火电厂脱硝仪表和控制系统的设计及优化

肖家胜，孙 捷

（1．上海新华控制技术（集团）有限公司，上海200241； 2．上海核工程研究设计院，上海200233）

国家颁布的新标准中关于氮氧化物（NOx）的排放质量浓度的限值为100mg／m3，且要求到2015年国内已运行和新建火电机组要全部安装烟气脱硝设施［1］，以实现“十二五”发展规划纲要中要求的NOx减排10%的总体目标。截至2011年8月，7家中央发电集团已投运的脱硝机组容量为7．306×107kW，约占其燃煤机组容量的17%［2］。火电燃煤机组排放的NOx也是PM2．5增加的重要原因。而脱硝作为减少NOx排放的主要手段，成为“十二五”期间火电企业面临的首要任务，由此使得脱硝产业急剧升温，脱硝系统的建设及正常投运也日益重要。

目前国内脱硝装置大多布置在省煤器和空气预热器之间，采用选择性催化还原（SCR）脱硝工艺，分为SCR系统和公用制氨系统两部分。但脱硝产业在国内毕竟为新兴产业，且相对应的脱硝技术规范直到2010年4月1日起才正式实施［3］，使得脱硝系统设计基本上由各设计院参照相关电力、化工规范进行，存在较大的优化空间。以下针对脱硝装置的SCR系统及公用制氨系统仪表和控制系统的优化设计进行探讨。

1 SCR氨气流量控制系统

单台机组脱硝系统对称布置两个SCR反应器，分别对锅炉省煤器出口的两路烟气进行净化。氨气与空气混合后，通过注氨格栅（AIG）与进入催化反应器之前的烟气均匀混合，流经SCR反应器内催化剂模块，发生催化还原反应，生成无毒的氮气和水。

SCR反应器所注入的氨气，主要通过两个气动调节阀，分别对两路AIG的喷氨量进行调节。日常运行时，将其投入自动控制，故障状态下则进行手动调节。而氨气与空气均匀混合时，通常将氨的体积分数φ（NH3）控制在5%以内，所需的空气则由稀释风机提供。当混合气体中的φ（NH3）达到5%时报警检修；当φ（NH3）达到8%时联锁关闭关断阀。系统工艺流程见图1。

图1 氨气流量控制系统图

图1中稀释风机以脱硝所需最大供氨量为基准（即规定的脱硝效率）进行设计，其性能将保证能适应锅炉（40%～100%）BMCR（锅炉最大连续蒸发量）工况下正常运行，并留有10%裕度。稀释空气出口蝶阀一般设置在最大开度而无需调整，空气流量确定后，就不再需要随锅炉负荷变化进行调整［4］。而氨气和空气混合存在一定的爆炸极限（在空气中φ（NH3）为15%～28%），因此在一定的稀释空气流量下，有一个最大允许氨流量函数f（x2），将φ（NH3）降低到爆炸下极限以下。氨流量计算值由锅炉烟气量、进口φ（NH3）、氨－氮氧化物比（n（NH3）／n（NOx））的乘积所得。NH3投入量过低或过高时都将会降低脱硝效率；当NH3投入量过高时，还会造成出口φ（NH3）超标，影响锅炉运行安全。因此设置氨流量限值函数f（x3），控制氨－氮氧化物比小于1．1［5］，见图2。

图2 氨气流量控制逻辑图

在稀释风机风量一定的前提下，通过φ（NH3）高报警信号及LS（低值选择器）及切断阀关闭信号，保证将φ（NH3）控制在5%以内，即氨气调节阀根据脱硝系统实际需氨量调节在合适的开度。由于选定稀释风机后即已选定稀释风量，因此可认为稀释空气体积为定值，而只需调节氨气体积，即对图2中氨气调节阀开度进行控制即可。图1中稀释风机出口无需设置标有云线的流量仪表。

通常氨气的流量均采用流量孔板测量，氨气体积由于受温度、压力影响较大，因此流量孔板测量的数值需要加温度、压力修正，存在偏差较大的问题。采用先进的智能型质量流量计，则可以更为准确地测量氨气的流量。

2 烟气连续监测系统（CEMS）及其布置

脱硝装置进口烟道监测参数有：NOx质量浓度m′（NOx）、O2质量浓度m′（O2）；出口烟道监测参数有：氨逃逸率、m″（O2）、m″（NOx）等。每台机组省煤器出口的两路烟气对应两个SCR反应器，总共需4套CEMS监测装置，其中出、入口各2套。一般把CEMS系统监测装置布置在现场小屋内，由于小屋所在平台空间有限，要求小屋面积尽量能缩小。

以300MW机组为例，该小屋布置在机组两侧23．4m标高的SCR反应器附近平台上，该平台宽度约7．5m，上面装有稀释风机及氨气流量控制系统等就地设备。通常小屋内除了布置CEMS监测机柜外，还有1台DCS远程机柜，2个电气配电柜。根据常规设计，CEMS制造厂会设计4个监测主机柜，小屋尺寸设计为5 000mm（宽）×6 500mm（深），平台剩余空间狭小，影响稀释风机的检修空间。因此可要求CEMS厂商针对其产品特点，把2套出口、2套入口监测装置各自集中在一个主机柜内，或把单台SCR反应器对应的出、入口监测装置集中在一个主机柜内，这样只需2个主机柜即可，小屋尺寸相应缩小为4 600mm（宽）×5 400mm（深），可节省出大的空间作为稀释风机检修空间。

3 液氨储罐测点设计

液氨储罐温度控制及液位测量为消防监测的重点。目前，氨储罐温度测量有两种布置方式：

（1）氨储罐温度测量布置在储罐中间下部，温度计测量端完全浸没在液氨中。

（2）氨储罐温度测量布置在氨储罐的正上方，温度计测量端相对较长。

两种方式都有应用，但由于后者通过氨罐上方检修平台，更易维护。

对于液氨储罐液位测量，设计者可依据测量仪器的不同类型进行选择，见表1。

表1 液氨储罐液位测量仪表选择

从表1可见：磁翻板液位计优势明显，能保证液位测量的准确性。磁翻板液位计还可配带液位变送器，送出4～20mA的电流信号至中央控制室，满足就地显示和远方监测的双重要求。

4 结语

随着国家对环保要求的提高，必将有越来越多的脱硝装置投入运行，设计人员也将对脱硝系统的设计更加熟悉，无疑会促进脱硝工艺的发展，完成NOx减排任务。

［1］黄少中，左源，赵立志．关于脱硝电价政策的研究和建议［R］．北京：国家电力监管委员会，2012．

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准［S］．北京：中国环境科学出版社，2012．

［3］环境保护部．HJ 562—2010火电厂烟气脱硝工程技术规范（选择性催化还原法）［S］．北京：中国环境科学出版社，2010．

［4］赵国庆，何畅．大型燃煤电站脱硝过程自动控制的特点和实践［J］．浙江电力，2007，26（3）：34－36．

［5］徐旭，应剑，王新龙．燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验［J］．动力工程学报，2010，30（6）：439－443．