脫硝自動化控制系統(tǒng)解決方案
1、概述
NOX的危害:各種污染源產(chǎn)生的氮氧貨物中,絕大部分為NO,其毒性不是很大,但是NO在大氣中可以氧化生成NO2.NO2比較穩(wěn)定,其毒性是NO的4−5倍?諝庵NO2的含量在3.5×10-8(體積分數(shù))持續(xù)1h,就開始對人體有影響;含量為(20−50)×10-8時,對人眼有剌激作用;當含量達到150×10-8時,對人體器官產(chǎn)生強烈剌激作用。此外,NOX 還參與光化學煙霧和酸雨的形成。
我國燃煤電廠NOX的排放:電力行業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)行業(yè),隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國電力需求不斷增長,大容量高參數(shù)的300MW及以上火電機組正成為電力工業(yè)的主力機組,火電廠氮氧貨物排放總量日益增加。我國電力結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主,火電廠燃煤量占全國煤炭消耗總量50%左右,這個比例今后還將不斷增加,其燃煤產(chǎn)生的 大氣污染物也將持續(xù)增長。2004年全國NOX排放總量達到1600萬噸左右,電力行業(yè)排放量約占一半。
DCS集散控制系統(tǒng)具有可靠性高、系統(tǒng)開放、功能強大、維護簡單等眾多優(yōu)點,能夠?qū)?/span>SCR脫硝提供高效優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控,提高控制的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性,提高脫硝的效率,更好的滿足國家對氣體排放的要求。
2、系統(tǒng)原理
脫硝原理采用選擇性催化還原方法,該反應發(fā)生在裝有催化劑的反應器里,煙氣與噴入的氨在催化劑的作用下反應,實現(xiàn)脫出氮氧化合物。煙氣中的氮氧化合物通常由95%的NO和5%的NO2組成,它們通過以下反應轉(zhuǎn)化成水和氮氣。
4NO+4 NH3+ O2->4N2+6 H2O
4NH3+2NO2+O2->3N2+6H2O
NO2+NO+2NH3->2N2 +3 H2O
NOX的轉(zhuǎn)化率由如下公式表示:
ηNox —— 脫硝效率%
NOxin —— 反應器進口NOx濃度
NOxout —— 反應器出口NOx濃度
3、工藝簡介
脫銷裝置主要由兩個系統(tǒng)組成,一個是SCR系統(tǒng),另一個是還原劑供應系統(tǒng),即氨供應系統(tǒng)。SCR子系統(tǒng)的主要設(shè)備位于SCR區(qū)域,即鍋爐尾部區(qū)域。氨供應系統(tǒng)制備的氣態(tài)氨經(jīng)沿廠區(qū)管架的氣態(tài)氨管道送入位于SCR區(qū)域的氨/空氣混合器與稀釋空氣混合后,由AIG系統(tǒng)注入到SCR入口煙道中。
3.1 SCR系統(tǒng)
煙氣在鍋爐出口煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里,在反應器里煙氣向下流過均流器、催化劑層,隨后進入回轉(zhuǎn)式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和FGD,最后通過煙囪排入大氣。
SCR 系統(tǒng)包括:煙氣系統(tǒng)、觸媒吹掃系統(tǒng)。煙氣系統(tǒng)主要包括稀釋風機、氨/空氣混合器,氨流量控制閥,噴氨關(guān)斷閥,噴氨格柵等。氣態(tài)氨來自公用系統(tǒng)氨制備區(qū),與稀釋風機提供的空氣按照一定的體積比例通過氨/空氣混合器混合后經(jīng)過噴氨格柵注入反應器,為脫硝工藝系統(tǒng)提供還原劑。噴氨格柵包括噴氨母管、噴氨支管,每根支管上裝有手動流量調(diào)節(jié)裝置,其作用為粗調(diào)進口煙道截面上的噴氨濃度分布。噴氨檢測裝置為每個反應器一套,主要有1 個噴氨流量控制閥和1 個噴氨關(guān)斷閥組成,用于控制系統(tǒng)的噴氨量。觸媒吹掃系統(tǒng)主要包括觸媒、蒸汽吹灰器。觸媒采用蜂窩式催化劑,主要活性成分為TiO2和V2O5,少量的WO3。本工程催化劑層按2+1層,即2層催化劑設(shè)計層加1層催化劑預留層,每層設(shè)置3 臺吹灰器。
耙式吹灰器裝在每個催化劑層的上方,采用過熱蒸汽吹灰,吹掉催化劑上的積灰。吹灰器的啟動根據(jù)反應器催化劑層的阻力由脫銷DCS進行控制。
氣態(tài)氨與被加熱后的稀釋空氣在混合器AIG系統(tǒng)稀釋后,經(jīng)氨注射柵格注入SCR反應器入口前的煙道中。完整的氨噴射系統(tǒng),保證氨氣和煙氣混合均勻,噴射系統(tǒng)設(shè)置手動閥和孔板流量系統(tǒng)用于在調(diào)試運行期間進行調(diào)節(jié),使每個噴嘴的氨流量達到運行要求,一旦調(diào)好則固定不變。
3.2 氨供應系統(tǒng)
液氨用罐車運到現(xiàn)場,通過氨卸載裝置卸載到液氨貯罐中。貯罐中的液氨送到蒸發(fā)器中蒸發(fā)產(chǎn)生氣態(tài)氨。氨卸載壓縮機抽取氨貯罐中的氨氣,經(jīng)壓縮后將槽車的液氨推擠入液氨貯罐中。氨罐設(shè)計有防太陽輻射措施,四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴,當貯罐罐體溫度過高時自動淋水裝置啟動,對罐體自動噴淋減溫;當有微量氨氣泄露時也可啟動自動淋水裝置,對氨氣進行吸收,控制氨氣污染。
蒸發(fā)器出口氨氣管道上裝有壓力控制閥和流量調(diào)節(jié)閥,使進入煙道的氨氣壓力控制在一定范圍內(nèi)。蒸發(fā)器上裝有壓力和溫度測量裝置,并將測量信號反饋到控制系統(tǒng)以控制電加熱器,使加熱介質(zhì)的溫度維持在一定范圍,確保液氨轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。當蒸發(fā)器內(nèi)被加熱的液氨超過最高液位時,系統(tǒng)報警并切斷液氨進料。蒸發(fā)器裝有通風閥。液氨儲存及供應系統(tǒng)周邊設(shè)有氨氣檢測器,以檢測氨氣的泄漏,并顯示大氣中氨的濃度。當檢測器測得大氣中氨濃度過高時,在機組控制室會發(fā)出警報,操作人員采取必要的措施,以防止氨氣泄漏的異常情況發(fā)生。在氨供應區(qū)的儲罐區(qū)域、蒸發(fā)區(qū)域和卸載區(qū)域均布置有氨氣泄漏檢測器。
4、控制策略
脫硝控制系統(tǒng)的硬件和軟件與單元機組DCS系統(tǒng)的硬件和軟件均采用優(yōu)穩(wěn)DCS系列,脫硝工藝系統(tǒng)即SCR系統(tǒng)作為單元機組DCS系統(tǒng)的一個子站分別納入到單元機組DCS系統(tǒng)進行控制,還原劑存儲、制備、供應系統(tǒng)則作為公用DCS系統(tǒng)的一個遠程I/O站納入到公用DCS系統(tǒng)進行控制。公用DCS和單元機組DCS之間通過冗余的光纖通訊連接。運行人員直接通過集控室中單元機組DCS操作員站完成對脫硝系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備的監(jiān)控,氨制備區(qū)的監(jiān)控在公用DCS上實現(xiàn)。
脫銷控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩部分功能,一部分為氨系統(tǒng)的控制,由公用DCS中的一對用于氨制備區(qū)的CP負責實現(xiàn),這部分主要實現(xiàn)氨的卸載,貯罐的轉(zhuǎn)運,提供反應器所需氨蒸汽以及貯罐各工藝參數(shù)的監(jiān)視及事故狀況下的應急處理。其主要的控制對象為氨壓縮機系統(tǒng)、貯罐、污水坑泵、氨蒸發(fā)器、氨卸載控制盤。另一部分為反應器區(qū)的控制,由SCR_DCS負責,每臺爐兩個反應器設(shè)一對CP,由這部分主要實現(xiàn)NOX脫出濃度的控制及反應器各工況的監(jiān)視、吹灰控制,其主要控制對象包括稀釋空氣風機、吹灰器、氨流量控制閥等。
4.1 氨供應系統(tǒng)儀表和控制邏輯
液氨貯罐區(qū)域安裝有氨泄漏檢測儀以探測空氣中的氨系統(tǒng)所泄漏的氨。若檢測儀控測到游離氨,將發(fā)送DI 信號給DCS 系統(tǒng)并觸發(fā)聲光報警并自動打開貯罐水噴淋系統(tǒng)。氨濃度為超高位報警時,DCS 將關(guān)閉整個氨系統(tǒng),停止貯罐向蒸發(fā)器供應液氨。
系統(tǒng)運行中當安裝在貯罐上的測溫熱電阻檢測到貯罐溫度達到38℃時,DCS 將自動打開貯罐水噴淋系統(tǒng),打開水噴淋關(guān)斷閥以冷卻貯罐,當DCS 監(jiān)視到貯罐溫度降到35℃時,操作人員應關(guān)閉貯罐水噴淋系統(tǒng)。當貯罐溫度達到40℃時,DCS 終端屏上將顯示報警。當安裝在貯罐上的壓力變送器檢測到貯罐壓力達到1.8MPa 時,DCS 終端屏上將顯示報警,貯罐壓力達到2MPa時,DCS 終端屏上將顯示報警,操作人員應打開貯罐水噴淋系統(tǒng),打開水噴淋關(guān)斷閥以冷卻貯罐,降低貯罐壓力。
蒸發(fā)器配有檢測熱媒(乙二醇水溶液)液位計,當液位低于300mm(頂部為0 液位)時,DCS 控制終端屏上將報警,并自動關(guān)閉蒸發(fā)器,關(guān)閉相應的電加熱器;當液位高于100mm(頂部為0 液位)時,DCS 控制終端屏上將報警,需要操作人員手動處理,排出多余的熱媒溶液。每個蒸發(fā)器出口裝有液氨液位計,當液位低于50mm 時,DCS 控制終端屏上將報警;當液位高于500mm 時,DCS 控制終端屏上將報警,并自動關(guān)閉蒸發(fā)器。蒸發(fā)器配有檢測熱媒(乙二醇水溶液)熱電阻用于溫度的控制,DCS 通過PID 調(diào)節(jié)自動控制熱媒溫度為60℃。蒸發(fā)器配有熱媒(乙二醇水溶液)溫度開關(guān),用于蒸發(fā)器熱媒的超溫度保護,當溫度高于65℃時,DCS 控制終端屏上將報警,并自動關(guān)閉蒸發(fā)器,關(guān)閉相應的電加熱器。蒸發(fā)器出口氨管道上安裝有檢測氨氣溫度的熱電阻,當溫度低于0℃或高于48℃,DCS 控制終端屏上將報警。操作人員需要檢查蒸發(fā)器熱媒液位和溫度是否正常,并排除故障。蒸發(fā)器出口氨管道上安裝有檢測氨氣壓力的壓力變送器,當壓力分別低于低位(0.3MPaG)、超低位(0.25MPaG)或高于高位(1.4MPaG),DCS 控制終端屏上將報警。每個蒸發(fā)器出口安裝有自力式壓力調(diào)節(jié)閥,以確保供應SCR 的氣態(tài)氨具有恒定的壓力。當蒸發(fā)器投入運行,準備好向SCR 供應氣態(tài)氨后,壓力調(diào)節(jié)管線同時亦準備好向SCR供應氨氣。自力式壓力調(diào)節(jié)閥出口設(shè)有壓力表就地顯示蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力;壓力調(diào)節(jié)閥出口亦設(shè)有壓力開關(guān),當檢測到壓力分別低于低位(0.09MPaG)、或高于高位(0.12MPaG),DCS 控制終端屏上將報警,并自動關(guān)閉蒸發(fā)器的氣態(tài)氨供應即關(guān)閉出口閥。
蒸發(fā)器區(qū)域安裝有兩個氨泄漏檢測儀 以探測空氣中的氨系統(tǒng)所泄漏的氨。若檢測儀控測到游離氨,氨濃度為高位(25ppmv)時,將發(fā)送DI 信號給DCS 系統(tǒng)并觸發(fā)聲光報警并可自動打開貯罐水噴淋系統(tǒng),打開水噴淋關(guān)斷閥。氨濃度為超高位(35ppmv)報警時,DCS 將關(guān)閉所在蒸發(fā)器,停止向SCR 供應氨蒸汽和關(guān)閉整個氨系統(tǒng),關(guān)閉貯罐出口閥門。
稀釋空氣風機向氨/空氣混合器供給空氣,使氣態(tài)氨的濃度低于LEL 值,由于氨氣流量較小,經(jīng)稀釋后也有利于氨注入后在煙道中的均勻分布。本項目氨氣的濃度設(shè)定為5%(V/V)進行控制。當氨與空氣的比列上升到8%時,控制室DCS HMI 顯示屏發(fā)出警報,達到10%時,DCS 自動關(guān)閉氨流量調(diào)節(jié)閥入口的關(guān)斷閥。氨/空氣混合器入口稀釋空氣管道上的流量計檢測到的空氣流量低于設(shè)定的低值,DCS 終端控制屏上報警,三分種后啟動備用風機,如果釋空氣流量降到了設(shè)定的超低值,則關(guān)閉氨供應閥門,停止向SCR 供應氣態(tài)氨。DCS 比較稀釋空氣流量和氨的流量,如果氨的濃度超過8%就報警,如果氨的濃度超過10%,則關(guān)閉氨供應閥門,停止向SCR 供應氣態(tài)氨。
從蒸發(fā)器出口壓力調(diào)節(jié)閥流出的氣態(tài)氨經(jīng)管線分別進入氨流量監(jiān)測段,入口氨氣壓力由分別由壓力表就地指示,流量、溫度和壓力分別由孔板流量計、熱電阻、壓力變送器檢測,這些數(shù)據(jù)由AI 信號輸入DCS。壓力變送器測得的壓力低于70KPaG 時,在DCS HMI 終端的脫硝供氨公用系統(tǒng)屏上產(chǎn)生氨低壓報警,提醒操作人員供氨壓力過低,DCS 亦通過計算模塊對流量計測得的流量提供壓力補償。熱電阻測得的溫度低于-10℃時,在DCS HMI 終端的脫硝供氨公用系統(tǒng)屏上產(chǎn)生氨低溫報警,提醒操作人員需要啟動液氨泵,DCS 亦通過計算模塊對流量計測得的流量提供溫度補償。
進入氨注射柵格氨/空氣混合物中氨濃度設(shè)計為不超過5%。氨氣流量由閉環(huán)控制系統(tǒng)控制,流量計測得的流量經(jīng)溫度和壓力修正。作為工藝控制數(shù)據(jù)進入DCS 的氨氣PI 流量控制器。DCS 根據(jù)SCR 反應器出口的NOX檢測值和設(shè)定值間的差值計算需要增加的氣氨流量,再加上流量計測得的流量與稀釋空氣流量比較和計算氨的濃度,確保沒有超過準許最大氨的濃度設(shè)計值。
如果比較結(jié)果合格,PI 控制器計算閥門控制變量并控制流量調(diào)節(jié)閥的開度。
出現(xiàn)以下條件,氨流量關(guān)斷閥將自動聯(lián)鎖關(guān)閉:
反應器入口溫度>430°C 或<310°C。
反應器出口溫度>430°C 或<310°C。
注入煙道的氨/空氣混合物中的氨濃度超過10%的時間達到5 秒鐘。
氨/空氣混合器入口的稀釋空氣流量小于設(shè)定值超過5 秒鐘
SCR 反應器入口擋板未開啟。
氨系統(tǒng)未準備好供應氣態(tài)氨。
任何氨系統(tǒng)事故報警發(fā)生。
如果氨流量關(guān)斷閥自動聯(lián)鎖關(guān)閉,DCS 將關(guān)閉信號傳給氨流量開斷閥,維持關(guān)閉狀。
4.2 SCR 反應器儀表和控制邏輯
煙道上設(shè)置必要測點用于SCR 反應的監(jiān)測和控制,主要如下:
SCR 入口NOX:每個反應器入口煙道設(shè)置一個NOX測點,用于監(jiān)測SCR 入口NOX濃度。
反應器入口溫度:每個反應器入口煙道設(shè)有溫度測點,用于監(jiān)測SCR 入口溫煙氣溫度。
反應器出口溫度:每個反應器出口煙道設(shè)有溫度測點,用于監(jiān)測SCR 出口溫煙氣溫度。
SCR 出口NOX:每個反應器出口煙道設(shè)置一個NOX測點,用于監(jiān)測SCR 出口NOX濃度。
反應器進出口(催化劑)差壓:每個反應器安裝有催化劑進出口的差壓計。
反應器出口O2 濃度:每個反應器出口設(shè)置一個O2 測點以測量煙氣中的O2 濃度,用于NOX 測量值的修正。
當SCR 入口煙氣溫度大于400℃或小于315℃時,DCS 將在終端屏發(fā)出警報信息;當入口煙氣溫度大于430℃或小于310℃時,DCS 將在終端屏發(fā)出警報信息的同時,自動關(guān)閉SCR 的氨供應,即關(guān)閉相應的氣氨關(guān)斷閥。反應器出口NOX 濃度 <130 ppm超過 15 分鐘的時間,DCS 將在終端屏發(fā)出警報信息;當NOX 濃度 < 100 ppm超過30 秒,DCS 將在終端屏發(fā)出警報信息的同時,自動關(guān)閉SCR 的氨供應,即關(guān)閉相應的氣氨關(guān)斷閥。當催化劑進出口差壓達到設(shè)定值,DCS 將在終端屏發(fā)出警報信息,提醒操作員催化劑需要及時吹灰。每臺機組兩個反應器催化劑吹灰器共用一套蒸汽管道系統(tǒng),吹灰蒸汽汽源引自從鍋爐吹灰蒸汽管道減壓站出口。每一吹灰器帶有一個入口控制閥用于控制蒸汽壓力。每臺機組SCR吹灰系統(tǒng)有一個用于低壓報警的壓力開關(guān)和一個用于高壓報警的壓力開關(guān),用于監(jiān)視到吹灰器的蒸汽壓力,持續(xù)(10 秒)低壓條件將導致當前運行的吹灰器停車和縮回;每臺機組SCR 包括一個溫度計和一個溫度傳感器用于監(jiān)視到吹灰器的蒸汽溫度,低溫條件將導致當前運行的吹灰器停車和縮回;脫硝吹灰系統(tǒng)由SCR DCS 直接進行控制?刂剖也僮鲉T可以通過DCS 的脫硝輔助系。統(tǒng)控制屏啟動和停止吹灰系統(tǒng)或由DCS自動控制吹灰器的啟停。每天對脫硝催化劑進行3 次吹灰或根據(jù)催化劑進出口差壓的設(shè)定值聯(lián)鎖自動啟動吹灰器進行吹灰。
5、控制工程
DCS集散控制系統(tǒng)在SCR脫硝控制系統(tǒng)的應用,硬件配置、網(wǎng)絡架構(gòu)及工藝流程圖。
6、小結(jié)
選擇性催化還原法脫硝(SCR)在使用了DCS集散控制系統(tǒng)之后,能夠改善工人的工作強度,提高脫硝的效率,利用DCS強大集散控制能力,對現(xiàn)場儀表進行協(xié)調(diào)運行。DCS特有的聯(lián)鎖控制也提高了脫硝工段的安全性,DCS集散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也使得生產(chǎn)過程穩(wěn)定易控。
公司近期部分工程業(yè)績:
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江蘇省
南通常安能源有限公司
供熱1×45噸、1×20噸高溫高壓循環(huán)流化鍋爐
環(huán)保
河北省
石家莊熱電二廠
3X220t/h鍋爐脫硫脫硝項目
環(huán)保
河北省
秦皇島宏興實業(yè)有限公司
豎爐脫硫項目
環(huán)保
新疆
羌縣玖圣供熱有限公司
循環(huán)流化床鍋爐及配套建設(shè)燃料供熱項目
環(huán)保
河北省
西安西郊熱電廠
脫硫項目
環(huán)保
河北省
石家莊永泰熱電有限公司
煙氣脫硫系統(tǒng)改造項目
環(huán)保
河北省
石家莊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)熱電煤氣公司
煙氣脫硫系統(tǒng)改造項目
環(huán)保
河北省
興隆縣鵬生熱力有限公司
1X75t/h鍋爐配套及1X12MW發(fā)電機組
環(huán)保
河北省
臨城中聯(lián)福石水泥有限公司
3000t/d熟料水泥生產(chǎn)線及配套9MW余熱發(fā)電工程
環(huán)保
河北省
中電投石家莊新華熱電分公司
4×75t/h+1×220t/h機組煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)改造項目
環(huán)保
湖北省
四川龍蟒集團南漳龍蟒磷制品有限責任公司
7500kw+1500kw余熱發(fā)電工程,余熱回收項目
環(huán)保
內(nèi)蒙古自治區(qū)
內(nèi)蒙古佳輝硅化工有限公司
鍋爐脫硫控制系統(tǒng)
環(huán)保
內(nèi)蒙古自治區(qū)
內(nèi)蒙古大地云天化工有限公司
120萬噸/年緩控釋肥項目熱電裝置(3×75t/h燃煤鍋爐系統(tǒng)+1×12MW汽輪機發(fā)電機組)
環(huán)保
內(nèi)蒙古自治區(qū)
內(nèi)蒙古五原縣宏珠熱電廠
脫硫脫硝控制系統(tǒng)
化工
山西省
山西長治華誠焦化公司
脫硫項目
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