PKS控制系统在锅炉烟气脱硝处理中的应用

颜廷柱

（山东阳煤恒通化工股份有限公司，山东 郯城 276100）

引言

山东阳煤恒通化工股份有限公司是集煤化工、盐化工及热电联产于一体的联合化工企业，2012年根据生产实际情况配套新增一台240t/h高温高压循环流化床锅炉，按照国家《火电厂大气污染物排放标准》的要求，需要进行烟气脱尘、脱硫和脱硝处理。电除尘和脱硫系统在现有运行锅炉中已经积累了丰富的工艺设备安装和操作控制经验，而脱硝装置的工艺设备、技术方案的选择以及DCS控制系统组态应用等方面则完全是首次，特别是脱硝过程中氨流量的调节以及吹灰顺控程序的组态等都是一个新的课题，Honeywell PKS控制系统作为一款开放型分布过程控制系统，其完善的自诊断功能，灵活的组态工具和模块化的软硬件结构，满足了脱硝装置DCS控制需求，确保了装置设备的长期安全稳定运行，为企业带来了良好的环保效益。

1 PKS控制系统硬件概况

Experion PKS系统是Honeywell公司推出的基于批处理、过程控制、SCADA应用于一体的开放式混合控制系统。其整合了资产配置、过程性能、人员效率和经营管理的灵活性，增加了先进自动化控制平台和安全管理，通过系统提供的大量功能块库很方便来实现连续过程控制、产品批量处理、离散量操作、设备控制等生产需求。其先进的控制理念、可靠的稳定性、完善的支持服务等优势得到了用户的认可，在石油、化工、冶金、钢铁等行业得到了广泛应用

一个最基本的PKS系统结构主要由I/O卡件、C300控制器、CF（Control Firewall）防火墙、ESV服务器、ESC操作站以及由CISCO交换机为核心构成的Fault Tolerant Ethernet（FTE）容错网络组成[1]。

C300控制器是PKS系统的关键装置，它包括硬件控制器和控制软件CEE，每个控制器有两个IO LINKS接口，可以连接C系列I/O卡件或PMIO卡件，主要有完成上位通讯、点对点通讯、IOLINK IO通讯和控制执行环境等功能；CF控制防火墙，在已有可靠的网络架构基础上，增加一层高安全防护以拒绝接收所有控制器不需要的信息；FTE容错网络是Honeywell专为PKS量身定制开发的专利网络技术，以先进的多路由选择替代传统双网结构模式，不但提供了容错的特点，也提供了快速网络响应及工业以太网控制应用的安全性；ESV服务器完成控制策略的生成和操作画面的绘制，以及数据库的采集、处理和存储，进行报警管理，网络管理等基本功能。

2 脱硝装置的工艺原理及流程

该新增配套锅炉设计额定蒸汽量240t/h的循环流化床锅炉，采用煤矸石 + 贫煤为原料，烟气中的氮氧化合物通常由95%的NO和5%的NO2组成，烟气脱硝装置以纯氨（NH3）为还原剂、催化剂采用蜂窝式催化剂，使用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction）即 SCR工艺技术。

脱硝装置的设备主要包括制氨系统、烟道系统、SCR反应器以及吹灰系统四个部分，来自液氨缓冲罐的液氨在空气混合器中气化并与空气充分混和，进入位于SCR反应器入口烟道上的氨注射栅格（AIG），一定温度下的氨和空气混合物注射入烟气通道，再与锅炉烟气充分混合后通过SCR反应器催化剂层，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与氨在催化剂的表面发生充分的化学还原反应，生成N2和H2O，从而达到除去氮氧化物的目的。

脱硝装置的核心设备—SCR反应器布置于电除尘器之前，锅炉高温段省煤器与中温段省煤器之间，锅炉燃烧产生的飞灰将流经反应器，为防止反应器积灰，每层反应器的入口布置有吹灰器，通过吹灰器的定期吹扫来清除催化剂上的积灰。

3 脱硝系统的主要控制回路

脱硝工艺DCS的操作作为锅炉DCS系统的一个子站纳入到锅炉DCS操作站统一控制，运行人员直接通过集控室内的锅炉DCS操作员站完成对脱硝过程的温度、压力、流量等工艺参数的监视和操作，并对重要监测点的历史数据和报警进行记录，烟气脱硝处理过程中主要的联锁保护及控制回路如下。

3.1 氨稀释系统联锁与控制

脱硝装置配有2台稀释风机，为1运1备的运行方式，进口装有调节挡板、出口装有流量计，用于监测和调节风机流量，在满足启动条件的情况下稀释风机可实现就地/远程控制，为保证氨注入烟道的绝对安全以及均匀混合，将氨浓度控制在爆炸极限（其爆炸极限在空气中体积为15%～28%）下限以下，两台稀释风机采用互备联锁方式，当某台风机出现事故跳闸信号或风机运行时稀释空气流量＜850m3/h并超过3分钟，DCS系统发出报警并启动备用风机。

炉前设置氨气浓度监测，以监测氨气泄漏量，根据监测值的大小，DCS发出声光报警对操作人员进行提醒，若氨气浓度增大到一定值，氨出口切断阀将进行强制关闭；若稀释空气流量继续减小到750m3/h时并超过5秒钟，在报警的同时关闭氨进口阀；在氨气混合器后设有氨气浓度测点，根据计算得到的氨与空气比，当氨气与空气比值＞8%时发出报警，比值＞10%且超过5秒，报警的同时关闭氨出口，保证氨/空气比值在安全范围内。

3.2 氨流量控制回路

在SCR工艺中氨流量控制是影响脱硝效果的重要因素，喷氨量少会使脱硝效率过低，喷氨量过大容易导致氨逃逸率上升造成尾部烟道积灰。根据当前脱硝装置的运行情况，脱硝系统氨气流量控制采用了基本控制方式Constant Mole Ratio Control（固定摩尔比控制方式），在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中

由于NO是NOx的主要成分（通常烟气中NOx含有95%的NO，其余5%为NO2），因此利用NO的测量结果来计算烟气中NOx的总浓度；根据测定的入口NO浓度和烟气流量，确定SCR脱除NOx的摩尔流量，需要脱除的NOx的摩尔流量乘以NH3的摩尔质量，就决定了需要注入催化剂上游AIG的氨的质量流量；考虑到NH3和经过催化剂的NOx分布之间的偏差、催化剂的失效、仪器校准误差和锅炉燃烧曲线中的错误等实际因素，根据SCR进出口NO值间的差异计算出脱硝的效率，并对NH3的摩尔质量进行调整和修正，并将此修正值反馈给氨流量控制器来对氨流量进行精确调节。

3.3 SCR反应器的吹灰过程控制

在锅炉运行过程中，煤炭燃烧产生的灰粒随烟气飘浮至催化剂表面，再加上烟气中的酸蒸汽车和水蒸汽在低温壁面上凝结，增加了灰分的黏性使灰层加厚，容易造成催化剂通向活性位的通道阻塞，减小催化剂的有效体积，或者催化剂活性损失中毒现象的发生[3]，因此在SCR反应器每层催化剂的上方安装了2台耙式吹灰器，采用蒸汽吹除法来清除催化剂表面积灰，保证催化剂的活性成为SCR脱硝反应器稳定运行的关键。

脱硝吹灰过程可以由操作员通过DCS操作画面的启动按钮执行，或者根据催化剂进出口差压联锁值（设计差压为300Pa）自动启动程序。吹灰程序设计为典型的顺序控制回路，在程序启动时要先检测吹灰蒸汽入口温度和压力，如烟气温度过高将会使催化剂烧结、烟气温度过低时NH3会和SO3反应生成酸性硫酸铵，从而会堵塞催化反应器通道和污染空气预热器，设计要求温度在350℃～410℃，压力在1.18～2.95MPa。

为保证吹灰器的有序安全运行，每台反应器的吹灰器按从上至下的催化剂层依次运行，即上一层催化剂的吹灰器在设定的时间内依次启动运行后，再开始运行下一层催化剂的吹灰器,保证每台反应器每次只有1台吹灰器运行，当1个吹灰器已处于运行或离开静止位置时其它吹灰器无法启动，在前进周期检测到电机电流偏高时DCS产生报警并将吹灰器收回。

4 结语

该锅炉自开车运行以来，PKS控制系统运行平稳，特别是脱硝系统所有生产过程的温度、压力、流量及液位等工艺参数，均由控制室内的DCS操作站进行监控制，工艺指标超限可自动报警并提供长期历史查询；自动化控制程度高安全联锁措施完备；脱硝效果明显，氮氧化合物排放浓度稳定控制在100mg/m3以下，创造了良好的经济效益和环境效益，也为以后其他锅炉的脱硝改造积累了经验。

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

[2]罗子湛，孟立新.燃煤电站SCR烟气脱硝喷氨自动控制方式优化[J].电站系统工程，2010（7）.

[3]顾彧，金保升，肖刚.SCR积灰特性及清灰技术的比较分析[J].能源研究与应用，2008（8）.