PKS控制系統在鍋爐煙氣脫硝處理中的應用

顏廷柱

（山東陽煤恒通化工股份有限公司，山東 郯城 276100）

引言

山東陽煤恒通化工股份有限公司是集煤化工、鹽化工及熱電聯產于一體的聯合化工企業，2012年根據生產實際情況配套新增一臺240t/h高溫高壓循環流化床鍋爐，按照國家《火電廠大氣污染物排放標準》的要求，需要進行煙氣脫塵、脫硫和脫硝處理。電除塵和脫硫系統在現有運行鍋爐中已經積累了豐富的工藝設備安裝和操作控制經驗，而脫硝裝置的工藝設備、技術方案的選擇以及DCS控制系統組態應用等方面則完全是首次，特別是脫硝過程中氨流量的調節以及吹灰順控程序的組態等都是一個新的課題，Honeywell PKS控制系統作為一款開放型分布過程控制系統，其完善的自診斷功能，靈活的組態工具和模塊化的軟硬件結構，滿足了脫硝裝置DCS控制需求，確保了裝置設備的長期安全穩定運行，為企業帶來了良好的環保效益。

1 PKS控制系統硬件概況

Experion PKS系統是Honeywell公司推出的基于批處理、過程控制、SCADA應用于一體的開放式混合控制系統。其整合了資產配置、過程性能、人員效率和經營管理的靈活性，增加了先進自動化控制平臺和安全管理，通過系統提供的大量功能塊庫很方便來實現連續過程控制、產品批量處理、離散量操作、設備控制等生產需求。其先進的控制理念、可靠的穩定性、完善的支持服務等優勢得到了用戶的認可，在石油、化工、冶金、鋼鐵等行業得到了廣泛應用

一個最基本的PKS系統結構主要由I/O卡件、C300控制器、CF（Control Firewall）防火墻、ESV服務器、ESC操作站以及由CISCO交換機為核心構成的Fault Tolerant Ethernet（FTE）容錯網絡組成[1]。

C300控制器是PKS系統的關鍵裝置，它包括硬件控制器和控制軟件CEE，每個控制器有兩個IO LINKS接口，可以連接C系列I/O卡件或PMIO卡件，主要有完成上位通訊、點對點通訊、IOLINK IO通訊和控制執行環境等功能；CF控制防火墻，在已有可靠的網絡架構基礎上，增加一層高安全防護以拒絕接收所有控制器不需要的信息；FTE容錯網絡是Honeywell專為PKS量身定制開發的專利網絡技術，以先進的多路由選擇替代傳統雙網結構模式，不但提供了容錯的特點，也提供了快速網絡響應及工業以太網控制應用的安全性；ESV服務器完成控制策略的生成和操作畫面的繪制，以及數據庫的采集、處理和存儲，進行報警管理，網絡管理等基本功能。

2 脫硝裝置的工藝原理及流程

該新增配套鍋爐設計額定蒸汽量240t/h的循環流化床鍋爐，采用煤矸石 + 貧煤為原料，煙氣中的氮氧化合物通常由95%的NO和5%的NO2組成，煙氣脫硝裝置以純氨（NH3）為還原劑、催化劑采用蜂窩式催化劑，使用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction）即 SCR工藝技術。

脫硝裝置的設備主要包括制氨系統、煙道系統、SCR反應器以及吹灰系統四個部分，來自液氨緩沖罐的液氨在空氣混合器中氣化并與空氣充分混和，進入位于SCR反應器入口煙道上的氨注射柵格（AIG），一定溫度下的氨和空氣混合物注射入煙氣通道，再與鍋爐煙氣充分混合后通過SCR反應器催化劑層，在催化劑的作用下，煙氣中的NOx與氨在催化劑的表面發生充分的化學還原反應，生成N2和H2O，從而達到除去氮氧化物的目的。

脫硝裝置的核心設備—SCR反應器布置于電除塵器之前，鍋爐高溫段省煤器與中溫段省煤器之間，鍋爐燃燒產生的飛灰將流經反應器，為防止反應器積灰，每層反應器的入口布置有吹灰器，通過吹灰器的定期吹掃來清除催化劑上的積灰。

3 脫硝系統的主要控制回路

脫硝工藝DCS的操作作為鍋爐DCS系統的一個子站納入到鍋爐DCS操作站統一控制，運行人員直接通過集控室內的鍋爐DCS操作員站完成對脫硝過程的溫度、壓力、流量等工藝參數的監視和操作，并對重要監測點的歷史數據和報警進行記錄，煙氣脫硝處理過程中主要的聯鎖保護及控制回路如下。

3.1 氨稀釋系統聯鎖與控制

脫硝裝置配有2臺稀釋風機，為1運1備的運行方式，進口裝有調節擋板、出口裝有流量計，用于監測和調節風機流量，在滿足啟動條件的情況下稀釋風機可實現就地/遠程控制，為保證氨注入煙道的絕對安全以及均勻混合，將氨濃度控制在爆炸極限（其爆炸極限在空氣中體積為15%～28%）下限以下，兩臺稀釋風機采用互備聯鎖方式，當某臺風機出現事故跳閘信號或風機運行時稀釋空氣流量＜850m3/h并超過3分鐘，DCS系統發出報警并啟動備用風機。

爐前設置氨氣濃度監測，以監測氨氣泄漏量，根據監測值的大小，DCS發出聲光報警對操作人員進行提醒，若氨氣濃度增大到一定值，氨出口切斷閥將進行強制關閉；若稀釋空氣流量繼續減小到750m3/h時并超過5秒鐘，在報警的同時關閉氨進口閥；在氨氣混合器后設有氨氣濃度測點，根據計算得到的氨與空氣比，當氨氣與空氣比值＞8%時發出報警，比值＞10%且超過5秒，報警的同時關閉氨出口，保證氨/空氣比值在安全范圍內。

3.2 氨流量控制回路

在SCR工藝中氨流量控制是影響脫硝效果的重要因素，噴氨量少會使脫硝效率過低，噴氨量過大容易導致氨逃逸率上升造成尾部煙道積灰。根據當前脫硝裝置的運行情況，脫硝系統氨氣流量控制采用了基本控制方式Constant Mole Ratio Control（固定摩爾比控制方式），在該控制方式下系統按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中

由于NO是NOx的主要成分（通常煙氣中NOx含有95%的NO，其余5%為NO2），因此利用NO的測量結果來計算煙氣中NOx的總濃度；根據測定的入口NO濃度和煙氣流量，確定SCR脫除NOx的摩爾流量，需要脫除的NOx的摩爾流量乘以NH3的摩爾質量，就決定了需要注入催化劑上游AIG的氨的質量流量；考慮到NH3和經過催化劑的NOx分布之間的偏差、催化劑的失效、儀器校準誤差和鍋爐燃燒曲線中的錯誤等實際因素，根據SCR進出口NO值間的差異計算出脫硝的效率，并對NH3的摩爾質量進行調整和修正，并將此修正值反饋給氨流量控制器來對氨流量進行精確調節。

3.3 SCR反應器的吹灰過程控制

在鍋爐運行過程中，煤炭燃燒產生的灰粒隨煙氣飄浮至催化劑表面，再加上煙氣中的酸蒸汽車和水蒸汽在低溫壁面上凝結，增加了灰分的黏性使灰層加厚，容易造成催化劑通向活性位的通道阻塞，減小催化劑的有效體積，或者催化劑活性損失中毒現象的發生[3]，因此在SCR反應器每層催化劑的上方安裝了2臺耙式吹灰器，采用蒸汽吹除法來清除催化劑表面積灰，保證催化劑的活性成為SCR脫硝反應器穩定運行的關鍵。

脫硝吹灰過程可以由操作員通過DCS操作畫面的啟動按鈕執行，或者根據催化劑進出口差壓聯鎖值（設計差壓為300Pa）自動啟動程序。吹灰程序設計為典型的順序控制回路，在程序啟動時要先檢測吹灰蒸汽入口溫度和壓力，如煙氣溫度過高將會使催化劑燒結、煙氣溫度過低時NH3會和SO3反應生成酸性硫酸銨，從而會堵塞催化反應器通道和污染空氣預熱器，設計要求溫度在350℃～410℃，壓力在1.18～2.95MPa。

為保證吹灰器的有序安全運行，每臺反應器的吹灰器按從上至下的催化劑層依次運行，即上一層催化劑的吹灰器在設定的時間內依次啟動運行后，再開始運行下一層催化劑的吹灰器,保證每臺反應器每次只有1臺吹灰器運行，當1個吹灰器已處于運行或離開靜止位置時其它吹灰器無法啟動，在前進周期檢測到電機電流偏高時DCS產生報警并將吹灰器收回。

4 結語

該鍋爐自開車運行以來，PKS控制系統運行平穩，特別是脫硝系統所有生產過程的溫度、壓力、流量及液位等工藝參數，均由控制室內的DCS操作站進行監控制，工藝指標超限可自動報警并提供長期歷史查詢；自動化控制程度高安全聯鎖措施完備；脫硝效果明顯，氮氧化合物排放濃度穩定控制在100mg/m3以下，創造了良好的經濟效益和環境效益，也為以后其他鍋爐的脫硝改造積累了經驗。

[1]Experion PKS C300 Controller User’s Guide Honeywell 2010(02).

[2]羅子湛，孟立新.燃煤電站SCR煙氣脫硝噴氨自動控制方式優化[J].電站系統工程，2010（7）.

[3]顧彧，金保升，肖剛.SCR積灰特性及清灰技術的比較分析[J].能源研究與應用，2008（8）.