某球团脱硝控制系统实践
发布时间：2021-09-24
摘要：某球团脱硝系统控制系统通过杭州和利时DCS控制系统，实现项目脱硝系统安全平稳，高效节能控制。
关键词：球团脱硝;控制;DCS;反应器
0前言
某球团采用选择性催化还原反应(SCR)脱硝。布置一台SCR反应器，烟气从干法脱硫引风机引出，通过SCR反应器进行脱硝反应，再进入烟囱排放。整套脱硝装置主要由SCR反应区和氨站区两个区域组成。
1脱硝系统工艺流场
球团主机→机头除尘器→主抽风机→流化床吸收塔→布袋除尘器→脱硫引风机→GGH换热器→烟气加热系统→喷氨系统→SCR脱硝装置→GGH换热器→脱硝引风机→烟囱排放。
2项目主要系统介绍
2.1SCR反应区
球团布置一台SCR反应器，烟气从锅炉省煤器后烟道引出通过SCR反应器进行脱硝反应，再送回空气预热器前烟道。SCR反应区工艺系统主要由烟气系统、GGH系统、热风炉系统、增压风机、SCR反应器本体、氨水蒸发系统、氨喷射系统、声波吹灰系统组成。
2.1.1SCR反应区系统的物流流向
(1)原烟气：来自干法脱硫引风机烟气→SCR系统入口→GGH→热风炉→喷氨格栅→导流板→整流装置→催化剂层;
(2)净烟气：催化剂层→GGH→增压风机→烟囱;
(3)氨：氨水储罐→氨水蒸发器→喷氨格栅→SCR反应器;
(4)压缩空气：压缩空气储罐→氨水蒸发器。
2.1.2烟气系统
烟气系统是指从干法脱硫引风机出口至GGH原烟气入口、GGH原烟气出口至热风炉混合器、混合器至SCR反应器本体入口、SCR反应器本体出口至GGH净烟气入口、GGH净烟气出口至增压风机入口、增压风机出口至烟囱之间的连接烟道，包括导流板、烟道支吊架、人孔门、膨胀节等部件。
2.1.3SCR反应器
SCR反应器是烟气中含有NOX的原烟气与NH3混合后，通过催化剂的区域产生反应的区间。SCR反应器内装有蜂窝状催化剂，混合好的烟气与氨气进入反应器后在催化剂的作用下烟气中的NOX与氨气进行氧化还原反应，生成氮气和水，达到脱硝的目的[1]。
2.1.4声波吹灰系统
声波吹灰系统是可以清楚催化剂表面积灰，防止杜塞催化剂堵塞。反应器每层布置8个吹灰器，使用杂用压缩空气进行吹扫，压力约为0.6MPa，每个喇叭的耗量约为2.36立方米/分钟，12秒钟为一个运行周期，每个喇叭每次运行需要0.35立方米的压缩空气。每次最多2个喇叭在同一时间运行。为了防止压缩空气压力波动，在压缩空气总管上设置了缓冲罐[1]。
2.1.5氨喷射系统
氨喷射系统主要指用于氨气均匀喷射，本项目布置两层喷氨格栅，由DN100的304不锈钢管道及喷嘴组成，格栅上进行喷雾，氨/空气混合气体通过喷嘴喷入烟道内，与烟气混合[1]。
2.1.6氨蒸发系统
增发系统设置1台氨水蒸发器、2台稀释风机、2台烟气增压风机、一台烟/空换热器。氨水蒸发器用于稀释风蒸发，蒸发20%氨水并将氨气稀释至5%以下，烟/空换热器用于高温烟气与稀释风换热，烟气增压风机用于烟/空换热器高温烟气增压，稀释风机用于稀释风供应。
2.1.7GGH系统
GGH系统设置1台GGH换热器，2台低泄漏风机。低泄漏风机用于GGH原/净烟气密封，保证GGH泄漏率<1.5%。GGH用于原/净烟气换热，GGH换热器原烟气侧的入口温度75-85℃，净烟气的入口温度250℃时，原烟气出口温度大于225±1℃;净烟气的入口温度按250℃设计，净烟气出口115℃。
2.1.8加热炉系统
加热炉系统设置1台高炉煤气燃烧炉，1个热风均布器。高炉煤气燃烧器用于原烟气补燃加热，高炉煤气在烟气加热炉炉膛内燃烧，燃烧后的高温烟气进入烟道与工艺烟气225℃充分混合，至250℃后进入脱硝设备;烟气加热炉采用耐火隔热材料制作，保证烟气加热炉外壁温度不高于60℃。热风均布器用于热风炉出口高温烟气与低温原烟气之间均匀混合，均布器采用Q235b+陶瓷纤维内衬组合，保证高温烟气≤850℃情况下，均布器外壁温度≤65℃。
2.1.9增压风机系统
增压风机系统设置1台动叶可调增压风机。增压风机设计风量1100000m3/h，全压3600Pa，电机额定功率1400kW，用于克服整套脱硝系统烟气运行阻力。
2.2氨水储运系统
氨水储运系统的主要功能是向SCR系统提供足够的氨源，以保证SCR反应的进行。主要包括氨水卸料与储存系统、氨水输送系统、计量分配系统、废水排放系统。SCR脱硝系统采用的还原剂是20%氨水，安全性好。
2.2.1氨水的卸料与存储系统
氨水的供应由氨水槽车运送，利用卸氨泵将槽车的氨水输送至氨水储罐中。它主要包括以下设备：1)卸氨泵(2台)，2)氨水储罐(2个)。
2.2.2氨水输送系统
利用氨水输送泵将氨水从储罐稳定输送至计量分配模块入口。它主要包括以下设备：1)氨水输送泵(2台，变频)。
2.2.3废水排放系统
氨区设置废水地坑及排放系统，主要用于事故状态下将缓存池及地坑中事故氨水排放。它主要包括以下设备：1)废水池(1座)，2)废水泵(1台)。
2.2.4氮气吹扫系统
在卸料压缩机、储氨罐、氨气蒸发槽、氨气缓冲槽等设备停运时，对管线用氮气进行吹扫，防止管道中残留的氨气泄漏和系统中残余的空气混合物造成危险。
2.3热控系统
2.3.1热工控制系统概述
本工程的烟气脱硝控制系统是以DCS控制系统为核心，脱硝系统采用1套SCR-DCS进行监视和控制。SCR-DCS按照功能分散和物理分散相结合的原则设计。
运行人员在机组控制室内通过脱硝DCS操作员站对脱硝系统进行启/停控制、正常运行的监视和调整以及异常与事故工况的处理。
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脱硝DCS控制系统的监控范围包括SCR岛内所有控制系统，并按工艺要求划分为以下部分：脱硝装置;脱硝电气系统，具体以电气部分相关要求为准;烟气检测、成分分析、氨量控制等;脱硝DCS柜布置在脱硫电子设备间。
2.3.2SCR_DCS概述
本工程的SCR_DCS采用的是和利时(KM系列)产品;
(1)本工程脱硝系统设一对双机热备DPU，该SCR_DCS按照功能分散和物理分散相结合的原则设计。SCR_DCS的功能包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)等。
(2)系统设计
控制设备选择不当，将直接影响整个系统的安全、稳定和可靠的运行。本技术方案在选择系统控制设备时，充分考虑了其先进性、兼容性、可靠性、易操作性及易维护性。保证提供的是全新的、成熟的、技术先进且能使SCR-DCS系统安全可靠运行的设备。控制系统采用双回路供电。
(3)系统冗余
该系统配置的控制系统具有多种冗余、容错措施，控制系统电源冗余、隔离设计，DCS系统的DPU冗余、通讯冗余、使系统具有极高的可靠性，保证控制系统长期稳定地运行。
(4)安全性能
所有控制器机柜和I/O机柜均设置供电缆屏蔽层接地用的专用接地铜排。采用DCS系统机柜侧单点接地，SCR_DCS的I/O模件现场信号在开关量输出时采取中间继电器隔离，在开关量输入采用强电保护电路，有强电自动保护，强电消失，自动恢复，确保误加250V直流电压或交流峰-峰电压时，不损坏系统，可带电插拔，便于在线更换。
(5)DCS控制器配置
DCS配置：系统双机热备、电源模块冗余、通讯网络冗余。
(6)通讯
通过以太网交换机提供一个与全厂辅助监控网的通讯接口，接口的型式和数量能够满足脱硝对控制系统整体设计方案的要求。提供的系统I/O标签量点为无限点。
2.3.3DCS控制系统
脱硝系统DCS的网络预留网络接口和球团主机DCS网络相连。
3主要设备的控制策略
3.1脱硝引风机
(1)启动允许条件：油温无高报或低报、引风机液压站油压正常，油泵处在运行状态(一号油泵或二号油泵)，无引风机润滑油站风机口供油流量低报警，无引风机润滑油站电机口供油流量低报警，出口挡板门开启，电机轴承温度与线圈温度无报警，无电气故障信号。
(2)顺序控制
(3)跳闸保护，油温大于55℃报警时间大于60min，油温大于60℃，油温小于10℃报警时间大于10min，油压低报警时间大于20min，轴承温度大于90℃，电机线圈温度大于140℃，引风机润滑油站风机口供油流量低报警，引风机润滑油站电机口供油流量低报警。
3.2SCR催化剂吹灰控制
(1)吹灰器顺控允许启动条件：压缩空气罐出口压力不低于0.6MPa。
(2)吹灰器吹扫启动顺控：启动SCR声波吹灰器DCS1→SCR声波吹灰器1#阀开反馈到位→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS2→SCR声波吹灰器2#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS3→SCR声波吹灰器3#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS4→SCR声波吹灰器4#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS5→SCR声波吹灰器5#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS6→SCR声波吹灰器6#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS7→SCR声波吹灰器7#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒→启动SCR声波吹灰器DCS8→SCR声波吹灰器8#阀开反馈信号→延时10秒后关闭，延时t秒，→延时40分钟或SCR反应器催化剂每层上下的压力差大于300Pa时，返回第一步。
上述程序中，延时t秒，其中t暂设定为20秒，根据压缩空气罐压力变化情况，人工调整，保证压缩空气罐压力不低于0.6MPa运行完整个吹灰程序，吹灰周期暂定40分钟，根据SCR反应器催化剂每层上下的压力差变化情况进行调整。
3.3GGH控制
(1)顶部低泄漏风机启动允许条件：无电气故障信号、远程控制模式、无轴承温度报警;底部低泄漏风机启动允许条件：无电气故障信号、远程控制模式、无轴承温度报警。
GGH主/备用驱动电机变频器：1)启动允许条件：无电气故障信号、远程控制模式、变频器处在选择启动状态。2)联锁启动：A.速度传感器故障或失速报警，延时3秒，停止当前运行的变频器，延时5秒启动备用变频器;B.变频器故障报警，延时3秒，停止当前运行的变频器，延时5秒启动备用变频器。
(2)吹灰系统：1)底部吹灰器启动允许条件：无电气故障信号、吹灰器在原位信号、压力无高报和低报;2)顶部吹灰器启动允许条件：无电气故障信号、吹灰器在原位信号、压力无高报和低报。
(3)顺序控制：启动吹灰控制程序→底部吹灰器启动→底部吹灰器吹灰枪前进至返回限位开关→吹灰停留60s→退步25mm→吹灰停留60s→直至吹底部灰电机停止→延时5s→顶部吹灰器启动→顶部吹灰器吹灰枪前进至返回限位开关→吹灰停留60s→退步25mm→吹灰停留60s→直至吹顶部灰电机停止→启动吹灰控制程序结束→延时8小时→返回第一步。
3.4SCR喷氨控制
3.4.1氨水卸载泵(A/B)
启动允许条件：无电气故障信号，远程控制模式。
3.4.2氨水输送泵(A/B)
(1)启动允许条件：无电气故障信号，远程控制模式，氨水储罐液位无低低报警;
(2)联锁启动：当前运行的氨水输送泵跳闸或故障时，立即启动另一台氨水输送泵;
(3)保护跳闸：氨水储罐1液位低低报警&氨水储罐2液位低低报警。
3.4.3稀释风机(A/B)
(1)启动允许条件：无电气故障信号，远程控制模式。
(2)联锁启动：A.当前稀释风机跳闸或故障时，立即启动另一台稀释风机。B.氨水蒸发器入口总管空气流量或压力低低报时，立即启动另一台稀释风机。
3.4.4调控部分
(1)增压风机入口挡板门温度调节：氨水蒸发器出口总管温度根据增压风机入口挡板门开度调节，当氨水蒸发器出口总管温度低于设定值时，增大挡板门开度，当氨水蒸发器出口总管温度高于设定值时，减小挡板门开度，当增压风机入口流量达到最小流量时，阀门开度不再减小。烟气增压风机入口电动调节阀(单回路控制)，测量值PV：氨水蒸发器出口稀释风温度，设定值SP：手动设定。
(2)氨水电动调节阀：测量值PV：反应器出口NOX的浓度;设定值SP：操作人员选择手动设定SP或自动设定SP;手动设定：手动设定SP;自动设定：根据氨气的需求量来确定SP。
3.5热风炉控制
(1)启动顺序：DCS发送热风炉中控允许指令→热风炉PLC反馈允许启动→DCS发送热风炉远程启动指令→热风炉PLC顺序启动热风炉。
(2)停止顺序：DCS发送热风炉远程停止指令→热风炉PLC顺序停止热风炉→热风炉PLC允许启动信号消失。
4结束语
经过一系列的控制措施，实现脱硝系统安稳运行，性能得到了明显提高，脱硝出口NOx浓度达标排放，为节能减排、机组安全、稳定、经济运行奠定基础。由于脱硝系统与环保，节能减排密切相关，因此脱硝系统的优化还须继续完善和跟踪。——论文作者：魏兵
