基于DCS的脫硝尿素水解制氨系統

李志遠

（國能龍源環保有限公司諫壁分公司，江蘇鎮江 212006）

0 引言

鑒于目前日趨嚴峻的國內安全生產形勢，火電廠的安全管理面臨著越來越大的挑戰，從嚴管理，消除危險隱患勢在必行。在安全管理措施中，利用技術手段，通過工藝或設備改造，往往能達到事半功倍的預期效果。一般電廠脫硝[1]都是采用液氨作為SCR[2]脫硝的還原劑，通過液氨車送到氨站，把氨氣打入氨儲存罐，需供氨脫硝時把噴氨調節門打開，使氨氣與煙氣充分混合，脫出煙氣中的NO氣體，實現環保達標排放。依據《重大危險源識別》規定，如果氨站儲罐里面的氨氣儲量在10 t以上，則屬于重大危險源。隨著脫硝技術的普遍采用，從電廠防控安全風險的實際角度出發，降低液氨在運輸和使用過程中的風險，脫硝所使用的還原劑液氨改為尿素水解制氨[3]工藝是非常有必要的。尿素是一種無色的化學物質，易于儲藏和運輸，適合做制氨的主要原料。與液氨系統相比，尿素制氨系統相對來說較為復雜，運行成本高, 反應器會被腐蝕，但運行能耗低，安全穩定，越來越受到大多數電廠的青睞。在尿素制氨系統中，先是用汽車將尿素送至制備現場，在水解器里面水解，分解出的氨氣經稀釋風機稀釋后，進入氨混合氣中，由噴射系統噴入脫硝。在整個工藝過程中，重要一步是水解器里面的尿素發生水解。水解系統的控制已實現了遠程自動控制，無需人為操作或干預，省時省力。DCS[4]系統根據水解器的輸入壓力、溫度等信號，經過PID[5]邏輯運算，自動輸出指令，精確穩定，在脫硝系統中有著廣泛的應用。

1 工藝系統簡介

尿素水解制氨系統（如圖1）主要功能是將產生煙氣脫硝裝置所用尿素顆粒卸載、制備溶液，供應合格尿素溶液，并將尿素溶液分解，產生SCR脫硝裝置適用的氨氣，尿素水解工藝的化學反應式如下：CO（NH2）2+H20→2NH3↑+CO2↑。系統投運時向SCR系統提供足夠的氨氣，以保證SCR還原反應的進行。

圖1 尿素制氨系統工藝圖

尿素顆粒溶解系統設置尿素溶解罐，溶解罐公稱容量為59 m3，溶解罐由304L不銹鋼制造，室內布置，罐體保溫。在溶解罐中，用除鹽水和干尿素配置制成50%的尿素溶液。除鹽水來自公用除鹽水系統或尿素車間的疏水箱；人工拆袋后的尿素顆粒經過電動葫蘆進行提升進入溶解罐，或由尿素顆粒輸送罐車運至現場，采用氣力輸送進入尿素溶解罐。當尿素溶液溫度過低時，蒸汽加熱系統啟動，通過罐下部加熱盤管給溶液加熱，防止溶液內的尿素結晶。為了使尿素溶液混合更充分，溶解泵將尿素輸送到溶解罐的四周，箱內有流量計和液位計。混合泵循環管道上設置密度計，用以判斷尿素溶液濃度，罐內設置有攪拌器，配置溶液時可加速溶解過程。設置4臺尿素溶液溶解泵，每臺溶解罐對應兩臺溶解泵，一運一備。尿素在溶解罐中溶解時，利用溶解泵和循環管道將尿素溶液打循環，以獲得好的溶解和混合效果。等溶液達到目標值后，溶解泵會將尿素輸送到專門盛放溶液箱內儲存。

尿素水解反應系統設置尿素水解器模塊，水解器模塊設計氨氣出力為650 kg/h，并配套尿素溶液制備、輸送及公用蒸汽系統、疏水系統及廢水等系統。超過濃度1/2的溶液打到水解反應器內，與進入罐內的蒸汽混合，產生的冷凝水通過廢水箱、廢水泵收集。當濃度、壓力、溫度達到定值時，水解反應器內尿素就會發生水解，產生氨氣混合氣并通過管道和閥門送入電廠脫硝系統脫硝。

2 尿素水解DCS控制邏輯

2.1 控制說明

脫硝系統尿素水解部分采用DCS控制。尿素區DCS系統硬件設備由1臺工程師站、1臺操作員站、1臺A3/A4彩色激光打印機、兩面控制柜，以及一面DCS網絡電源柜組成，軟件與脫硝系統DCS保持一致。

脫硝系統采用集中監控方式，需脫硝控制系統上進行修改，包括DAS系統、順控控制和自動調節，硬件通過遠程I/O與脫硝DCS系統網路相連，運行人員在集控室可通過操作員站對尿素水解器系統完成啟停、參數調整、故障處理等，不需工作人員到現場操作，自動化程度很高。在操作員運行畫面，水解系統共有8種狀態，分別是：停止、啟動、填料、預熱、準備噴氨、噴氨、正常停車、緊急停車。控制系統顯示屏上必須有以下按鈕，可供操作員對水解器的邏輯進行控制，如表1所示。

表1 DCS畫面水解器操作按鈕

水解器控制系統邏輯的設計可用操作中的兩個控制模式：自動和半自動模式。通過控制系統顯示屏上的按鈕選擇不同的控制模式，水解器可以在任何一種模式下獨立啟動和運行。

在自動控制操作模式下，當操作員按下啟動按鈕，控制系統在沒有操作員介入的狀況下使水解系統自動完成直至準備噴氨狀態并保持此狀態，當屏幕顯示允許噴氨，且接收到控制器的噴氨許可指令，操作員按下噴氨按鈕，使水解器進入噴氨狀態，每個運行的狀態都會在控制系統顯示屏上顯示。

在半自動控制操作下，每個狀態結束時水解器會暫停。操作員必須按下控制顯示器系統上的按鈕，推進邏輯進入下一邏輯狀態。例如，在半自動模式下，如果滿足所有許可指令，操作員點擊啟動系統將進入啟動狀態；然而，操作員必須按下填料按鈕，系統才能進入填料狀態。當屏幕顯示填料狀態完成時會暫停，直到操作員按下預熱按鈕，才能進入預熱狀態。加熱周期持續大約40 min，當屏幕顯示預熱狀態完成，隨后系統自動進入準備噴氨狀態并保持此狀態，當屏幕顯示允許噴氨，且接收到控制器的噴氨許可指令，操作員按下噴氨按鈕，使水解器進入噴氨狀態。在噴氨狀態下，操作員可以按下噴氨-準備噴氨按鈕，系統將進入準備噴氨狀態。若要使水解器停止，操作員可以按下正常停車按鈕進行正常關機，或者是按下緊急停車按鈕進行緊急停機。當超出某些特定的臨界安全極限時，緊急停車將自動啟動。在手動模式下只要特定設備在當前狀態下運行條件得到充分滿足，水解器系統中所有的閥門隨時可以通過手動調節開始運行。

當出現系統故障，正常停車或緊急停車狀態被激活時，正在運行的狀態會被中斷。當啟動這兩種關機程序的任何一種時，系統轉換為啟動關機狀態，然后在水解器冷卻后或者減壓后變為停止狀態。

2.2 控制策略

尿素水解系統的DCS控制策略[6]包括水解器的液位控制、溫控和壓力控制、氨氣混合氣控制，以及重要設備及參數的連鎖保護控制，控制策略的主要目的是使運行參數在設定的范圍內，當超過范圍時，連鎖保護動作，保護設備的安全穩定運行。

水解反應器液位控制用的是PID單回路[7]控制系統,根據水解器液位自動調節尿素溶液進口調閥，將水解器液位維持在正常工作范圍內，控制液位為水解器目標液位。尿素水解系統啟動時，控制水解反應器內的溫度，當啟動完成后，轉為正常運行噴氨狀態下，主要控制水解反應器內的壓力。

水解器的溫度與壓力控制（如圖2）在達到一定的條件下自動切換。氨氣混合氣的輸出量的多少是根據脫硝A/B側出口NOX設定濃度來決定的，供氨調節閥控制著水解反應器產生氨氣的流量，隨著氨氣需求量的大小而變化，及時跟蹤，有效控制。

圖2 DCS水解器壓力/溫度控制SAMA圖

當水解器的參數數據超過正常值時，就需要自動控制系統采取相應的保護措施，保護人身和設備的安全不受侵害。在液位、溫度及壓力連鎖保護中，其中壓力的保護是水解反應器最重要的保護，因此控制系統采取了雙冗余保護。當壓力超過正常值的一半以上時，需將氨氣打入廢水箱內降壓；當壓力達到一定程度，接近設計值時，安全閥動作泄壓。如水解器安全閥泄壓至車間地坑管道無流量開關，在檢測到水解器安全閥壓力開關閉合時或水解器壓力≥安全閥起跳壓力時，需聯鎖打開地坑噴淋閥，直至現場確認泄壓完成且安全后，再手動關閉地坑噴淋閥。

水解器的初始填料只有在水解器的容器完全排空之后方可進行，加入質量分數為50%的除鹽水和同樣比例濃度的尿素，直到水解器內液面高度超過設定值。添加尿素完成后系統會進入到準備加熱，若系統是預備噴氨，水解器控制系統會將儲罐內的壓力控制在0.5 MPa以下，為保持壓力定值，這時溫度值沒有特別要求，可以設定任何數值。

3 結語

利用尿素水解的方法制氨氣工藝，技術先進可靠，滿足環境保護的技術要求，系統簡單，維護方便，與液氨法作為還原劑相比，原材料在運輸、儲藏、使用過程中更加安全，消除了電廠氨站重大危險源，能滿足不同鍋爐負荷及脫硝效率的要求，是現在比較適合電廠脫硝的一種還原劑。尿素水解制氨是一個化學反應過程，要求控制系統穩定，自動化程度高。DCS比PLC[8]更穩定，有更多的I/O點，能采集更多的儀表或閥門信號，進行顯示、操作及邏輯運算。在尿素制氨系統中，有很多重要設備能實現自動控制，準確性很高，這是由于DCS系統有PID調節器的原因，調節器將給定值與反饋值做差，通過比例、積分、微分的作用，能夠實現閉環控制，提高了現場設備的自動化水平和程度，最大限度地減少了人工操作，節省了人力和時間，能有效地避免人員誤操作所引起的設備跳閘、環保超標、設備損壞等不利影響。