基于DCS的脱硝尿素水解制氨系统

李志远

（国能龙源环保有限公司谏壁分公司，江苏镇江 212006）

0 引言

鉴于目前日趋严峻的国内安全生产形势，火电厂的安全管理面临着越来越大的挑战，从严管理，消除危险隐患势在必行。在安全管理措施中，利用技术手段，通过工艺或设备改造，往往能达到事半功倍的预期效果。一般电厂脱硝[1]都是采用液氨作为SCR[2]脱硝的还原剂，通过液氨车送到氨站，把氨气打入氨储存罐，需供氨脱硝时把喷氨调节门打开，使氨气与烟气充分混合，脱出烟气中的NO气体，实现环保达标排放。依据《重大危险源识别》规定，如果氨站储罐里面的氨气储量在10 t以上，则属于重大危险源。随着脱硝技术的普遍采用，从电厂防控安全风险的实际角度出发，降低液氨在运输和使用过程中的风险，脱硝所使用的还原剂液氨改为尿素水解制氨[3]工艺是非常有必要的。尿素是一种无色的化学物质，易于储藏和运输，适合做制氨的主要原料。与液氨系统相比，尿素制氨系统相对来说较为复杂，运行成本高, 反应器会被腐蚀，但运行能耗低，安全稳定，越来越受到大多数电厂的青睐。在尿素制氨系统中，先是用汽车将尿素送至制备现场，在水解器里面水解，分解出的氨气经稀释风机稀释后，进入氨混合气中，由喷射系统喷入脱硝。在整个工艺过程中，重要一步是水解器里面的尿素发生水解。水解系统的控制已实现了远程自动控制，无需人为操作或干预，省时省力。DCS[4]系统根据水解器的输入压力、温度等信号，经过PID[5]逻辑运算，自动输出指令，精确稳定，在脱硝系统中有着广泛的应用。

1 工艺系统简介

尿素水解制氨系统（如图1）主要功能是将产生烟气脱硝装置所用尿素颗粒卸载、制备溶液，供应合格尿素溶液，并将尿素溶液分解，产生SCR脱硝装置适用的氨气，尿素水解工艺的化学反应式如下：CO（NH2）2+H20→2NH3↑+CO2↑。系统投运时向SCR系统提供足够的氨气，以保证SCR还原反应的进行。

图1 尿素制氨系统工艺图

尿素颗粒溶解系统设置尿素溶解罐，溶解罐公称容量为59 m3，溶解罐由304L不锈钢制造，室内布置，罐体保温。在溶解罐中，用除盐水和干尿素配置制成50%的尿素溶液。除盐水来自公用除盐水系统或尿素车间的疏水箱；人工拆袋后的尿素颗粒经过电动葫芦进行提升进入溶解罐，或由尿素颗粒输送罐车运至现场，采用气力输送进入尿素溶解罐。当尿素溶液温度过低时，蒸汽加热系统启动，通过罐下部加热盘管给溶液加热，防止溶液内的尿素结晶。为了使尿素溶液混合更充分，溶解泵将尿素输送到溶解罐的四周，箱内有流量计和液位计。混合泵循环管道上设置密度计，用以判断尿素溶液浓度，罐内设置有搅拌器，配置溶液时可加速溶解过程。设置4台尿素溶液溶解泵，每台溶解罐对应两台溶解泵，一运一备。尿素在溶解罐中溶解时，利用溶解泵和循环管道将尿素溶液打循环，以获得好的溶解和混合效果。等溶液达到目标值后，溶解泵会将尿素输送到专门盛放溶液箱内储存。

尿素水解反应系统设置尿素水解器模块，水解器模块设计氨气出力为650 kg/h，并配套尿素溶液制备、输送及公用蒸汽系统、疏水系统及废水等系统。超过浓度1/2的溶液打到水解反应器内，与进入罐内的蒸汽混合，产生的冷凝水通过废水箱、废水泵收集。当浓度、压力、温度达到定值时，水解反应器内尿素就会发生水解，产生氨气混合气并通过管道和阀门送入电厂脱硝系统脱硝。

2 尿素水解DCS控制逻辑

2.1 控制说明

脱硝系统尿素水解部分采用DCS控制。尿素区DCS系统硬件设备由1台工程师站、1台操作员站、1台A3/A4彩色激光打印机、两面控制柜，以及一面DCS网络电源柜组成，软件与脱硝系统DCS保持一致。

脱硝系统采用集中监控方式，需脱硝控制系统上进行修改，包括DAS系统、顺控控制和自动调节，硬件通过远程I/O与脱硝DCS系统网路相连，运行人员在集控室可通过操作员站对尿素水解器系统完成启停、参数调整、故障处理等，不需工作人员到现场操作，自动化程度很高。在操作员运行画面，水解系统共有8种状态，分别是：停止、启动、填料、预热、准备喷氨、喷氨、正常停车、紧急停车。控制系统显示屏上必须有以下按钮，可供操作员对水解器的逻辑进行控制，如表1所示。

表1 DCS画面水解器操作按钮

水解器控制系统逻辑的设计可用操作中的两个控制模式：自动和半自动模式。通过控制系统显示屏上的按钮选择不同的控制模式，水解器可以在任何一种模式下独立启动和运行。

在自动控制操作模式下，当操作员按下启动按钮，控制系统在没有操作员介入的状况下使水解系统自动完成直至准备喷氨状态并保持此状态，当屏幕显示允许喷氨，且接收到控制器的喷氨许可指令，操作员按下喷氨按钮，使水解器进入喷氨状态，每个运行的状态都会在控制系统显示屏上显示。

在半自动控制操作下，每个状态结束时水解器会暂停。操作员必须按下控制显示器系统上的按钮，推进逻辑进入下一逻辑状态。例如，在半自动模式下，如果满足所有许可指令，操作员点击启动系统将进入启动状态；然而，操作员必须按下填料按钮，系统才能进入填料状态。当屏幕显示填料状态完成时会暂停，直到操作员按下预热按钮，才能进入预热状态。加热周期持续大约40 min，当屏幕显示预热状态完成，随后系统自动进入准备喷氨状态并保持此状态，当屏幕显示允许喷氨，且接收到控制器的喷氨许可指令，操作员按下喷氨按钮，使水解器进入喷氨状态。在喷氨状态下，操作员可以按下喷氨-准备喷氨按钮，系统将进入准备喷氨状态。若要使水解器停止，操作员可以按下正常停车按钮进行正常关机，或者是按下紧急停车按钮进行紧急停机。当超出某些特定的临界安全极限时，紧急停车将自动启动。在手动模式下只要特定设备在当前状态下运行条件得到充分满足，水解器系统中所有的阀门随时可以通过手动调节开始运行。

当出现系统故障，正常停车或紧急停车状态被激活时，正在运行的状态会被中断。当启动这两种关机程序的任何一种时，系统转换为启动关机状态，然后在水解器冷却后或者减压后变为停止状态。

2.2 控制策略

尿素水解系统的DCS控制策略[6]包括水解器的液位控制、温控和压力控制、氨气混合气控制，以及重要设备及参数的连锁保护控制，控制策略的主要目的是使运行参数在设定的范围内，当超过范围时，连锁保护动作，保护设备的安全稳定运行。

水解反应器液位控制用的是PID单回路[7]控制系统,根据水解器液位自动调节尿素溶液进口调阀，将水解器液位维持在正常工作范围内，控制液位为水解器目标液位。尿素水解系统启动时，控制水解反应器内的温度，当启动完成后，转为正常运行喷氨状态下，主要控制水解反应器内的压力。

水解器的温度与压力控制（如图2）在达到一定的条件下自动切换。氨气混合气的输出量的多少是根据脱硝A/B侧出口NOX设定浓度来决定的，供氨调节阀控制着水解反应器产生氨气的流量，随着氨气需求量的大小而变化，及时跟踪，有效控制。

图2 DCS水解器压力/温度控制SAMA图

当水解器的参数数据超过正常值时，就需要自动控制系统采取相应的保护措施，保护人身和设备的安全不受侵害。在液位、温度及压力连锁保护中，其中压力的保护是水解反应器最重要的保护，因此控制系统采取了双冗余保护。当压力超过正常值的一半以上时，需将氨气打入废水箱内降压；当压力达到一定程度，接近设计值时，安全阀动作泄压。如水解器安全阀泄压至车间地坑管道无流量开关，在检测到水解器安全阀压力开关闭合时或水解器压力≥安全阀起跳压力时，需联锁打开地坑喷淋阀，直至现场确认泄压完成且安全后，再手动关闭地坑喷淋阀。

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进行，加入质量分数为50%的除盐水和同样比例浓度的尿素，直到水解器内液面高度超过设定值。添加尿素完成后系统会进入到准备加热，若系统是预备喷氨，水解器控制系统会将储罐内的压力控制在0.5 MPa以下，为保持压力定值，这时温度值没有特别要求，可以设定任何数值。

3 结语

利用尿素水解的方法制氨气工艺，技术先进可靠，满足环境保护的技术要求，系统简单，维护方便，与液氨法作为还原剂相比，原材料在运输、储藏、使用过程中更加安全，消除了电厂氨站重大危险源，能满足不同锅炉负荷及脱硝效率的要求，是现在比较适合电厂脱硝的一种还原剂。尿素水解制氨是一个化学反应过程，要求控制系统稳定，自动化程度高。DCS比PLC[8]更稳定，有更多的I/O点，能采集更多的仪表或阀门信号，进行显示、操作及逻辑运算。在尿素制氨系统中，有很多重要设备能实现自动控制，准确性很高，这是由于DCS系统有PID调节器的原因，调节器将给定值与反馈值做差，通过比例、积分、微分的作用，能够实现闭环控制，提高了现场设备的自动化水平和程度，最大限度地减少了人工操作，节省了人力和时间，能有效地避免人员误操作所引起的设备跳闸、环保超标、设备损坏等不利影响。