四平热电公司烟气脱硝自动控制系统.doc

四平热电公司烟气脱硝自动 控制保护系统的探索及应用
杨洪梅1 王强2 薛辉 2 赵彦春2
1.中电投吉电股份公司，吉林 长春 130021； 2. 吉电股份四平热电分公司，吉林 四平 136001
摘要： 介绍了中电投吉电股份四平热电分公司二期1X350MW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。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，取得了一定的成果，初步实现了脱销系统从氨气制备到SCR反应器的主要部位的自动化控制，节约了能源消耗，减轻了操作人员的劳动强度。
关键词：四平热电；脱销；SCR；自动控制、保护；故障处理

四平热电公司二期350MW机组的烟气脱硝采用SCR，以氨（NH3）作为还原剂将烟道中的ＮＯX分解为无害的N2和H2O，为干法脱硝。
烟气脱硝装置主要由氮氧化物脱除剂制备系统和SCR反应器组成。通过向反应器内喷入NH3，将ＮＯX还原为氮气。此还原反应对温度较为敏感，故还需加入催化剂增强反应活性，以满足反应的温度要求。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 液氨制备区工艺
我厂SCR脱销装置采用的还原剂为液
氨（纯度99.5%），设计有两套制氨系统（一套备用），主要设备有卸氨压缩机、液氨储存罐、液氨输送泵、液氨蒸发器、液氨缓冲罐、废水泵、废水池等设备。

图一 液氨储存及蒸发系统
蒸发器采用加热功率：120kW，蒸发能力：280kg/h的电加热器进行加热，液态氨进入蒸发器受热蒸发到50℃后经缓冲罐送入锅炉SCR脱销装置；氨气紧急排放系统将氨气经水吸收排入废水池内，由废水池送至废水处理厂。经过启、停废水泵来控制废水池液位。

1.2 SCR脱硝反应器装置原理
脱硝装置的烟道及反应器位于锅炉省
煤器后空预器前，氨喷射格栅放置在SCR反应器上游的位置。烟气在锅炉出口处被平均分成两路，每路烟气并行进入一个垂直布置的SCR反应器里，即每台炉配有两个反应器，在反应器里烟气自下流过均流板、催化剂层，随后进入回转式空气预热器、静电除尘器、引风机和FGD，最后通过烟囱排入大气。

图二 SCR脱硝反应器系统图
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℃。
2液氨制备区主要保护及自动调节系统
2.1 液氨制备区自动调节系统
我厂液氨制备区主要设有液氨蒸发器
压力自动调节、液氨蒸发器温度自动调节两套自动调节系统。
2.1.1 液氨蒸发器压力自动调节系统
液氨蒸发器压力调节系统为单回路
调节系统，通过调整液氨蒸发器进口调节阀开度将蒸发器出口压力控制在设定的范围内，并设有自动、手动切换功能。
当蒸发器出口压力高于0.5MPa时关闭液氨蒸发器进口阀和进口调节阀
图二 液氨蒸发器压力调节
2.1.2 液氨蒸发器温度调节系统
液氨蒸发器温度调节系统为单回路
调节系统，通过控制电加热器的启停将液氨蒸发器出口温度控制在设定的范围内。
设有液氨蒸发器保护，当蒸发器内温度达到90℃时联跳液氨蒸发器电热器。

图三 液氨蒸发器温度调节
在实际投入运行后，多次出现液氨蒸发器温度瞬间失灵（-100℃），PLC的AI、DO模块死机，造成电加热器无法远控停运，温度持续升高，最后不得不拉开电热器电源。对此问题，我厂组织经过多次研究实验，发现是由于液氨蒸发器温控仪安装在就地蒸发器电气配电箱内，受AC380V强电干扰较大，使PLC模块的强电干扰保护动作死机。解决办法：将温控仪移位，远离强电干扰；并在信号进入PLC前加装隔离栅。
2.2 液氨制备区保护系统
2.2.1 液氨卧式储存罐保护系统
由于液氨属有毒物质，且液氨的熔点为-70℃，常压下沸点为-33.4℃，且随着压力的升高沸点升高；因此我厂液氨储存罐采用了压力、温度双重保护，当储存罐压力高于1.5MPa(三取二)或储存罐温度高于39℃时启动喷淋系统冷却水进口阀来降低储存罐内的压力温度。
因为当夜氨蒸气和空气的比例在16%~ 25%之间时有爆炸的危险，所以我厂在液氨制备区装有氨气漏泄检测仪，当氨气漏泄率达到25ppm时，启动淋系统冷却水进口阀利用氨气易被水吸收的特性来稀释罐内氨气。

储存罐温度
储存罐区漏泄率
储存罐压力1
储存罐压力1
储存罐压力1
三取中
喷淋系统冷却水进口阀

图五 液氨罐保护框图

2.1.3 卸氨压缩机保护系统
当压缩机组几口压力大于1.4MPa，压缩机组出口压力大于2MPa，压缩机组出口温度大于100℃，以上三个条件有一个成立时停止压缩机组进氨。
压缩机组进口压力
压缩机组出口压力
压缩机组出口温度
压缩机组

图六 卸氨压缩机组保护框图

3.SCR脱硝反应器主要保护及自动调
节系统
3.1 脱硝出口ＮＯｘ的自动调节系统
3.1.1 原脱销自动调节系统
新机组刚投产时喷氨自动我们采用以效率作为设定值通过调节阀开度变化调节喷氨量，改变出口ＮＯx浓度；并将进氨调节阀限制在30%~ 60%范围内调节；此种调节方式在负荷比较稳定时，自动投入情况能够满足SCR反应器运行的要求，但当负荷一旦变化时，由于出入口NOx都将随之大幅度变化，因此调节系统扰动较大无法投入正常运行。
3.1.2 现脱销自动调节系统调节系统的基本原理：
SCR烟气脱硝反应器的自动控制系统是通过反馈控制提供氨量，保持出口ＮＯX值在设定范围内；烟气进口ＮＯX浓度和烟气流量的乘积得到基本的ＮＯX含量，再乘以NH3/ＮＯX摩尔比（取决于脱销效率）便可得到氨气需求量；根据脱销反应方程式，理论上1摩尔NH3与1摩尔ＮＯX进行反应，假定所有氨均参与反应则NH3/ＮＯX摩尔比等于脱销效率除以100；同时利用实际出口ＮＯX浓度对NH3/ＮＯX摩尔比加以修正（对氨气需求量的修正）并参与控制，最终得到氨气流量的设定值。SCR控制系统根据计算得出的氨气需求量信号通过控制氨气进口阀调节阀开度，实现脱硝自动控制（如图七）。
由图七可见，氨气流量控制是设定值随动的单回路控制系统。氨气流量通过其压力和温度进行密度修正后作为单回路PID控制的PV值。氨气流量设定值为：
ＮＯX=单侧烟气量×单侧SCR入口ＮＯX浓度
脱硝效率=[入口ＮＯX-出口ＮＯX设定值（未投入自动跟踪实际值）]/入口ＮＯX×100%
NH3/ＮＯX摩尔比=脱硝效率

氨气流量
进口NOx
烟气流量
出口NOx
负荷
出口NOx设定
X
∑
/
X

∑

∑
∑

X
∑
/
PID
∑
X
∑
∑
PID
负荷设定
图七A SCＲ反应器自动
调节系统框图

图七B SCＲ反应器自动调节系统图
针对SCR入口NOx随着负荷的变化而变化的情况，我们对历史趋势进行了研究统计，发现当负荷降低的时候入口NＯx升高，当负荷升高的时候入口NＯx降低；基于此种情况我们加装了负荷前馈调节。

图八　负荷与入口ＮＯｘ的关系
氨气流量设定值SP= ＮＯX物量×NH3/ＮＯX摩尔比+负荷前馈
氨气流量控制引入了负荷设定和实际负荷偏差前馈，进一步增强了变负荷控制系统调节的及时性。将氨气流量PID控制器的比例积分作用参数随负荷变化而变化，整定不同负荷下的参数，增强了氨气流量变负荷时自动控制的稳定性。
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。
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。
3.1.3 脱销自动系统投入后易发生的故障
3.1.3.1脱销出入口NOx分析仪易发生故障
我厂分析仪采用北京雪迪龙公司生产的SCS900烟气连续监测系统，主机为西门子ULTRAMAT气体分析仪，能同事测量NOx和O2.此种分析仪是将烟气抽出后经取样管路送入主机进行分析显示。
A、 仪堵塞故障
由于分析仪取样探头和取样管路口径和取样管路相对烟道来说较细，取样管路为内径6mm的耐腐蚀管，因此极易发生因管路或探头堵塞造成分析仪指示失灵的缺陷。
我厂发生的较为严重的一次堵塞是因2012年春节期间，因喷氨量较大，喷如烟道的温度较低，造成取样探头堵塞，分析仪指示失灵。
解决措施：定期对取样管路和探头进行手动吹扫和清灰。
B、 仪进水故障
室外环境温度低或加热温度低时，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：改造分析仪干燥冷却系统，加装滤干锅和硅胶干燥剂；定期排除取样管路中凝结的水汽。
C、喷氨量测量一次元件易堵塞
我厂所用的喷氨量测量一次元件为V锥式流量计，此种流量计的原理是，通过测量V锥前后差压来测量氨量，如图九所示，当来氨温度较低时会使氨气成液态趋势，造成在V锥顶端淤积堵塞。

图九 V锥测量原理图
解决措施：严格控制来氨温度，加强运行巡视，密切监视喷氨压力、流量变化。
3.2 SCR保护系统
3.2.1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：
1）锅炉MFT；
2）氨气稀释风机出口流量<4000Nm3/h；
3）SCR反应器入口烟气温度>427℃(三取二)；
4）SCR反应器入口烟气温度<325℃(三取二)；
5）SCR反应器第2层催化剂温度<325℃(二取一)；
6）SCR反应器第2层催化剂温度连续8小时<330℃(二取一)（脉冲信号）；
7）SCR反应器进出口压差大于0.8KPa；
8）空气加热器出口温度<100℃；
9）空气加热器出口温度>180℃；
10）氨气/热空气混合器区域气体泄露含量检测大于50ppm；
11）SCR反应器喷氨进口差压小于0.4kPa；
12）#1氨气稀释风机和#2氨气稀释风机均跳闸（停止），延时20秒；
13）SCR反应器出口烟气NH3浓度大于3ppm；
14）空预器跳闸；
15）引风机跳闸；
16）送风机跳闸。
3.2.3 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 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）空气加热器出口温度大于100℃；
2）氨气稀释风机出口流量大于4000 Nm3/h；
3）SCR反应器出口烟气温度<420℃(三取二)；
4）SCR反应器出口烟气温度>325℃(三取二)；
5）#1氨气稀释风机运行且出口阀开或； #2氨气稀释风机运行且出口阀开。
结束语：
通过一年来的摸索实践四平热电公司SCR脱硝控制系统取得了一定的成果，初步实现了脱销系统从氨气制备到SCR反应器的主要部位的自动化控制，节约了能源消耗，减轻了操作人员的劳动强度。
致谢
感谢一下文献的作者对本文撰写的支持，感谢中电投吉电股份公司四平热电分公司在烟气脱硝自动控制及保护系统的调试过程中给予的大力支持。
参 考 文 献
[1] 中国电力投资集团公司，中国燃煤电站脱硫和脱硝技术现状与发展〔C〕。2004年学术年会暨中国电机工程学会电力分会论文集。
[2] 蔡小峰 烟气脱硝技术及其应用 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。
[5]李峰，王立，高福春，SCR烟气脱硝自动控制系统及其在国华三河电厂的应用。
收稿日期：2012年6月26日
作者简介：
薛 辉（1976-），男，籍贯：吉林省白山市，学历：本科，职称：高级工程师。
王 强（1972-11），男，籍贯：吉林省四平市，学历：本科，职称：工程师。
杨洪梅（1976-1），女，籍贯：吉林省磐石市，学历：本科，职称：工程师。
赵彦春（1979-1），女，籍贯：吉林省四平市，学历：大专，职称：助理工程师。