脱硝自动控制保护系统的探索及应用

摘 要 本文介绍了某发电有限公司八期（2×150 MW）机组烟气脱硝系统的基本工艺，并对脱硝自动控制及保护系统的方式、方法、常见故障及解决措施进行了论述。初步实现了脱硝系统从氨气制备到SCR反应器的主要部位的自动化控制，解决了脱硝控制、保护系统实际运行中出现的一些问题，较好地满足了脱硝系统运行要求，节约了能源消耗，减轻了运行人员的劳动强度，取得了一定的成效。

关键词 脱硝；SCR；自动控制；保护；应用

中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0085-04

某发电有限公司八期（2×150 MW）机组的烟气脱硝采用选择性催化还原（SCR）法。脱硝系统主要工作流程：液氨通过卸氨压缩机的作用从液氨槽车中送入液氨储罐，减压节流后进入液氨蒸发器，经热水浴加热后蒸发为气氨，再进入氨气缓冲罐，通过调节阀和输送管道进入脱硝反应系统，经稀释空气稀释后通过喷氨格栅与烟气均匀混合，通过导流板和整流装置后进入SCR反应器催化反应区，在催化剂的作用下氨与NOx反应，转化为N2和H2O，处理后的烟气进入空气预热器进行热交换。液氨喷淋完成经化学反应稳定还需一个过程，测量NOx浓度存在延迟，因此脱硝控制为大延迟控制对象。

1 脱硝系统原理

1.1 氨储存供应系统

SCR脱硝装置还原剂采用纯度为99.6%的液氨。氨储存和供应系统包括卸氨压缩机、液氨储罐、液氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨气稀释罐、废水泵、废水池、消防雨淋阀等，此套系统提供氨气供脱硝反应使用。

液氨的供应由液氨槽车运送，利用卸氨压缩机将液氨由槽车输入液氨储罐内，储罐中的液氨输送到液氨蒸发器内蒸发为氨气，经氨气缓冲罐控制压力为0.4 MPa左右，然后与稀释空气在混合器中混合均匀，再送至脱硝反应系统。氨系统紧急排放的氨气则排入氨气稀释罐中，经水的吸收排入废水池，再经由废水泵送至电厂工业废水处理系统处理。氨的供应量能满足40%-100%BMCR锅炉不同负荷的要求，并且系统调节准确、灵活、可靠。

图1 液氨的储存和制备系统

1.2 脱硝SCR系统原理

脱硝SCR系统主要包括烟气系统、SCR反应器、氨喷射系统、稀释风系统及声波吹灰系统。烟气进入SCR烟气脱硝装置，在SCR烟气脱硝装置烟道中布置有导流板等气流均布装置使烟气与NH3充分混合。然后烟气进入SCR反应器，在温度300℃～420℃催化剂作用下，NH3与烟气中的NOx进行脱硝反应，产物是N2和H2O，烟气温度基本不变。脱硝后的干净烟气排出SCR烟气脱硝装置，进入空预器，回到锅炉尾部烟道。每台炉采用双反应器，反应器布置在高温省煤器与空预器之间的空间。选用蜂窝式催化剂，催化剂层数按2层运行1层备用设计。按照满负荷处理100%烟气量，SCR入口NOx浓度450 mg/Nm3，出口NOx浓度不大于90 mg/Nm3，脱硝效率不小于80%。

主要的化学反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2 →4N2+6H2O （1）

6NO2+8NH3 →7N2+12H2O （2）

烟气中的NOx主要由NO和NO2组成，其中NO约占NOx总量的95%，NO2约占总量的5%，因此，化学反应方程式（1）被认为是脱硝反应的主要反应方程式，它的反应特征如下。

1）NH3和NO的反应摩尔比接近为1。

2）脱硝反应中需要O2参与反应。

3）典型的反应温度为300～400℃。

图2 SCR脱硝反应器系统图

2 氨区、SCR区主要保护系统

2.1 氨区保护系统

2.1.1 氨储罐保护系统

氨储罐上安装有逆止阀、紧急关断阀和安全阀等，作为储罐液氨泄漏保护所用。储罐还装有温度计、压力表、液位计、高液位报警仪和相应的变送器等，将信号送到脱硝控制系统，当储罐内温度（每个储罐均采用三冗余测量控制方式）或压力高时（每个储罐均采用三冗余测量控制方式）报警。氨储罐有防太阳辐射措施，四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当储罐槽体温度过高时自动喷淋装置启动，对槽体自动喷淋减温；当有微量氨气泄露时也可启动自动喷淋装置，对氨气进行吸收，控制氨气污染。喷淋系统喷雾强度为9 L/min·m2，水雾喷头的工作压力定为0.35 MPa。水喷雾总保护面积120 m2，喷雾用水量为18 L/s。液氨属有毒物质，且液氨的熔点为-77.7℃，常压下沸点为-33.4℃，液氨储存罐采用了温度保护，当储存罐温度高于40℃（三取二）时启动喷淋系统雨淋阀来降低储罐内的温度。氨气和空气混合物的比例在15%～28%时，遇明火就会燃烧爆炸，在液氨制备区装有氨气泄漏检测仪，当氨气泄漏浓度达到40ppm时，启动雨淋阀稀释氨气。

液氨储罐区雨淋阀联锁开：

1）A液氨储罐温度大于40℃（3选2）。

2）B液氨储罐温度大于40℃（3选2）。

3）氨检漏仪B/C大于50ppm（2选1）。

4）氨检漏仪D/E大于50ppm（2选1）。

逻辑关系：1+2+3+4。

2.1.2 液氨储罐液位保护

液氨储罐A至液氨蒸发器A/B气动门联锁开：

1）B液氨储罐液位低于150 mm。

2）液氨储罐出口液氨阀投切开关投入。

逻辑关系：1+2

液氨储罐B至液氨蒸发器A/B气动门联锁开：

1）A液氨储罐液位低于150 mm。

2）液氨储罐出口液氨阀投切开关投入。

逻辑关系：1+2。

2.2 SCR保护系统

1）为了防止当运行情况改变或SCR反应器无法正常投运时大量氨气喷入烟道，造成空预器或烟道堵塞，安装了氨气/热空气混合器气氨进口调节阀和氨气/热空气混合器气氨进口阀保护关联锁，联锁条件采用“或”条件：endprint

①锅炉MFT。

②SCR入口烟温低于300℃，延时15min（三选二）。

③SCR入口烟温高于420℃（三选二）。

④A和B稀释风机均停。

2）为了防止当SCR反应器不具备投入条件时运行人员误将SCR反应器投入运行，安装了喷氨气动门允许开保护，采用“与”条件，将SCR反应器投运需要达到的参数列入其中：

①对应侧SCR入口烟温高于300℃，低于420℃（三选二）。

②A或B稀释风机已运行。

③对应侧稀释风流量大于7500 Nm3/h。

④稀释风机出口母管压力大于3 kPa。

3 氨区、SCR区自动调节系统

3.1 热控系统介绍

脱硝DCS分散控制系统硬件采用南京科远公司的产品，与现有的主机DCS兼容满足脱硝DCS控制系统的要求。脱硝DCS与机组分散控制系统之间用于重要保护、联锁的信号采用硬接线方式，分界点分别在机组DCS设备端子排上。脱硝系统采用集中控制方式，脱硝反应区控制系统纳入主机DCS，分散控制系统主要由数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）以及辅机顺序控制系统（SCS）三大分系统组成。MCS共有6套模拟量调节控制系统，分别为SCR喷氨自动控制系统、蒸发器温度自动控制系统、氨气缓冲罐压力自动控制系统各2套。

3.2 氨区自动调节系统

液氨制备区主要设有氨气缓冲罐压力自动调节、液氨蒸发器温度自动调节各2套自动调节系统。

3.2.1 氨气缓冲罐压力自动调节系统

氨气缓冲罐压力自动控制为单回路控制，跟踪模拟量为缓冲罐氨气压力，压力测量值与调门开度输出量之间为反作用关系，即压力越高，调门开度越小。热态初调时压力设定值为

0.4 MPa，满足SCR反应所需氨气要求。氨气缓冲罐压力自动控制PID参数设置如下：比例系数：100，积分时间：150 s，微分时间：60 s。当氨气缓冲罐压力高于0.4 MPa时关闭液氨缓冲罐进口氨气调节阀。

图3 液氨蒸发器压力调节

3.2.2 液氨蒸发器温度调节系统

蒸发器温度自动控制为单回路控制，跟踪模拟量为蒸发器水温，水温测量值与调门开度输出量之间为反作用关系，即水温越高，调门开度越小。热态初调时水温设定值为45℃，满足液氨气化所需的能量要求。液氨蒸发器温度自动控制PID参数设置如下：比例系数：100，积分时间：150 s，微分时间：60 s。当蒸发器水温高于45℃时关闭液氨蒸发器蒸汽流量调节阀。

图4 液氨蒸发器温度调节

3.2.3 调节系统运行中发生的问题与对策

运行中发现B侧蒸发器蒸汽流量调节阀和B侧缓冲罐进口氨气调节阀的开度很低，甚至降低至1%左右，而蒸发器的水温仍然继续升高，氨气缓冲罐的压力继续增大，影响到氨区的稳定运行和氨气供应。经现场分析判断：两只调节阀可能存在零位限位不准确，阀门关不到位以致内漏的情况。维护人员拆卸后发现确实存在限位不准的情况，重新调整限位后保证关闭严密，开启充分后，恢复正常使用。

3.3 氨区自动调节系统

3.3.1 喷氨自动控制系统的基本原理

SCR喷氨自动控制为双回路串级PID调节控制。主回路以SCR出口NOx浓度折算值作为测量值PV，NOx浓度设定值作为设定值SP，进行PID调节，输出量OP为0.7-1.3的系数，测量值与输出量为正作用关系；副回路中，以SCR进口NOx浓度减去设定的出口NOx浓度，得到的差值乘以烟气流量信号计算出需要脱除的NOx总量，气氨与NOx化学反应的摩尔比为1比1，据此计算出理论喷氨量，理论喷氨量与主回路的OP值乘积作为副回路的设定值SP，将氨气流量信号作为副回路的测量值PV，进行PI调节，利用SCR出口NOx浓度作为反馈，采用PI控制器对喷氨调节阀开度进行控制。喷氨自动控制PID参数设置如下：比例系数：100，积分时间：60 s，微分时间：60 s。

对于出口NOx浓度控制，在脱硝效率计算中的入口NOx浓度测量值均使用经氧量修正后的值，其修正表达式为：

修正的NOx值= NOx实际值×15/（21-氧量实际值）

出口NOx浓度控制投入自动后，其PID输出值是比例修正氨气设定值，满足控制出口NOx浓度的控制要求。

脱硝效率=[入口NOx-出口NOx设定值]/入口NOx×100%

图5 SCR反应器自动调节系统框图

在启动喷氨系统时，先手动逐渐开大喷氨调节阀，以提高脱硝效率，同时观察出口氨逃逸率，当脱硝效率达到控制值后，将喷氨调节阀投入自动。

3.3.2 运行中发生的问题与对策

1）脱硝出入口NOx分析仪易发生故障。

脱硝烟气测量装置采用北京航天益来电子科技有限公司生产的CYA-863N烟气连续监测系统，气体分析仪为ABB EL3020，能同时测量NOx和O2。此种分析仪是将烟气抽出后经取样管路进行分析显示，以隔离的4～20mADC信号送到主机的DCS系统，分析设备的状态接点开关量信号也送入到DCS系统。

①装置PLC故障。

由于脱硝CEMS小室顶部漏水，进入机柜后导致PLC 模块烧坏，造成分析仪指示失灵的缺陷。

解决措施：更换PLC模块，增强通风，干燥机柜。

②加热管线温度设定偏低。

原加热管线温度设定在120℃，烟气在取样管路中易因内外温差凝结反水，水进入主机后会造成主机失灵，严重时会损坏光分析元件。

解决措施：修改加热管线温度设定为150℃，增加表计前滤芯；定期排除取样管路中凝结的水汽。endprint

③装置定期自动反吹导致喷氨自动失灵。

CYA-863N烟气连续监测系统具有4小时定期自动反吹功能，自动反吹时，表计出口NOx浓度瞬时值过大，与设定值相差太大，喷氨自动退出。

解决措施：表计反吹时表计反吹时调门开度保持150秒，使反吹时不正常数据不能参与自动调节，保持喷氨自动正常

投入。

2）氨气流量测量信号波动较大。

氨气流量测量因表计（横河涡街流量计）本身特性，一是易受干扰引起频繁小幅波动，二是最小测量流量（约1.9 m3/h），以致当自动控制使调门开度较小时晃动幅度较大。

解决措施：一是对氨气流量信号进行过滤，消减频繁小幅波动；二是设置自动输出最小值为33%，其时对应流量为2 m3/h，经试验，满足出口NOx控制要求。

3）自动调节系统波动较大。

喷氨自动调节系统运行中，发现调节阀波动较大，SCR出口NOx浓度波动较大（40-120 mg/m3）。

解决措施：

①在满足AGC响应速率的前提下，降低AGC负荷变化速率设定值，以减少负荷变化引起的干扰。

②设置烟气负荷变化前馈，所用信号为送风量（代烟气量）*反应器入口NOx值，当烟气负荷变化时，相应变化氨空比，即变化对氨的需求量。可提高对该部分干扰的快速响应性。

③对系统进行优化整定，增加比例作用，减小积分作用。

4 结论

某发电有限公司八期（2×150 MW）机组的烟气脱硝系统投运后，通过几个月的摸索实践，实现了脱硝系统从氨气制备到SCR反应器的主要部位的自动化控制，节约了能源消耗，减轻了运行人员的劳动强度，取得了一定的成效。

参考文献

[1]盐城发电有限公司2×135MW发电供热机组烟气脱硝改造脱硫改造工程EPC总承包技术协议.

[2]蔡小峰.烟气脱硝技术及其应用[J].电力环境保护 2008，24（3）：26-29.

[3]火力发电厂大气污染物排放标准[S].

[4]罗子湛，孟立新.燃煤锅炉SCR烟气脱硝喷氨自动控制方式优化[J].

作者简介

单锦宏（1958-），男，江苏盐城人，高级工程师，大型火电企业总经理，研究方向：电力工程管理。endprint