油田燃煤注汽站控制系統(tǒng)與環(huán)保儀表設(shè)置探討

李緒勇

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

注汽站是稠油熱采油田及寒冷地區(qū)油田采油工程的重要站場(chǎng)。循環(huán)流化床鍋爐（CFB）作為技術(shù)成熟的燃煤鍋爐，具備高效、低污染、燃燒清潔、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、灰渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，是注汽站廣泛采用的工藝方案[1]。

本文以位于新疆春風(fēng)油田的為蒸汽熱采油井提供蒸汽的某注汽站為例，探討小型燃煤注汽站自控系統(tǒng)與環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)置。該注汽站鍋爐采用循環(huán)流化床燃煤鍋爐，蒸汽額定蒸發(fā)量38t/h，額定蒸汽壓力17.2MPa，額定飽和蒸汽溫度354℃。工藝系統(tǒng)主要包括循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及煤場(chǎng)等，環(huán)保工藝處理系統(tǒng)主要包括脫硝系統(tǒng)（SCR）、煙氣脫硫系統(tǒng)（FGD）系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)等。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)置

注汽鍋爐控制邏輯復(fù)雜、控制規(guī)模較大，需長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。采用DCS系統(tǒng)作為中控控制系統(tǒng)，可保障工藝系統(tǒng)的安全、可靠、高效地運(yùn)行[2]。注汽站控制系統(tǒng)一般有兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，一是由鍋爐廠家配套鍋爐DCS系統(tǒng)，只負(fù)責(zé)鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，而上煤系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等部分單獨(dú)設(shè)置一套DCS系統(tǒng)；二是鍋爐廠家不配套DCS系統(tǒng)，全站設(shè)置一套總DCS系統(tǒng)，全權(quán)負(fù)責(zé)鍋爐、環(huán)保及輔助等站內(nèi)所有工藝系統(tǒng)的檢測(cè)與控制。

結(jié)構(gòu)一的優(yōu)點(diǎn)在于鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的控制邏輯及運(yùn)行效果完全由鍋爐廠家負(fù)責(zé)，工作界面清晰，對(duì)于鍋爐運(yùn)行中的任何問題，均可交由鍋爐廠家負(fù)責(zé)；缺點(diǎn)在于注汽站設(shè)置了2套DCS系統(tǒng)，需監(jiān)控2套系統(tǒng)的運(yùn)行界面，且由2個(gè)系統(tǒng)廠家對(duì)站控系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。

結(jié)構(gòu)二的優(yōu)點(diǎn)在于全站由一套DCS系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，便于管理，運(yùn)維簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)在于鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的控制邏輯由DCS系統(tǒng)廠家負(fù)責(zé)編寫，鍋爐廠家指導(dǎo)，雙方共同完成，故要求DCS系統(tǒng)廠家具備編寫鍋爐控制邏輯的經(jīng)驗(yàn)，且在建設(shè)期間需協(xié)調(diào)鍋爐與DCS系統(tǒng)廠家雙方的工作，防止推諉或怠工現(xiàn)象。

本站出于對(duì)業(yè)主運(yùn)行維護(hù)的考慮，采用全站設(shè)置一套DCS系統(tǒng)，統(tǒng)一負(fù)責(zé)鍋爐、環(huán)保、輔助系統(tǒng)的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火/停爐控制、燃燒控制、反吹控制、蒸汽干度控制、上煤控制、給水控制等功能[3]，并在全站設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，在鍋爐房、上煤廊、煤場(chǎng)、柴油罐、氨水間等處設(shè)置氣體泄漏超限報(bào)警系統(tǒng)等安全保護(hù)類儀表。

2 環(huán)保監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)置

2.1 煙氣連續(xù)排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）

為防治大氣污染、提高環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家環(huán)保部門對(duì)企業(yè)氣體排放的監(jiān)測(cè)力度越來越大，使得煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為燃煤鍋爐的必備儀表[4]。本注汽站設(shè)置了2套煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別安裝于排煙煙囪處及脫硫系統(tǒng)（FGD）入口處，用于煙氣排放環(huán)境監(jiān)測(cè)及脫硫工藝的聯(lián)鎖控制。

1）排煙煙囪處煙氣監(jiān)測(cè)

環(huán)境保護(hù)部2014年發(fā)布的35號(hào)文GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定了大氣污染物的排放限值。本站位于新疆，采用煤作為燃料，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)第4.4節(jié)“重點(diǎn)地區(qū)鍋爐的大氣污染物特別排放限值”所規(guī)定的限值為：顆粒物≤30mg/m3，二氧化硫（SO2）≤200mg/m3，氮氧化物（NOX）≤200mg/m3，汞（Hg）及其化合物≤0.05mg/m3，煙氣黑度≤1。

為滿足上述監(jiān)測(cè)要求，在煙囪處安裝高精度的煙氣連續(xù)排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）1套。CEMS的技術(shù)要求需遵循HJ/T 76—2007《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CEMS的主要技術(shù)指標(biāo)、檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法和檢測(cè)時(shí)的質(zhì)量保證措施。本站檢測(cè)煙囪排氣的CEMS設(shè)備監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：煙氣煙塵濃度（顆粒物）、二氧化硫、氮氧化物、煙氣溫度/壓力/流量、含氧量及濕度。本工程CEMS系統(tǒng)的取樣系統(tǒng)采用全程高溫伴熱法；氣體分析采用紫外差分光學(xué)吸收光譜原理；顆粒物檢測(cè)采用激光后向散射原理；氧含量分析采用電化學(xué)法[5,6]。

CEMS系統(tǒng)的安裝，遵循HJ 75-2017《固定污染源煙氣（SO2、NOX、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，包括CEMS應(yīng)安裝在獨(dú)立的監(jiān)測(cè)站房?jī)?nèi)，監(jiān)測(cè)站房與采樣點(diǎn)之間的距離應(yīng)盡可能近；監(jiān)測(cè)站房?jī)?nèi)應(yīng)配備不同濃度的有證標(biāo)準(zhǔn)氣體，包括零氣和各被測(cè)介質(zhì)的量程標(biāo)氣；設(shè)置合適的采樣平臺(tái)及采樣孔等各個(gè)方面，數(shù)據(jù)通過光纜網(wǎng)絡(luò)上傳至當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)部門。

煙囪上CEMS系統(tǒng)的采樣平臺(tái)不僅用于安裝CEMS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表與采樣設(shè)備，還作為當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定源廢氣監(jiān)測(cè)的工作平臺(tái)，故采樣平臺(tái)的設(shè)置應(yīng)滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的要求。環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)開展固定污染源廢氣污染物排放監(jiān)測(cè)工作遵循HJ/T 397-2007《固定源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，該規(guī)范規(guī)定了在煙道、煙囪及排氣筒等固定污染源排放廢氣中，顆粒物與氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)的手工采樣和測(cè)定技術(shù)方法。

本注汽站采樣平臺(tái)設(shè)置在煙囪距地面12 m高的位置，長(zhǎng)、寬分別為2.5 m。煙囪上留有用于CMES檢測(cè)的采樣孔5個(gè)（DN100采樣孔3個(gè)，DN80采樣孔2個(gè)），及用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的參比采樣孔1個(gè)。采樣平臺(tái)設(shè)有斜梯供人員及運(yùn)送監(jiān)測(cè)儀器上下，煙囪平臺(tái)的搭建可采用Z字梯或旋轉(zhuǎn)梯，梯子寬不低于1.2 m。

梯子的形式?jīng)Q定了平臺(tái)及煙囪的建設(shè)方式。當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)梯時(shí)，梯子繞煙囪盤旋向上至平臺(tái)，梯子及平臺(tái)的重量都承擔(dān)在煙囪的外壁上，需對(duì)煙囪外壁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，確保能為梯子及平臺(tái)提供足夠的支撐力。

對(duì)于口徑較小的煙囪，推薦采用Z字梯。Z字梯為自承重梯，即梯子單獨(dú)建設(shè)框架，框架支撐落地并向上采用鋼結(jié)構(gòu)搭建至煙囪開孔的高度處，再設(shè)置操作平臺(tái)。梯子在框架內(nèi)呈Z字形向上延伸至平臺(tái)，Z字梯/平臺(tái)與煙囪僅在位置上相互靠近，但互相不受力，無需對(duì)煙囪外壁進(jìn)行加強(qiáng)處理，平臺(tái)的尺寸也不受煙囪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的制約，易滿足煙氣監(jiān)測(cè)對(duì)平臺(tái)大尺寸的要求，方便維護(hù)及檢測(cè)操作。

2）脫硫工藝入口處煙氣監(jiān)測(cè)

根據(jù)脫硫工藝的要求，在脫硫系統(tǒng)（FGD）入口管線安裝1套CEMS，檢測(cè)脫硫工藝前氣體各介質(zhì)含量，與脫硫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制。檢測(cè)對(duì)象為煙塵濃度、二氧化硫、煙氣壓力/溫度/流量、含氧量、含濕量等。

2.2 氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

脫硝反應(yīng)塔出口煙氣中未參與反應(yīng)的氨（NH3）稱為氨逃逸，一般由于噴氨不均、過量噴氨等原因造成。過量的逃逸氨氣會(huì)造成浪費(fèi)，使環(huán)境受到污染，腐蝕催化劑模塊，造成催化劑失活和堵塞，與煙氣生成硫酸氨鹽，堵塞、腐蝕下游空氣預(yù)熱器等危害[7]。

本工程氨逃逸在線檢測(cè)系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（DLAS），對(duì)煙氣脫硝（SCR或SNCR）反應(yīng)器出口的逃逸氨含量進(jìn)行連續(xù)、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣脫硝工藝中噴氨量的反饋控制。采樣點(diǎn)應(yīng)位于SCR反應(yīng)器后工藝管內(nèi)、最后一級(jí)催化劑裝置下方約5 m內(nèi)，采用高溫伴熱抽取的在線采樣方式，并配套定時(shí)吹掃、高流量射流取樣、在線標(biāo)定等功能，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的取樣分析。

2.3 蒸汽流量檢測(cè)

蒸汽的流量檢測(cè)主要包括鍋爐出口蒸汽流量檢測(cè)及減壓后蒸汽流量檢測(cè)。蒸汽流量檢測(cè)流量計(jì)一般可選用孔板流量計(jì)或渦街流量計(jì)，設(shè)置溫度/壓力補(bǔ)償儀表，并通過計(jì)算得到蒸汽的質(zhì)量流量。

根據(jù)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》第二十一條規(guī)定：“鍋爐、壓力容器、壓力管道元件、起重機(jī)械、大型游樂設(shè)施的制造過程和鍋爐、壓力容器、電梯、起重機(jī)械、客運(yùn)索道、大型游樂設(shè)施的安裝、改造、重大維修過程，必須經(jīng)國(guó)務(wù)院特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照安全技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)”。故對(duì)于安裝于鍋爐出口的蒸汽流量計(jì)，進(jìn)行特種設(shè)備檢驗(yàn)并獲得監(jiān)督檢驗(yàn)證書。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

CEMS系統(tǒng)及氨逃逸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中還宜考慮以下方面，確保運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

DAS（數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)）系統(tǒng)是CEMS系統(tǒng)必需的一部分，用于采集各分析儀數(shù)據(jù)、匯總氣體數(shù)據(jù)信息和工作狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和處理，并具備生成報(bào)表、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄等功能[8]。

CEMS系統(tǒng)需與市級(jí)環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)通信，并達(dá)到環(huán)保部門的并網(wǎng)要求，并網(wǎng)前應(yīng)落實(shí)市環(huán)保部門對(duì)并網(wǎng)的要求，滿足市環(huán)保局對(duì)煙氣溫度、煙氣壓力、流速、煙氣含水分量、煙氣含氧量、煙氣污染物排放率、排放量等參數(shù)檢測(cè)的要求。監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)設(shè)置數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元，利用光纖網(wǎng)絡(luò)并入環(huán)保部門網(wǎng)絡(luò)。

3.2 CEMS采樣管路

本工程采用全程高溫伴熱法系統(tǒng)的采樣預(yù)處理系統(tǒng)，從探頭到分析儀的采樣管線采用橋架鋪設(shè)，橋架及管線具有良好的支撐，管線傾斜度≥5°。伴熱管線具備穩(wěn)定、均勻加熱和保溫的功能，保證了在采樣過程中煙氣處于高溫狀態(tài)，避免冷凝及SO2溶解帶來的腐蝕及測(cè)量誤差，同時(shí)滿足HJ75規(guī)范7.2.7條對(duì)伴熱及溫度控制的要求。

3.3 氨逃逸分析儀的維護(hù)

氨逃逸分析儀的運(yùn)行維護(hù)主要關(guān)注以下方面：①光譜分析室的透過率是否正常，需定期檢查是否存在粉塵污染、腐蝕、凝結(jié)水霧、光路形變等導(dǎo)致影響儀表透過率的因素；②檢查儀表風(fēng)的來氣壓力、流量及過濾減壓后的壓力是否正常，其中過濾減壓后的壓力包括總壓、射流泵引流氣壓力及氣體室吹掃氣壓力等；③探頭箱內(nèi)高溫球閥是否正常開啟關(guān)閉，是否存在內(nèi)漏情況；④預(yù)處理系統(tǒng)的射流泵或不銹鋼管堵塞或漏氣；⑤每月對(duì)采樣頭濾芯進(jìn)行檢查，如果污染嚴(yán)重，要進(jìn)行清洗或更換；⑥根據(jù)分析儀表要求標(biāo)定周期進(jìn)行零點(diǎn)和量程標(biāo)定。

4 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐工藝過程復(fù)雜，產(chǎn)生的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等為各地環(huán)保監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，高溫、高壓蒸汽為安全監(jiān)督的重點(diǎn)。通過控制系統(tǒng)及環(huán)保儀表的合理設(shè)置，使控制系統(tǒng)構(gòu)架簡(jiǎn)潔、運(yùn)行方便，并滿足安全環(huán)保部門對(duì)循環(huán)流化床燃煤鍋爐的檢查要求，保障站場(chǎng)環(huán)保、安全、高效的運(yùn)行。