提高發電廠液氨系統安全運行的措施

陳增潤

(國家電投集團河南電力有限公司開封發電分公司，河南 開封 475000)

0 概述

隨著現代工業生產的發展和人民生活水平的提高，防止大氣污染已成為重點工作。我國要求新建火電廠必須同步建設脫硝設施，要求已投產的電廠通過技術改造安裝脫硝裝置，并同步出臺了脫硝電價補貼政策和有史以來最嚴格的《火電廠大氣污染物排放標準》，對火電廠的煙塵、二氧化硫、氮氧化合物排放提出了更高的要求。

1 煙氣脫硝改造簡介

為響應國家號召，某公司對機組進行煙氣脫硝改造。該公司2×600 MW機組均采用東方鍋爐(集團)股份有限公司生產的DG-1900/25.4-Ⅱ1型超臨界變壓直流爐、單爐膛、內螺紋螺旋管圈水冷壁、一次中間再熱、平衡通風、露天島式布置、固態排渣、全鋼構架懸吊結構Π型鍋爐。

機組每臺鍋爐出力為1 950 t/h蒸汽，煙氣量2.213 4×106N·m3/h(干態、6 %含氧量、標準狀況、設計煤種，省煤器出口)。煙氣脫硝裝置的出力按單臺鍋爐100 % BMCR工況設計，煙氣脫硝裝置SCR系統應能在鍋爐煙氣溫度316—427 ℃條件下連續運行，煙道部分最大允許溫度為430 ℃；當煙氣溫度低于306 ℃時，停止噴氨。

該公司煙氣脫硝改造工程進度：1號機脫硝裝置于2013-11-15實現168 h試運行，2號機脫硝裝置于2014年3月底實現168 h試運，脫硝系統與脫硫改造工程同步完成。煙氣脫硝采用“高含塵布置方式”選擇性催化還原脫硝(SCR)法、雙煙道雙反應器無脫硝旁路布置方式，還原劑采用氨。改造后，脫硝率不低于81 %(NOx為標準狀態，6 %含氧量，干基)，100 %煙氣脫硝，脫硝設備年利用小時為6 500 h，裝置可用率不小于98 %。

2×600 MW機組煙氣脫硝用氨作為脫硝還原劑，1套脫硝劑儲存、制備、供應系統為2臺機組公用。該系統的液氨儲存能力為2×110 m3，液氨蒸發能力為2×400 kg/h。

2 氨區系統介紹及設備規范

2.1 液氨簡介

脫硝裝置使用的液氨品質符合國家標準GB 536—2017《液體無水氨》的要求，如表1所示。

表1 液氨品質參數表

(1) 液氨危險性類別。液氨是第2.3類有毒物體。其火災爆炸危險性類別為乙類，與氟、氯等能發生劇烈反應，與空氣混合到一定比例時，遇明火能引起爆炸，其爆炸極限為15.5 %—27 %。低濃度氨對呼吸道粘膜有刺激作用，高濃度氨可引起組織溶解性壞死，皮膚及上呼吸道粘膜化學性炎癥及燒傷、肺充血、肺水腫及出血等。

(2) 氨中毒癥狀。輕度中毒：眼、口有辛辣感，流涕、咳嗽，聲音嘶啞、吞咽困難，頭昏、頭痛，眼結膜充血、水腫，口唇和口腔、眼部充血，胸悶和胸骨區疼痛等。重度中毒：吸入高濃度氨時，可引起喉頭水腫、喉痙攣，發生窒息；與外露皮膚接觸可出現II度化學灼傷，眼瞼、口唇、鼻腔、咽部及喉頭水腫，粘膜糜爛、可能出現潰瘍。

(3) 液氨屬于易燃易爆危險品。液氨儲存量超過10 t，即為重大危險源。用氨作為脫硝還原劑的電廠必須有嚴格的安全保障和措施。液氨在廠內構成重大危險源，在廠外運輸中對社區和環境構成流動危險源，在安全方面具有特殊的要求。隨著安全和環境風險管理的加強，應提高脫硝系統運行和檢修工作的監護級別，防止不安全事件的發生。

2.2 氨區簡介

脫硝系統包括脫硝島(脫硝區和氨區)，氨區按2×600 MW機組鍋爐100 % BMCR工況液氨耗量，設置2個110 m3的液氨儲存罐，設置2個蒸發能力為2×400 kg/h的液氨蒸發器。液氨蒸發用熱源為溫度為350 ℃、壓力為4.4 MPa的冷再過熱蒸汽，蒸汽經自力式調節閥后進入液氨蒸發器，進入液氨蒸發器的蒸汽壓力為1.6 MPa。另外，設置2個氨氣緩沖罐穩定壓力。

液氨儲存、制備、供應系統包括液氨卸料壓縮機、液氨貯罐、液氨輸送泵、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐、稀釋風機、混合器、氨氣稀釋罐、廢水泵、廢水池等。系統提供氨氣為脫硝反應使用。

液氨由液氨槽車送來，利用液氨槽車自身壓力及氨卸料壓縮機增壓的方式，將液氨由槽車輸入至液氨儲罐內貯存，并利用液氨儲罐與液氨蒸發器之間的壓差，將液氨儲罐中的液氨輸送到液氨蒸發器內。在液氨蒸發器內，通過盤管加熱水、換熱管加熱液氨，使液氨蒸發為氨氣(冬季通過液氨輸送泵將液氨輸送到液氨蒸發器)，并通過氨氣緩沖罐來穩定其壓力后經管道送至稀釋系統稀釋，最終送入脫硝系統。液氨儲罐及氨氣蒸發系統緊急排放的氨氣則排入氨氣稀釋罐中，經水吸收后排入廢水池，再經由廢水泵送至電廠化學廢水處理系統處理。氨站設置氮氣吹掃、置換系統，液氨儲罐設置了儲罐超溫報警和超壓自動噴淋降溫降壓系統。

2.3 氨區設備規范

氨區設備規范如表2所示。

表2 氨區設備規范

2.4 液氨蒸發器和液氨緩沖罐

液氨蒸發器將輸送來的液氨蒸發為氨氣，再輸送到氨氣緩沖罐中。液氨蒸發靠蒸汽加熱(表面式)。蒸發器上裝有壓力控制閥，將氨氣壓力控制在一定范圍，當出口壓力過高時，切斷液氨進料。在氨氣出口管線上裝有溫度檢測器，當溫度過低時切斷液氨進料，使氨氣至緩沖罐維持適當溫度及壓力。蒸發器裝有安全閥，防止設備壓力異常。液氨蒸發用熱源為溫度為250 ℃、壓力為4.0 MPa的過熱蒸汽。

從蒸發器蒸發的氨氣進入氨氣緩沖罐，通過調壓閥減壓到一定壓力，再通過氨氣輸送管線送到鍋爐側的脫硝系統。液氨緩沖罐能為SCR系統供應穩定的氨氣，避免受蒸發器操作不穩定所影響。

該公司2×600 MW機組煙氣脫硝改造工程自投運以來，液氨系統一直運行穩定。

3 發現問題

2×600 MW機組液氨系統從2016-03-28開始頻繁出現故障，引起脫硝系統供氨量下降。一旦處理不當，將導致脫硝效率下降，或脫硝系統退出運行；還可能造成液氨泄漏事故。

3.1 第1次故障

2016-03-28，首次發生A，B液氨蒸發器壓力降低的故障。

08：30，氨區A，B液氨蒸發器并列運行，進氨調門及旁路全開，蒸發器進口壓力僅0.25 MPa。

08：48，運行人員無任何操作，蒸發器進口壓力開始緩慢升高。

09：45，蒸發器進口壓力升至0.38 MPa后開始緩慢下降，觀察運行。

12：35，蒸發器進口壓力降至0.16 MPa，投運1，2號液氨輸送泵，壓力未見回升。運行人員就地檢查A，B液氨蒸發器進氨管道結霜嚴重，懷疑管道內部上凍，隨即退出1，2號爐脫硝混合器前氨氣壓力低跳脫硝保護。

13：30，設備維護部對A，B液氨蒸發器進氨管道進行外部加熱。

14：15，蒸發器進口壓力開始緩慢回升。

15：00，維護人員準備對液氨蒸發器B進口濾網進行清理，為防止氨區泄漏保護誤動，將該保護退出。液氨蒸發器B進口濾網堵塞情況如圖1所示。

圖1 液氨蒸發器B進口濾網堵塞情況

15：37，液氨蒸發器B進口濾網清理后投運，液氨蒸發器進口壓力由0.11 MPa升至0.4 MPa。

16：20，維護人員對液氨蒸發器A進口濾網進行排污后，系統恢復正常。

3.2 第2次故障

2016-04-17，第2次發生A，B液氨蒸發器壓力降低的故障。

03：00，監盤發現液氨蒸發器出口壓力為0.32 MPa，壓力偏低。因A，B蒸發器進氨調門已全開，故開啟液氨蒸發器進氨旁路門，無效。發現進氨管道有上凍現象，聯系維護人員處理。

06：20，液氨蒸發器出口壓力持續下降，匯報領導，現場分析原因為蒸發器進口濾網堵。退出1號脫硝混合器壓力低、氨泄漏聯關A、B氨罐出口門保護，安排維護清理。

09：16，液氨蒸發器進口濾網清理后，蒸發器出口壓力回升至0.42 MPa，正常。液氨蒸發器處檢漏儀顯示27 ppm，不再下降；用便攜式檢漏儀就地實測無異常，且沒有液氨氣味。聯系熱工檢查為一次元件損壞，通知購買。匯報領導后，投入1號脫硝混合器壓力低、氨泄漏聯關A，B氨罐出口門保護。

3.3 第3次故障

2016-04-27，第3次發生A，B液氨蒸發器壓力降低的故障。

13：40，維護人員到達現場處理。現場情況為：氨區A，B液氨蒸發器并列運行，進氨調門及旁路全開，A液氨蒸發器進口壓力0.16 MPa，溫度76 ℃，水位480 mm，進氨管道結霜嚴重；A氨氣緩沖罐壓力0.16 MPa，溫度40 ℃。B液氨蒸發器進口壓力0.10 MPa，溫度90 ℃，水位560 mm(滿)，進氨管道結霜嚴重；B氨氣緩沖罐壓力0.06 MPa，溫度20 ℃，B氨氣緩沖罐底部及排污管道結霜嚴重。

處理措施：立即關閉B液氨蒸發器進氣門，降低B液氨蒸發器溫度，關閉B液氨蒸發器補水門，降低B液氨蒸發器水位，全面檢查系統閥門，未見異常，投運1，2號液氨輸送泵，壓力未見回升。由于A，B液氨蒸發器進氨管道結霜嚴重，懷疑管道內部液氨上凍造成堵塞管道，立即用軟管引來沖洗水對結霜嚴重的B液氨蒸發器進氨管道外部沖洗，沖洗10 min，效果不大；用蒸汽軟管引來蒸汽加熱B液氨蒸發器進氨管道，開始效果不明顯，14：15時B蒸發器進口壓力開始緩慢回升。繼續用蒸汽加熱進氨管道，14：40時B液氨蒸發器進口壓力回升至0.12 MPa，溫度降為79 ℃，水位450 mm，液氨蒸發器進氨管道結霜情況減輕；A氨氣緩沖罐壓力回升至0.11 MPa，溫度回升到26 ℃。

因為效果不明顯，再次排查氨區系統，把液氨蒸發器進口濾網可能堵塞列為重要排查目標。先檢查B液氨蒸發器進口濾網，經過解列B液氨蒸發器進口濾網、用氮氣充分置換管道中的液氨，排出的液氨引發就地液氨報警器報警(液氨報警器報警值為30 ppm，就地最高指示為42 ppm)，工作人員佩戴防護面具和膠皮手套，用銅扳手拆卸B蒸發器進口濾網螺栓，取出濾網檢查，確認濾網只有輕微的雜質，不會堵塞B蒸發器進口。回裝濾網完成氮氣置換投運，發現A，B液氨蒸發器進口壓力同時升高至0.39 MPa左右，氨氣緩沖罐壓力也同時升高至0.42 MPa和0.38 MPa，檢查B液氨蒸發器溫度已降至58 ℃。繼續進行A液氨蒸發器進口濾網檢查工作，發現A液氨蒸發器進口濾網堵塞嚴重，將清理干凈的濾網回裝后，投運A液氨蒸發器，A，B液氨蒸發器進口壓力升高至0.40 MPa。

4 原因分析

4.1 液氨蒸發器壓力降低原因分析

4.1.1 進口濾網堵塞

2016年3—4月，液氨蒸發器進口濾網發生了3次堵塞，從堵塞間隔時間來看，周期明顯縮短且有加重趨勢。每次堵塞后，需對系統進行隔離、氮氣置換，然后進行濾網清理。清理過程中均發現濾網被紅棕色結晶物堵塞，經化驗，該顆粒物主要成分是Fe2O3。

4.1.2 未及時調整進入蒸發器的蒸汽量

液氨蒸發器進口濾網堵塞后，出口壓力偏低，進入蒸發器的液態氨減少，開大液氨進口閥門無效，而由于未及時調整進入蒸發器的蒸汽量，造成蒸發器溫度升高。這種情況若沒有及時發現處理，很可能損壞液氨設備，造成液氨泄漏事故，嚴重影響脫硝系統運行，存在液氨泄漏的安全風險和達標排放不合格的經濟風險。

4.1.3 故障直接原因分析

由于液氨系統自投運以來，沒有發生過A，B液氨蒸發器壓力降低情況，所以一直沒有清理液氨蒸發器進口濾網。雖然有時某個液氨蒸發器溫度升高超過75 ℃，影響液氨蒸發器出力，但是由于氨區A，B液氨蒸發器并列運行，只要有1個液氨蒸發器工作正常，就可以避免氨蒸發器壓力降低的情況；只有當2個液氨蒸發器同時工作不正常時，才會造成液氨蒸發器壓力降低。

4.2 液氨蒸發器進口濾網堵塞原因分析

4.2.1 未及時排出罐底雜質

液氨儲罐供氨管路接至儲罐底部最低點，隨著液氨儲罐使用時間的延長，液氨中的部分油污等雜物沉積在儲罐底部。如不及時排污，氨罐底部沉積的雜質逐漸增多，會造成雜質進入液氨系統導致濾網堵塞。實際上，從2013年12月氨區投運至故障頻發時，液氨儲罐未進行過排污。

4.2.2 出現鐵銹

理論上講，液氨不與碳鋼發生化學反應，脫硝系統使用的液氨純度為99.6 %，其中還有0.4 %雜質和少量的水分。液氨中少量的水分會腐蝕碳鋼液氨儲罐，若運行時間過長，不可避免地會出現鐵銹，從而進入液氨系統，加大濾網堵塞機率。

4.2.3 出現氨基甲酸氨

在充裝、排料及檢修過程中，氨罐容易受到空氣的污染。空氣中的氧和二氧化碳與氨發生反應生成氨基甲酸氨，對碳鋼液氨儲罐有強烈腐蝕性，使鋼材表面鈍化膜損壞，腐蝕生銹加劇。

4.2.4 未清理進口濾網

正如2.1.3所述，液氨系統自投運以來，液氨蒸發器進口濾網從未清理過，也未造成A，B液氨蒸發器壓力同時降低的情況。這是因為A，B液氨蒸發器并聯運行，只有在A，B蒸發器濾網均堵塞且使2個液氨蒸發器工作均不正常后，才會造成A，B液氨蒸發器壓力同時降低的異常情況。

5 制定解決方案

(1) 嚴格執行規程規定，控制液氨蒸發器溫度在75 ℃以下、液氨蒸發器水位在480 mm左右。

(2) 制定液氨蒸發器進口濾網定期清理工作制度和流程。濾網定期清理周期暫定為半年1次，再根據濾網清理情況，最終確定定期清理周期。

(3) 增加液氨蒸發器進口濾網前后壓力表，運行人員可以根據濾網前后壓差直觀了解濾網工作狀況。當濾網前后壓差大時，通知檢修人員清理濾網。

(4) 制定液氨儲罐定期排污工作制度和流程，及時排出氨罐底部沉積的雜質。排污周期暫定為1年1次，再根據排污情況最終確定定期排污周期。

(5) 提高液氨品質，降低液氨中的鐵含量，以緩解液氨蒸發系統的堵塞。

(6) 利用定檢機會對液氨儲罐進行清理。

6 實施方案

6.1 實施步驟

(1) 由發電運行部監督執行，控制液氨蒸發器溫度和水位在正常范圍內。

(2) 生產技術部制定液氨蒸發器進口濾網定期清理工作制度和流程后，由設備維護部執行濾網定期清理工作。

(3) 由九龍公司負責增加液氨蒸發器進口濾網前后壓力表，使運行人員直觀掌握濾網工作狀況。

(4) 由發電運行部制定和監督執行液氨儲罐定期排污工作。

(5) 由九龍公司負責提高液氨品質，保證采購的液氨合格。

6.2 液氨儲罐清理

聯系河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院開封分院對2個液氨儲罐進行定期檢查，同時對液氨儲罐徹底清理。根據現場運行情況來看，2號氨罐投運時經常出現堵塞，懷疑罐內雜物較多，決定首先對2號液氨罐進行定期檢查。

6.2.1 2號氨罐清理

2號氨罐降液位，運行優先使用該罐并將該罐液降到0.4 m。由于該罐液氨中雜物多，為避免再次堵塞，影響脫硝系統正常運行，將剩余液氨全部外排至廢水地坑。由于第1次對氨罐進行置換，為保證置換工作順利有序進行，外聘有經驗的人員到場指導工作。同時，運行和維護指派專人全程配合進行具體的液氨外排和置換操作。

6.2.2 2號液氨儲罐置換

(1) 按規定辦理工作票和操作票，按照工作票和操作票規定進行操作。將1號液氨儲罐與2號液氨儲罐隔離，并確認各閥門關閉且做好防止開啟措施。退出有關保護，氨區消防噴淋切至手動位置。置換過程中，消防車全程值守。

(2) 連接消防水帶至底排處，在排污過程中打開消防水稀釋排放的殘余氨氣。

(3) 2號液氨儲罐排空后，在相關閥門前法蘭處加盲板，徹底隔離1，2號液氨儲罐。

(4) 氮氣置換步驟：連接液氮車，打開氮氣出口總閥；打開2號液氨儲罐液氨出口氣氮進口吹掃一次閥、二次閥；當2號液氨儲罐壓力達到0.5 MPa時，關閉氮氣，將2號液氨儲罐底部排污一、二次門各打開十分之一刻度，使2號液氨儲罐內部氨、氮混合氣體排放至廢水池。重復以上步驟，直至2號液氨儲罐底部排污出口處用便攜式氨泄漏監測儀測量濃度達到0后，置換工作結束。

6.2.3 清理2號氨罐

打開液氨儲罐人孔門，做活物試驗，確定罐內無殘余有害氣體后進行定檢、檢修清理工作。同步開展更換螺栓、安全閥校驗、表計校驗等工作。

6.2.4 2號液氨儲罐投入運行

定檢、檢修清理工作結束后，對液氨儲罐注水，打壓至0.8 MPa，保持12 h。檢查無泄漏后，將液氨儲罐內的水排空，打入氮氣。在儲罐底排口處檢測氧含量小于3 %，注入液氨投運。

6.2.5 1號液氨儲罐清理

對1號液氨儲罐定檢，開始檢修清理工作。全部工作結束后投入運行。

7 實施效果

采取以上措施后，2臺液氨蒸發器進口濾網再未發生堵塞問題，脫硝系統運行恢復正常，解決了脫硝系統供氨量下降、脫硝效率下降甚至脫硝系統退出運行的難題，提高了脫硝系統運行的安全性、經濟性，避免了液氨泄漏等不安全事件的發生，提高了機組運行的安全性。