摘 要 本文介紹了某發(fā)電有限公司八期(2×150 MW)機組煙氣脫硝系統(tǒng)的基本工藝,并對脫硝自動控制及保護系統(tǒng)的方式、方法、常見故障及解決措施進行了論述。初步實現(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化控制,解決了脫硝控制、保護系統(tǒng)實際運行中出現(xiàn)的一些問題,較好地滿足了脫硝系統(tǒng)運行要求,節(jié)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(guān)鍵詞 脫硝;SCR;自動控制;保護;應(yīng)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(fā)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(tǒng)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(jié)流后進入液氨蒸發(fā)器,經(jīng)熱水浴加熱后蒸發(fā)為氣氨,再進入氨氣緩沖罐,通過調(diào)節(jié)閥和輸送管道進入脫硝反應(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,處理后的煙氣進入空氣預(yù)熱器進行熱交換。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(tǒng)原理
1.1 氨儲存供應(yīng)系統(tǒng)
SCR脫硝裝置還原劑采用純度為99.6%的液氨。氨儲存和供應(yīng)系統(tǒng)包括卸氨壓縮機、液氨儲罐、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)由液氨槽車運送,利用卸氨壓縮機將液氨由槽車輸入液氨儲罐內(nèi),儲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鍋爐不同負荷的要求,并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)準確、靈活、可靠。
圖1 液氨的儲存和制備系統(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,進入空預(yù)器,回到鍋爐尾部煙道。每臺爐采用雙反應(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層運行1層備用設(shè)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(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)主要保護系統(tǒng)
2.1 氨區(qū)保護系統(tǒng)
2.1.1 氨儲罐保護系統(tǒng)
氨儲罐上安裝有逆止閥、緊急關(guān)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(yīng)的變送器等,將信號送到脫硝控制系統(tǒng),當(dāng)儲罐內(nèi)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(yè)水噴淋管線及噴嘴,當(dāng)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(dāng)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(tǒng)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(zhì),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(dāng)儲存罐溫度高于40℃(三取二)時啟動噴淋系統(tǒng)雨淋閥來降低儲罐內(nèi)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(qū)裝有氨氣泄漏檢測儀,當(dāng)氨氣泄漏濃度達到40ppm時,啟動雨淋閥稀釋氨氣。
液氨儲罐區(qū)雨淋閥聯(lián)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(guān)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(fā)器A/B氣動門聯(lián)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(guān)投入。
邏輯關(guān)系:1+2
液氨儲罐B至液氨蒸發(fā)器A/B氣動門聯(lián)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(guān)投入。
邏輯關(guān)系:1+2。
2.2 SCR保護系統(tǒng)
1)為了防止當(dāng)運行情況改變或SCR反應(yīng)器無法正常投運時大量氨氣噴入煙道,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口調(diào)節(jié)閥和氨氣/熱空氣混合器氣氨進口閥保護關(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15min(三選二)。
③SCR入口煙溫高于420℃(三選二)。
④A和B稀釋風(fēng)機均停。
2)為了防止當(dāng)SCR反應(yīng)器不具備投入條件時運行人員誤將SCR反應(yīng)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(yīng)器投運需要達到的參數(shù)列入其中:
①對應(yīng)側(cè)SCR入口煙溫高于300℃,低于420℃(三選二)。
②A或B稀釋風(fēng)機已運行。
③對應(yīng)側(cè)稀釋風(fēng)流量大于7500 Nm3/h。
④稀釋風(fēng)機出口母管壓力大于3 kPa。
3 氨區(qū)、SCR區(qū)自動調(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)硬件采用南京科遠公司的產(chǎn)品,與現(xiàn)有的主機DCS兼容滿足脫硝DCS控制系統(tǒng)的要求。脫硝DCS與機組分散控制系統(tǒng)之間用于重要保護、聯(lián)鎖的信號采用硬接線方式,分界點分別在機組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噴氨自動控制系統(tǒng)、蒸發(fā)器溫度自動控制系統(tǒng)、氨氣緩沖罐壓力自動控制系統(tǒng)各2套。
3.2 氨區(qū)自動調(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調(diào)節(jié)、液氨蒸發(fā)器溫度自動調(diào)節(jié)各2套自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
3.2.1 氨氣緩沖罐壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)
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(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控制PID參數(shù)設(shè)置如下:比例系數(shù):100,積分時間:150 s,微分時間:60 s。當(dāng)氨氣緩沖罐壓力高于0.4 MPa時關(guān)閉液氨緩沖罐進口氨氣調(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)器溫度自動控制為單回路控制,跟蹤模擬量為蒸發(fā)器水溫,水溫測量值與調(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)器溫度自動控制PID參數(shù)設(shè)置如下:比例系數(shù):100,積分時間:150 s,微分時間:60 s。當(dāng)蒸發(fā)器水溫高于45℃時關(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)運行中發(fā)生的問題與對策
運行中發(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)定運行和氨氣供應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場分析判斷:兩只調(diào)節(jié)閥可能存在零位限位不準確,閥門關(guān)不到位以致內(nèi)漏的情況。維護人員拆卸后發(fā)現(xiàn)確實存在限位不準的情況,重新調(diào)整限位后保證關(guān)閉嚴密,開啟充分后,恢復(fù)正常使用。
3.3 氨區(qū)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)
3.3.1 噴氨自動控制系統(tǒng)的基本原理
SCR噴氨自動控制為雙回路串級PID調(diào)節(jié)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(shè)定值作為設(shè)定值SP,進行PID調(diào)節(jié),輸出量OP為0.7-1.3的系數(shù),測量值與輸出量為正作用關(guān)系;副回路中,以SCR進口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計算出需要脫除的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,將氨氣流量信號作為副回路的測量值PV,進行PI調(diào)節(jié),利用SCR出口NOx濃度作為反饋,采用PI控制器對噴氨調(diào)節(jié)閥開度進行控制。噴氨自動控制PID參數(shù)設(shè)置如下:比例系數(shù):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(jīng)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(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)器自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖
在啟動噴氨系統(tǒng)時,先手動逐漸開大噴氨調(diào)節(jié)閥,以提高脫硝效率,同時觀察出口氨逃逸率,當(dāng)脫硝效率達到控制值后,將噴氨調(diào)節(jié)閥投入自動。
3.3.2 運行中發(fā)生的問題與對策
1)脫硝出入口NOx分析儀易發(fā)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(chǎn)的CYA-863N煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng),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(jīng)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(tǒng),分析設(shè)備的狀態(tài)接點開關(guān)量信號也送入到DCS系統(tǒng)。
①裝置PLC故障。
由于脫硝CEMS小室頂部漏水,進入機柜后導(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,增強通風(fēng),干燥機柜。
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(shè)定為150℃,增加表計前濾芯;定期排除取樣管路中凝結(jié)的水汽。endprint
③裝置定期自動反吹導(dǎo)致噴氨自動失靈。
CYA-863N煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)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(diào)門開度保持150秒,使反吹時不正常數(shù)據(jù)不能參與自動調(diào)節(jié),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(dāng)自動控制使調(diào)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(shè)置自動輸出最小值為33%,其時對應(yīng)流量為2 m3/h,經(jīng)試驗,滿足出口NOx控制要求。
3)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)波動較大。
噴氨自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行中,發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)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(yīng)速率的前提下,降低AGC負荷變化速率設(shè)定值,以減少負荷變化引起的干擾。
②設(shè)置煙氣負荷變化前饋,所用信號為送風(fēng)量(代煙氣量)*反應(yīng)器入口NOx值,當(dāng)煙氣負荷變化時,相應(yīng)變化氨空比,即變化對氨的需求量??商岣邔υ摬糠指蓴_的快速響應(yīng)性。
③對系統(tǒng)進行優(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)機組的煙氣脫硝系統(tǒng)投運后,通過幾個月的摸索實踐,實現(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化控制,節(jié)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(fā)電有限公司2×135MW發(fā)電供熱機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 2008,24(3):26-29.
[3]火力發(fā)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(yōu)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(yè)總經(jīng)理,研究方向:電力工程管理。endprint