火力電站脫硝氨氣氣動調節閥選型

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    之前介紹化工截止閥在三門峽化工機械應用，現在介紹火力電站脫硝氨氣氣動調節閥選型中國是一個以煤炭為主要能源的國家，煤燃燒所釋放出廢氣中的氮氧化物(NOx)，是造成大氣污染的主要污染源之一。氮氧化物(NOx)引起的環境問題和人體健康的危害主要有以下幾方面：
(1)NOx對人體的致毒作用，主要影響呼吸系統，可引起支氣管炎和肺氣腫等疾??；
(2)NOx對植物的損害；
(3)NOx是形成酸雨、酸霧的主要污染物；
(4)NOx與碳氫化合物可形成光化學煙霧；
(5)NOx參與臭氧層的破壞。
目前，解決環境保護面臨的巨大壓力已是刻不容緩。
本文針對目前火力發電廠zui為普遍使用的SCR（選擇性催化還原法）脫硝技術的的自動化控制領域進行了論述和分析，同時參考國外脫硝方日本三菱、丹麥TOPSOE等技術資料，結合山西陽城電廠、山東黃島電廠、大唐長春第三熱電廠等脫硝項目的設計、施工、調試以及試運的經驗從工程應用角度對脫硝控制系統配置方案、調節原理等進行了探討。
 

二、火力電站脫硝氨氣氣動調節閥選型脫硝技術介紹
 
NOx生產機理
●熱力型?？諝庵械牡獨庠诟邷叵卵趸?，在溫度低于13000C時，幾乎不產生熱力型NOx；
●燃料型。燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成；
●快速型。燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團反應生成。在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5%：
降低NOx排放主要有兩種措施。一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術；二是對生成的NOx進行處理，即煙氣脫硝技術。
在眾多的煙氣脫硝技術中，選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率zui高，其NOx的脫除率可達到80—90%，已成為目前國內外電站脫硝比較成熟的主流技術。
 
1、SCR脫硝技術原理及流程
  SCR技術是還原劑（NH3.尿素）在催化劑作用下，選擇性地與NOx反應生成N2和H20，而不是被02所氧化，故稱為“選擇性"。主要反應如下：
   4NH3+4NO+ 02—} 4N2+6H20
   4NH3+2N02+02—} 6N2+6H20
SCR系統包括催化劑反應室、氨儲運系統、氨噴射系統及相關的測試控制系統。SCR工藝的核心裝置是脫硝反應器，有水平和垂直氣流兩種布置方式。在燃煤鍋爐中，煙氣中的含塵量很高，一般采用垂直氣流方式，如圖1所示。

2、SCR運行中的主要主要影響因素
在SCR系統設計中，zui重要的運行參數是煙氣溫度、煙氣流速、氧氣濃度、S03濃度、水蒸汽濃度、鈍化影響和氨逃逸等。煙氣溫度是選擇催化劑的重要運行參數，催化反應只能

 
三、脫硝控制系統的設置方案
1．脫硝系統控制范圍及自動化水平
熱工自動化范圍包括鍋爐側SCR反應器區域的煙氣脫硝裝置及脫硝公用系統（常見的液氨系統包括液氨儲罐、蒸發槽、緩沖罐等）的儀表及控制系統。對于脫硝控制系統，其主要的組成部分有：
    ●脫硝分散控制系統DCS/或可編程邏輯控制器PLC控制系統
    ●脫硝檢測儀表及執行機構
    ●脫硝煙氣成分在線連續監測系統
脫硝控制系統自動化水平應與整個電廠控制系統設計相協調，滿足安全、可靠和“無人值守、定其目巡檢"的能力，脫硝系統的控制通常情況下在單元控制室內完成，通過機組DCS操作員站完成對脫硝裝置的啟／?？刂?、正常運行的監視和調整以及異常與事故工況的處理和故障診斷。
脫硝工藝系統根據其特點，一般采用與單元機組DCS硬件一體化的控制設備。
2．控制系統簡介
  隨著電子信息技術的飛躍發展，工業控制系統無論從硬件體系、軟件體系還是控制策略都發生了質的變化。目前電廠主機組控制系統采用分散控制系統DCS，輔機控制主要采用可編程控制器PLC。脫硝系統作為電廠一個子系統，控制系統應采用同全廠控制系統水平一致的硬件和軟件。
3．脫硝控制系統配置方案分析
(1) SCR脫硝裝置的布置特點及控制系統配置方式的選擇
通常脫硝系統的由兩部分組成：SCR脫硝反應器部分以及脫硝系統吸收劑的制備系統。SCR脫硝反應器布置在鍋爐省煤器和空預器之間；脫硝系統吸收劑的制備系統布置在鍋爐及汽機房以外的廠區場地內，距離單元機組電子設備間較遠。
根據SCR系統的布置及工藝特點，脫硝裝置的控制通常采用同單元機組DCS相同的硬件，并采用遠程站或遠程I/O的方式直接接入單元機組DCS。
(2)脫硝控制系統配置方案分析
    脫硝系統放置于鍋爐的尾部煙道上，位于省煤器后，空預器前，與其他常規鍋爐設備構成了鍋爐系統，是鍋爐運行重要的組成部分。脫硝系統的控制邏輯與鍋爐設備一同考慮，便于鍋爐控制系統的整體設計。
    由于控制方案選取中存在的復雜性，在方案的選取過程中必須兼顧工藝系統特點、設備布置特點及DCS系統網絡結構特點來綜合考慮。
    根據電廠運行特點及脫硝系統同鍋爐的關系，對于兩臺爐的脫硝系統，首先應從相對每個鍋爐的獨立性，氨制備系統的公用性的處理方法等幾個方面來考慮控制方式，通常脫硝系統的控制可以考慮以下

三種方式：
①  控制方式一
脫硝SCR區控制設直接采用DCS控制站，控制站布置在單元機組電子設備間內，直接連接入主機組DCS。
氨區控制設備采用DCS遠程站或遠程I/O，布置在氨區控制間內，通過光纖連入兩臺機組DCS的公用DCS網上。這也是目前各火力發電廠zui為普遍使用的方式。
通過上述控制方式實現了整個脫硝系統的監視和控制直接在單元機組DCS操作員站上完成。特點是：
a．通過上述控制方式實現了整個脫硝系統的監視和控制直接在單元機組DCS操作員站上完成。
    b．脫硝系統對應性強，機組單元性好。
    c．氨制備系統作為兩爐公用系統連接到主機組DCS公用DCS網上。網絡結構清晰、電纜量節省顯著。
    d．適應目前國家對環保重要程度的要求，脫硝運行同鍋爐關系更緊密。
    e機組運行人員需要對脫硝工藝尤其氨區特殊性進行掌握。
    f．當為脫硝系統SCR區和氨區均采用獨立控制器時，可減少脫硝系統調整中對主機組運行或調試的影響。
    ②控制方式二
    脫硝SCR反應器部分的控制方式同方式一，對氨區的控制方式進行變化，考慮到氨介質的特殊性，將脫硝氨區看做電廠輔助車間，對氨區采用PLC設備，設就地簡易控制室，重要信號通過硬接線連入單元機組DCS，氨區控制納入全廠輔控網，從而減少對機組運行人員的干擾。
在單元機組操作員站上完成脫硝SCR區域的監控，在輔控網上實現脫硝氨區的監控。
②  制方式三
全廠脫硝系統全部按輔助系統考慮，設立獨立的設備間及控制室，完成獨立控制，同時為了適應電廠自動化水平的要求，脫硝系統納入全廠輔控網，完成全廠輔助系統的集中監控。
    考慮到同全廠輔控網的連接，通常情況下脫硝控制系統的硬件采用PLC。
    方案特點：脫硝系統在運行、維護及檢修上相對獨立，同主機關聯性小，便于實施。但鍋爐平臺設備脫離了主機組控制，系統劃分不夠清晰。

氣動調節閥執行機構部分

主要技術參數

四、SCR脫硝裝置模擬量調節原理
根據脫硝系統工藝流程及特點，主要模擬量調節包括：SCR反應器氨氣流量控制、液氨蒸發槽溫度控制、氨氣緩沖槽壓力控制等，其中脫硝模擬量調節系統中zui為重要和核心的控制為SCR反應器氨氣流量控制。
SCR反應器氨氣流量控制的工藝系統流程如下圖所示：
脫硝系統氨氣流量控制策略在實施過程中需要對如下幾個問題進行特殊考慮：
a．NOX測量信號存在較長時間的滯后問題
b．NOX在催化劑作用下的時間復雜性
c．氨氣逃逸率的控制問題
SCR反應器氨氣流量控制方式通常有兩種：固定摩爾比控制方式（標準控制方式）、出口NOx定值控制方式。
  1、固定摩爾比控制
  (1)控制過程
  氨氣流量：反應器入口煙氣流量×入口氮氧化物濃度×摩爾比
  SCR煙氣脫硝系統利用固定的NH3/NOx摩爾比來控制所需要噴入的氨氣量。SCR反應器進口的NOx濃度乘以煙氣流量得到NOx信號，該信號乘以所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號，此信號作為給定值送入PID控制器與實測的氨氣的流量信號比較，由PID控制器經運算后發出調節信號控制SCR入口氨氣流量調節閥的開度以調節氨氣流量。
   (2)控制原理
    a由于煙氣流量不易于直接準確測量，因此煙氣流量通常是通過鍋爐空氣流量和鍋爐燃燒等數據計算得到的（數據由機組DCS提供）。由于測量信號存在的滯后性問題，鍋爐空氣流量被用來快速檢測負荷變化。
b．計算出的NOx流量乘以摩爾比是所需的氨氣流量。
摩爾比是根據系統設計的脫硝效率計算得出的，在固定摩爾比控制方法中為預設常數。
c．凈氨氣的質量流量由在氨氣噴射母管測得的體積流量通過溫度和壓力修正后取得。
d．大負荷變化預噴氨控制
    由于脫硝系統存在明顯的NOx反應器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應滯后的問題，控制回路中加入大負荷變化預噴氨氣措施，原理是將煙氣流量信號被用作預示負荷變化的超前信號（對于負荷變化信號有必要采用一個盡可能迅速的預測NOx變化的信號。在某些情況下，發電量需求信號、主蒸汽流量信號等能比煙氣流量信號更迅速的預測NOx變化）
如果脫硝催化劑反應緩慢等原因導致控制效果不能很好滿足調節要求時，除根據系統特點調整調節系統從而改變調節品質外，還應從以下幾個方面進行處理：
a．縮短NOx分析儀采樣管以保證即時的檢測響應
b．采用能夠靈敏地預測NOx變化的信號
c．催化劑在NOx變化之前提前吸收足量的氨氣來彌補反應滯后
(3)出口NOx定值控制
這種控制方法是保持出口NOx恒定。根據環境空氣質量標準，控制反應器NOx為定值比控制固定的脫氮效率更容易監視，同時氨氣消耗量更少。
出口NOx定值控制方式與固定摩爾比的控制方式在主控制回路上基本相同，與固定摩爾比控制主要的不同之處在于摩爾比是個變值，摩爾比與反應器SCR出口NOX值以及鍋爐負荷相相應。
控制原理：
主控制回路同固定摩爾比控制方法，僅是將摩爾比作為變量。變化摩爾比輸出控制器原理圖如下：
a．根據入口NO×實際測量值以及出口NOX設定值計算出預脫硝效率和預置摩爾比。
b．預置摩爾比作為摩爾比控制器的基準來輸出，出口NOX實際測量值同出口NOX設定值進行比較通過PID調節器的輸出作為修正，zui終確定控制系統當前需要的摩爾比值。
c．摩爾比控制器輸出的摩爾比信號作為固定摩爾比控制回路（見固定摩爾比控制方式的說明）中摩爾比設定值，控制氨的噴射，從而有效的控制脫硝系統，保證出口NOX穩定在設定值上。
另外，由于受脫硝反應器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負荷已確定的條件下，出口NOx濃度也將會波動較長時間，因此當采用固定脫硝裝置出口NOXzui為控制方式時，應該考慮對這種波動現象進行補償。
    簡而言之，應該調整控制策略和控制參數確保出口NOx變化可以在一個很短的時間內被抑制。
 
五、結論
    以上對脫硝控制系統在整個火力發電廠控制系統中的所處位置的結構特點進行分析的同時也對脫硝氨氣流量控制系統進行了重點闡述。筆者認為脫硝系統作為新近在國內大量采用的一項新技術，在實踐運行中還需要更多的經驗積累。本文是筆者根據親身參與的幾個工程的經驗并且結合國外方的技術資料做的介紹和分析，還存在一定的理論及經驗不足的地方，具體的工程應該根據自身特點進行優化，以提高脫硝系統的控制水平，實現更為適合各自電廠的運行管理模式和達到更為穩定的調節品質。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,