制氨系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，運(yùn)行成本高, 反應(yīng)器會(huì)被腐蝕，但運(yùn)行能耗低，安全穩(wěn)定，越來(lái)越受到大多數(shù)電廠的青睞。在尿素制氨系統(tǒng)中，先是用汽車(chē)將尿素送至制備現(xiàn)場(chǎng)，在水解器里面水解，分解出的氨氣經(jīng)稀釋風(fēng)機(jī)稀釋后，進(jìn)入氨混合氣中，由噴射系統(tǒng)噴入脫硝。在整個(gè)工藝過(guò)程中，重要一步是水解器里面的尿素發(fā)生水解。水解系統(tǒng)的控制已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，無(wú)需人為操作或干預(yù)，省時(shí)省力。DCS[4]系統(tǒng)根據(jù)水解器的輸入壓力、溫度等信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID[5]邏輯運(yùn)算，自動(dòng)輸出指令，精確穩(wěn)定，在脫硝系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

尿素水解制氨系統(tǒng)（如圖1）主要功能是將產(chǎn)生煙氣脫硝裝置所用尿素顆粒卸載、制備溶液，供應(yīng)合格尿素溶液，并將尿素溶液分解，產(chǎn)生SCR脫硝裝置適用的氨氣，尿素水解工藝的化學(xué)反應(yīng)式如下：CO（NH2）2+H20→2NH3↑+CO2↑。系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)向SCR系統(tǒng)提供足夠的氨氣，以保證SCR還原反應(yīng)的進(jìn)行。

圖1 尿素制氨系統(tǒng)工藝圖

尿素顆粒溶解系統(tǒng)設(shè)置尿素溶解罐，溶解罐公稱容量為59 m3，溶解罐由304L不銹鋼制造，室內(nèi)布置，罐體保溫。在溶解罐中，用除鹽水和干尿素配置制成50%的尿素溶液。除鹽水來(lái)自公用除鹽水系統(tǒng)或尿素車(chē)間的疏水箱；人工拆袋后的尿素顆粒經(jīng)過(guò)電動(dòng)葫蘆進(jìn)行提升進(jìn)入溶解罐，或由尿素顆粒輸送罐車(chē)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用氣力輸送進(jìn)入尿素溶解罐。當(dāng)尿素溶液溫度過(guò)低時(shí)，蒸汽加熱系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)罐下部加熱盤(pán)管給溶液加熱，防止溶液內(nèi)的尿素結(jié)晶。為了使尿素溶液混合更充分，溶解泵將尿素輸送到溶解罐的四周，箱內(nèi)有流量計(jì)和液位計(jì)。混合泵循環(huán)管道上設(shè)置密度計(jì)，用以判斷尿素溶液濃度，罐內(nèi)設(shè)置有攪拌器，配置溶液時(shí)可加速溶解過(guò)程。設(shè)置4臺(tái)尿素溶液溶解泵，每臺(tái)溶解罐對(duì)應(yīng)兩臺(tái)溶解泵，一運(yùn)一備。尿素在溶解罐中溶解時(shí)，利用溶解泵和循環(huán)管道將尿素溶液打循環(huán)，以獲得好的溶解和混合效果。等溶液達(dá)到目標(biāo)值后，溶解泵會(huì)將尿素輸送到專門(mén)盛放溶液箱內(nèi)儲(chǔ)存。

尿素水解反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置尿素水解器模塊，水解器模塊設(shè)計(jì)氨氣出力為650 kg/h，并配套尿素溶液制備、輸送及公用蒸汽系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)及廢水等系統(tǒng)。超過(guò)濃度1/2的溶液打到水解反應(yīng)器內(nèi)，與進(jìn)入罐內(nèi)的蒸汽混合，產(chǎn)生的冷凝水通過(guò)廢水箱、廢水泵收集。當(dāng)濃度、壓力、溫度達(dá)到定值時(shí)，水解反應(yīng)器內(nèi)尿素就會(huì)發(fā)生水解，產(chǎn)生氨氣混合氣并通過(guò)管道和閥門(mén)送入電廠脫硝系統(tǒng)脫硝。

2 尿素水解DCS控制邏輯

2.1 控制說(shuō)明

脫硝系統(tǒng)尿素水解部分采用DCS控制。尿素區(qū)DCS系統(tǒng)硬件設(shè)備由1臺(tái)工程師站、1臺(tái)操作員站、1臺(tái)A3/A4彩色激光打印機(jī)、兩面控制柜，以及一面DCS網(wǎng)絡(luò)電源柜組成，軟件與脫硝系統(tǒng)DCS保持一致。

脫硝系統(tǒng)采用集中監(jiān)控方式，需脫硝控制系統(tǒng)上進(jìn)行修改，包括DAS系統(tǒng)、順控控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，硬件通過(guò)遠(yuǎn)程I/O與脫硝DCS系統(tǒng)網(wǎng)路相連，運(yùn)行人員在集控室可通過(guò)操作員站對(duì)尿素水解器系統(tǒng)完成啟停、參數(shù)調(diào)整、故障處理等，不需工作人員到現(xiàn)場(chǎng)操作，自動(dòng)化程度很高。在操作員運(yùn)行畫(huà)面，水解系統(tǒng)共有8種狀態(tài)，分別是：停止、啟動(dòng)、填料、預(yù)熱、準(zhǔn)備噴氨、噴氨、正常停車(chē)、緊急停車(chē)。控制系統(tǒng)顯示屏上必須有以下按鈕，可供操作員對(duì)水解器的邏輯進(jìn)行控制，如表1所示。

表1 DCS畫(huà)面水解器操作按鈕

水解器控制系統(tǒng)邏輯的設(shè)計(jì)可用操作中的兩個(gè)控制模式：自動(dòng)和半自動(dòng)模式。通過(guò)控制系統(tǒng)顯示屏上的按鈕選擇不同的控制模式，水解器可以在任何一種模式下獨(dú)立啟動(dòng)和運(yùn)行。

在自動(dòng)控制操作模式下，當(dāng)操作員按下啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)在沒(méi)有操作員介入的狀況下使水解系統(tǒng)自動(dòng)完成直至準(zhǔn)備噴氨狀態(tài)并保持此狀態(tài)，當(dāng)屏幕顯示允許噴氨，且接收到控制器的噴氨許可指令，操作員按下噴氨按鈕，使水解器進(jìn)入噴氨狀態(tài)，每個(gè)運(yùn)行的狀態(tài)都會(huì)在控制系統(tǒng)顯示屏上顯示。

在半自動(dòng)控制操作下，每個(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)水解器會(huì)暫停。操作員必須按下控制顯示器系統(tǒng)上的按鈕，推進(jìn)邏輯進(jìn)入下一邏輯狀態(tài)。例如，在半自動(dòng)模式下，如果滿足所有許可指令，操作員點(diǎn)擊啟動(dòng)系統(tǒng)將進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)；然而，操作員必須按下填料按鈕，系統(tǒng)才能進(jìn)入填料狀態(tài)。當(dāng)屏幕顯示填料狀態(tài)完成時(shí)會(huì)暫停，直到操作員按下預(yù)熱按鈕，才能進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)。加熱周期持續(xù)大約40 min，當(dāng)屏幕顯示預(yù)熱狀態(tài)完成，隨后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)備噴氨狀態(tài)并保持此狀態(tài)，當(dāng)屏幕顯示允許噴氨，且接收到控制器的噴氨許可指令，操作員按下噴氨按鈕，使水解器進(jìn)入噴氨狀態(tài)。在噴氨狀態(tài)下，操作員可以按下噴氨-準(zhǔn)備噴氨按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)入準(zhǔn)備噴氨狀態(tài)。若要使水解器停止，操作員可以按下正常停車(chē)按鈕進(jìn)行正常關(guān)機(jī)，或者是按下緊急停車(chē)按鈕進(jìn)行緊急停機(jī)。當(dāng)超出某些特定的臨界安全極限時(shí)，緊急停車(chē)將自動(dòng)啟動(dòng)。在手動(dòng)模式下只要特定設(shè)備在當(dāng)前狀態(tài)下運(yùn)行條件得到充分滿足，水解器系統(tǒng)中所有的閥門(mén)隨時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)始運(yùn)行。

當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障，正常停車(chē)或緊急停車(chē)狀態(tài)被激活時(shí)，正在運(yùn)行的狀態(tài)會(huì)被中斷。當(dāng)啟動(dòng)這兩種關(guān)機(jī)程序的任何一種時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)，然后在水解器冷卻后或者減壓后變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)。

2.2 控制策略

尿素水解系統(tǒng)的DCS控制策略[6]包括水解器的液位控制、溫控和壓力控制、氨氣混合氣控制，以及重要設(shè)備及參數(shù)的連鎖保護(hù)控制，控制策略的主要目的是使運(yùn)行參數(shù)在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)超過(guò)范圍時(shí)，連鎖保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

水解反應(yīng)器液位控制用的是PID單回路[7]控制系統(tǒng),根據(jù)水解器液位自動(dòng)調(diào)節(jié)尿素溶液進(jìn)口調(diào)閥，將水解器液位維持在正常工作范圍內(nèi)，控制液位為水解器目標(biāo)液位。尿素水解系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，控制水解反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)啟動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行噴氨狀態(tài)下，主要控制水解反應(yīng)器內(nèi)的壓力。

水解器的溫度與壓力控制（如圖2）在達(dá)到一定的條件下自動(dòng)切換。氨氣混合氣的輸出量的多少是根據(jù)脫硝A/B側(cè)出口NOX設(shè)定濃度來(lái)決定的，供氨調(diào)節(jié)閥控制著水解反應(yīng)器產(chǎn)生氨氣的流量，隨著氨氣需求量的大小而變化，及時(shí)跟蹤，有效控制。

圖2 DCS水解器壓力/溫度控制SAMA圖

當(dāng)水解器的參數(shù)數(shù)據(jù)超過(guò)正常值時(shí)，就需要自動(dòng)控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保護(hù)人身和設(shè)備的安全不受侵害。在液位、溫度及壓力連鎖保護(hù)中，其中壓力的保護(hù)是水解反應(yīng)器最重要的保護(hù)，因此控制系統(tǒng)采取了雙冗余保護(hù)。當(dāng)壓力超過(guò)正常值的一半以上時(shí)，需將氨氣打入廢水箱內(nèi)降壓；當(dāng)壓力達(dá)到一定程度，接近設(shè)計(jì)值時(shí)，安全閥動(dòng)作泄壓。如水解器安全閥泄壓至車(chē)間地坑管道無(wú)流量開(kāi)關(guān)，在檢測(cè)到水解器安全閥壓力開(kāi)關(guān)閉合時(shí)或水解器壓力≥安全閥起跳壓力時(shí)，需聯(lián)鎖打開(kāi)地坑噴淋閥，直至現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)泄壓完成且安全后，再手動(dòng)關(guān)閉地坑噴淋閥。

水解器的初始填料只有在水解器的容器完全排空之后方可進(jìn)行，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的除鹽水和同樣比例濃度的尿素，直到水解器內(nèi)液面高度超過(guò)設(shè)定值。添加尿素完成后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入到準(zhǔn)備加熱，若系統(tǒng)是預(yù)備噴氨，水解器控制系統(tǒng)會(huì)將儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力控制在0.5 MPa以下，為保持壓力定值，這時(shí)溫度值沒(méi)有特別要求，可以設(shè)定任何數(shù)值。

3 結(jié)語(yǔ)

利用尿素水解的方法制氨氣工藝，技術(shù)先進(jìn)可靠，滿足環(huán)境保護(hù)的技術(shù)要求，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，與液氨法作為還原劑相比，原材料在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、使用過(guò)程中更加安全，消除了電廠氨站重大危險(xiǎn)源，能滿足不同鍋爐負(fù)荷及脫硝效率的要求，是現(xiàn)在比較適合電廠脫硝的一種還原劑。尿素水解制氨是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高。DCS比PLC[8]更穩(wěn)定，有更多的I/O點(diǎn)，能采集更多的儀表或閥門(mén)信號(hào)，進(jìn)行顯示、操作及邏輯運(yùn)算。在尿素制氨系統(tǒng)中，有很多重要設(shè)備能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，準(zhǔn)確性很高，這是由于DCS系統(tǒng)有PID調(diào)節(jié)器的原因，調(diào)節(jié)器將給定值與反饋值做差，通過(guò)比例、積分、微分的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化水平和程度，最大限度地減少了人工操作，節(jié)省了人力和時(shí)間，能有效地避免人員誤操作所引起的設(shè)備跳閘、環(huán)保超標(biāo)、設(shè)備損壞等不利影響。