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                            火力電站脫硝氨氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型

                                上海申弘閥門有限公司

    之前介紹化工截止閥在三門峽化工機(jī)械應(yīng)用，現(xiàn)在介紹火力電站脫硝氨氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型中國是一個(gè)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(huán)境問題和人體健康的危害主要有以下幾方面：
(1)NOx對(duì)人體的致毒作用，主要影響呼吸系統(tǒng)，可引起支氣管炎和肺氣腫等疾??；
(2)NOx對(duì)植物的損害；
(3)NOx是形成酸雨、酸霧的主要污染物；
(4)NOx與碳?xì)浠衔锟尚纬晒饣瘜W(xué)煙霧；
(5)NOx參與臭氧層的破壞。
目前，解決環(huán)境保護(hù)面臨的巨大壓力已是刻不容緩。
本文針對(duì)目前火力發(fā)電廠zui為普遍使用的SCR（選擇性催化還原法）脫硝技術(shù)的的自動(dòng)化控制領(lǐng)域進(jìn)行了論述和分析，同時(shí)參考國外脫硝方日本三菱、丹麥TOPSOE等技術(shù)資料，結(jié)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(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試以及試運(yùn)的經(jīng)驗(yàn)從工程應(yīng)用角度對(duì)脫硝控制系統(tǒng)配置方案、調(diào)節(jié)原理等進(jìn)行了探討。
 

二、火力電站脫硝氨氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型脫硝技術(shù)介紹
 
NOx生產(chǎn)機(jī)理
●熱力型。空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸桑跍囟鹊陀?3000C時(shí)，幾乎不產(chǎn)生熱力型NOx；
●燃料型。燃料中含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成；
●快速型。燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)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(shù)；二是對(duì)生成的NOx進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。
在眾多的煙氣脫硝技術(shù)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(dá)到80—90%，已成為目前國內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。
 
1、SCR脫硝技術(shù)原理及流程
  SCR技術(shù)是還原劑（NH3.尿素）在催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H20，而不是被02所氧化，故稱為“選擇性"。主要反應(yīng)如下：
   4NH3+4NO+ 02—} 4N2+6H20
   4NH3+2N02+02—} 6N2+6H20
SCR系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)室、氨儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)及相關(guān)的測(cè)試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是脫硝反應(yīng)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(yùn)行中的主要主要影響因素
在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，zui重要的運(yùn)行參數(shù)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(yùn)行參數(shù)，催化反應(yīng)只能

 
三、脫硝控制系統(tǒng)的設(shè)置方案
1．脫硝系統(tǒng)控制范圍及自動(dòng)化水平
熱工自動(dòng)化范圍包括鍋爐側(cè)SCR反應(yīng)器區(qū)域的煙氣脫硝裝置及脫硝公用系統(tǒng)（常見的液氨系統(tǒng)包括液氨儲(chǔ)罐、蒸發(fā)槽、緩沖罐等）的儀表及控制系統(tǒng)。對(duì)于脫硝控制系統(tǒng)，其主要的組成部分有：
    ●脫硝分散控制系統(tǒng)DCS/或可編程邏輯控制器PLC控制系統(tǒng)
    ●脫硝檢測(cè)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)
    ●脫硝煙氣成分在線連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
脫硝控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平應(yīng)與整個(gè)電廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，滿足安全、可靠和“無人值守、定其目巡檢"的能力，脫硝系統(tǒng)的控制通常情況下在單元控制室內(nèi)完成，通過機(jī)組DCS操作員站完成對(duì)脫硝裝置的啟／?？刂?、正常運(yùn)行的監(jiān)視和調(diào)整以及異常與事故工況的處理和故障診斷。
脫硝工藝系統(tǒng)根據(jù)其特點(diǎn)，一般采用與單元機(jī)組DCS硬件一體化的控制設(shè)備。
2．控制系統(tǒng)簡介
  隨著電子信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)無論從硬件體系、軟件體系還是控制策略都發(fā)生了質(zhì)的變化。目前電廠主機(jī)組控制系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)DCS，輔機(jī)控制主要采用可編程控制器PLC。脫硝系統(tǒng)作為電廠一個(gè)子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)應(yīng)采用同全廠控制系統(tǒng)水平一致的硬件和軟件。
3．脫硝控制系統(tǒng)配置方案分析
(1) SCR脫硝裝置的布置特點(diǎn)及控制系統(tǒng)配置方式的選擇
通常脫硝系統(tǒng)的由兩部分組成：SCR脫硝反應(yīng)器部分以及脫硝系統(tǒng)吸收劑的制備系統(tǒng)。SCR脫硝反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空預(yù)器之間；脫硝系統(tǒng)吸收劑的制備系統(tǒng)布置在鍋爐及汽機(jī)房以外的廠區(qū)場(chǎng)地內(nèi)，距離單元機(jī)組電子設(shè)備間較遠(yuǎn)。
根據(jù)SCR系統(tǒng)的布置及工藝特點(diǎn)，脫硝裝置的控制通常采用同單元機(jī)組DCS相同的硬件，并采用遠(yuǎn)程站或遠(yuǎn)程I/O的方式直接接入單元機(jī)組DCS。
(2)脫硝控制系統(tǒng)配置方案分析
    脫硝系統(tǒng)放置于鍋爐的尾部煙道上，位于省煤器后，空預(yù)器前，與其他常規(guī)鍋爐設(shè)備構(gòu)成了鍋爐系統(tǒng)，是鍋爐運(yùn)行重要的組成部分。脫硝系統(tǒng)的控制邏輯與鍋爐設(shè)備一同考慮，便于鍋爐控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。
    由于控制方案選取中存在的復(fù)雜性，在方案的選取過程中必須兼顧工藝系統(tǒng)特點(diǎn)、設(shè)備布置特點(diǎn)及DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來綜合考慮。
    根據(jù)電廠運(yùn)行特點(diǎn)及脫硝系統(tǒng)同鍋爐的關(guān)系，對(duì)于兩臺(tái)爐的脫硝系統(tǒng)，首先應(yīng)從相對(duì)每個(gè)鍋爐的獨(dú)立性，氨制備系統(tǒng)的公用性的處理方法等幾個(gè)方面來考慮控制方式，通常脫硝系統(tǒng)的控制可以考慮以下

三種方式：
①  控制方式一
脫硝SCR區(qū)控制設(shè)直接采用DCS控制站，控制站布置在單元機(jī)組電子設(shè)備間內(nèi)，直接連接入主機(jī)組DCS。
氨區(qū)控制設(shè)備采用DCS遠(yuǎn)程站或遠(yuǎn)程I/O，布置在氨區(qū)控制間內(nèi)，通過光纖連入兩臺(tái)機(jī)組DCS的公用DCS網(wǎng)上。這也是目前各火力發(fā)電廠zui為普遍使用的方式。
通過上述控制方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制直接在單元機(jī)組DCS操作員站上完成。特點(diǎn)是：
a．通過上述控制方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)脫硝系統(tǒng)的監(jiān)視和控制直接在單元機(jī)組DCS操作員站上完成。
    b．脫硝系統(tǒng)對(duì)應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)組單元性好。
    c．氨制備系統(tǒng)作為兩爐公用系統(tǒng)連接到主機(jī)組DCS公用DCS網(wǎng)上。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰、電纜量節(jié)省顯著。
    d．適應(yīng)目前國家對(duì)環(huán)保重要程度的要求，脫硝運(yùn)行同鍋爐關(guān)系更緊密。
    e機(jī)組運(yùn)行人員需要對(duì)脫硝工藝尤其氨區(qū)特殊性進(jìn)行掌握。
    f．當(dāng)為脫硝系統(tǒng)SCR區(qū)和氨區(qū)均采用獨(dú)立控制器時(shí)，可減少脫硝系統(tǒng)調(diào)整中對(duì)主機(jī)組運(yùn)行或調(diào)試的影響。
    ②控制方式二
    脫硝SCR反應(yīng)器部分的控制方式同方式一，對(duì)氨區(qū)的控制方式進(jìn)行變化，考慮到氨介質(zhì)的特殊性，將脫硝氨區(qū)看做電廠輔助車間，對(duì)氨區(qū)采用PLC設(shè)備，設(shè)就地簡易控制室，重要信號(hào)通過硬接線連入單元機(jī)組DCS，氨區(qū)控制納入全廠輔控網(wǎng)，從而減少對(duì)機(jī)組運(yùn)行人員的干擾。
在單元機(jī)組操作員站上完成脫硝SCR區(qū)域的監(jiān)控，在輔控網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)脫硝氨區(qū)的監(jiān)控。
②  制方式三
全廠脫硝系統(tǒng)全部按輔助系統(tǒng)考慮，設(shè)立獨(dú)立的設(shè)備間及控制室，完成獨(dú)立控制，同時(shí)為了適應(yīng)電廠自動(dòng)化水平的要求，脫硝系統(tǒng)納入全廠輔控網(wǎng)，完成全廠輔助系統(tǒng)的集中監(jiān)控。
    考慮到同全廠輔控網(wǎng)的連接，通常情況下脫硝控制系統(tǒng)的硬件采用PLC。
    方案特點(diǎn)：脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行、維護(hù)及檢修上相對(duì)獨(dú)立，同主機(jī)關(guān)聯(lián)性小，便于實(shí)施。但鍋爐平臺(tái)設(shè)備脫離了主機(jī)組控制，系統(tǒng)劃分不夠清晰。

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分

主要技術(shù)參數(shù)

四、SCR脫硝裝置模擬量調(diào)節(jié)原理
根據(jù)脫硝系統(tǒng)工藝流程及特點(diǎn)，主要模擬量調(diào)節(jié)包括：SCR反應(yīng)器氨氣流量控制、液氨蒸發(fā)槽溫度控制、氨氣緩沖槽壓力控制等，其中脫硝模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中zui為重要和核心的控制為SCR反應(yīng)器氨氣流量控制。
SCR反應(yīng)器氨氣流量控制的工藝系統(tǒng)流程如下圖所示：
脫硝系統(tǒng)氨氣流量控制策略在實(shí)施過程中需要對(duì)如下幾個(gè)問題進(jìn)行特殊考慮：
a．NOX測(cè)量信號(hào)存在較長時(shí)間的滯后問題
b．NOX在催化劑作用下的時(shí)間復(fù)雜性
c．氨氣逃逸率的控制問題
SCR反應(yīng)器氨氣流量控制方式通常有兩種：固定摩爾比控制方式（標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(tǒng)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(yīng)器進(jìn)口的NOx濃度乘以煙氣流量得到NOx信號(hào)，該信號(hào)乘以所需NH3/NOx摩爾比就是基本氨氣流量信號(hào)，此信號(hào)作為給定值送入PID控制器與實(shí)測(cè)的氨氣的流量信號(hào)比較，由PID控制器經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)控制SCR入口氨氣流量調(diào)節(jié)閥的開度以調(diào)節(jié)氨氣流量。
   (2)控制原理
    a由于煙氣流量不易于直接準(zhǔn)確測(cè)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(shù)據(jù)計(jì)算得到的（數(shù)據(jù)由機(jī)組DCS提供）。由于測(cè)量信號(hào)存在的滯后性問題，鍋爐空氣流量被用來快速檢測(cè)負(fù)荷變化。
b．計(jì)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(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率計(jì)算得出的，在固定摩爾比控制方法中為預(yù)設(shè)常數(shù)。
c．凈氨氣的質(zhì)量流量由在氨氣噴射母管測(cè)得的體積流量通過溫度和壓力修正后取得。
d．大負(fù)荷變化預(yù)噴氨控制
    由于脫硝系統(tǒng)存在明顯的NOx反應(yīng)器催化劑反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后的問題，控制回路中加入大負(fù)荷變化預(yù)噴氨氣措施，原理是將煙氣流量信號(hào)被用作預(yù)示負(fù)荷變化的超前信號(hào)（對(duì)于負(fù)荷變化信號(hào)有必要采用一個(gè)盡可能迅速的預(yù)測(cè)NOx變化的信號(hào)。在某些情況下，發(fā)電量需求信號(hào)、主蒸汽流量信號(hào)等能比煙氣流量信號(hào)更迅速的預(yù)測(cè)NOx變化）
如果脫硝催化劑反應(yīng)緩慢等原因?qū)е驴刂菩Ч荒芎芎脻M足調(diào)節(jié)要求時(shí)，除根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)調(diào)整調(diào)節(jié)系統(tǒng)從而改變調(diào)節(jié)品質(zhì)外，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理：
a．縮短N(yùn)Ox分析儀采樣管以保證即時(shí)的檢測(cè)響應(yīng)
b．采用能夠靈敏地預(yù)測(cè)NOx變化的信號(hào)
c．催化劑在NOx變化之前提前吸收足量的氨氣來彌補(bǔ)反應(yīng)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(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，控制反應(yīng)器NOx為定值比控制固定的脫氮效率更容易監(jiān)視，同時(shí)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(gè)變值，摩爾比與反應(yīng)器SCR出口NOX值以及鍋爐負(fù)荷相相應(yīng)。
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(jù)入口NO×實(shí)際測(cè)量值以及出口NOX設(shè)定值計(jì)算出預(yù)脫硝效率和預(yù)置摩爾比。
b．預(yù)置摩爾比作為摩爾比控制器的基準(zhǔn)來輸出，出口NOX實(shí)際測(cè)量值同出口NOX設(shè)定值進(jìn)行比較通過PID調(diào)節(jié)器的輸出作為修正，zui終確定控制系統(tǒng)當(dāng)前需要的摩爾比值。
c．摩爾比控制器輸出的摩爾比信號(hào)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(shè)定值，控制氨的噴射，從而有效的控制脫硝系統(tǒng)，保證出口NOX穩(wěn)定在設(shè)定值上。
另外，由于受脫硝反應(yīng)器催化劑的特性決定，即便在鍋爐負(fù)荷已確定的條件下，出口NOx濃度也將會(huì)波動(dòng)較長時(shí)間，因此當(dāng)采用固定脫硝裝置出口NOXzui為控制方式時(shí)，應(yīng)該考慮對(duì)這種波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。
    簡而言之，應(yīng)該調(diào)整控制策略和控制參數(shù)確保出口NOx變化可以在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)被抑制。
 
五、結(jié)論
    以上對(duì)脫硝控制系統(tǒng)在整個(gè)火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)中的所處位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析的同時(shí)也對(duì)脫硝氨氣流量控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。筆者認(rèn)為脫硝系統(tǒng)作為新近在國內(nèi)大量采用的一項(xiàng)新技術(shù)，在實(shí)踐運(yùn)行中還需要更多的經(jīng)驗(yàn)積累。本文是筆者根據(jù)親身參與的幾個(gè)工程的經(jīng)驗(yàn)并且結(jié)合國外方的技術(shù)資料做的介紹和分析，還存在一定的理論及經(jīng)驗(yàn)不足的地方，具體的工程應(yīng)該根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以提高脫硝系統(tǒng)的控制水平，實(shí)現(xiàn)更為適合各自電廠的運(yùn)行管理模式和達(dá)到更為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)品質(zhì)。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,