可在线检修的喷氨监控系统改造

时间：2024-07-28

李军，林祥，宁方胜

（1.国家能源集团山东电力有限公司，山东济南 250100；2.国家电网有限公司技术学院分公司，山东济南 250002）

0 引言

现有的燃煤机组脱硝喷氨系统一般设计为双路运行，分别对应锅炉两侧喷氨管道，在实际运行中，当一路喷氨发生故障时，只能停一侧脱硝，造成烟气氮氧化物超标。面对严峻的环保形势，急需解决该问题。本文通过对某在线检修的喷氨监控系统改造，达到了排放要求。

1 电厂脱销现状

SCR（Selective Catalytic Reduction）即为选择性催化还原技术，近几年来发展较快，在国内电厂得到了广泛的应用。氨催化还原法是目前应用最多的技术，它没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，脱除效率高达90%以上，运行可靠，便于维护等优点［1］。在催化剂的作用和有氧气存在条件下，NH3优先和NOx发生还原脱除反应，生成氮气和水，而不和烟气中的氧进行氧化反应，其主要反应式为：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在没有催化剂的情况下，上述化学反应只是在很窄的温度范围内（980℃左右）进行，采用催化剂时其反应温度可控制在300～400℃，相当于锅炉省煤器与空气预热器之间的烟气温度。上述反应为放热反应，由于NOx在烟气中的浓度较低，故反应引起催化剂温度的升高可以忽略，反应介质主要通过氨管道送入喷氨格栅，进行催化反应。图1是SCR法烟气脱硝工艺流程示意图。

图1 SCR法烟气脱硝工艺流程示意图

随着国家对大气污染物超标排放考核日益严格，对环保设备可靠性要求更高。燃煤电厂烟气脱硝系统中，氨（尿素）流量监测仪表和流量调节阀等设备发生缺陷时，影响脱硝系统的稳定运行，引起氮氧化物超排考核，困扰大部分燃煤机组。由于现有喷氨管道的设计方案考虑不周，每台脱硝反应器仅配置了一套氨（尿素）流量监测仪表和流量调节阀，无备用手段。一旦设备发生故障，系统运行期间难以隔离来进行处理，脱硝反应器出口氮氧化物的浓度无法精确控制，容易导致喷氨过量造成较多的氨逃逸或喷氨量过少造成出口氮氧化物超标排放。根据对国家能源下属某300 MW机组缺陷统计，一年内机组喷氨系统产生缺陷共58条。其中，流量计故障18条，调节阀附着杂质造成调节不畅31条，其他9条。查阅工作票发现，该类缺陷的处理一般会持续4～5 h。为保证NOx排放达标，单侧处理缺陷时，运行侧加大喷氨量，会造成喷氨不均。在夏季用电高峰，为保证负荷和排放达标，该现象更为严重，影响了锅炉和相关辅机的安全运行。

现有的脱硝设计规程、集团公司安全性评价标准等技术规范中，未对喷氨量监控装置是否设置备用回路进行明确规定，调查国内外脱硝系统均未设计备用喷氨量监控装置及回路。查阅公开文献，也未发现有从事该问题的相关研究。电厂技术人员也未从根本上解决监控装置故障影响脱硝系统稳定运行问题的对策。为保证环保指标的维持，有必要研究脱硝备用监控装置。改进现有的脱硝喷氨流量监控系统，增加喷氨量检测和调节备用回路，实现运行／备用回路无扰切换，提高脱硝监控系统可靠性，保证脱硝系统的稳定运行，避免因监控系统设备缺陷导致的氮氧化物超标排放或氨逃逸过量危害［2］。改造前系统及存在问题如图2所示。

2 解决方案

经过技术人员讨论确定配置3路喷氨管道，包含调阀、流量计等，配置两套运行喷氨量监控管路和一套备用喷氨量监控管路，并各自通过隔离阀门并联。当任一套运行喷氨量监控管路中的设备出现故障时，将其与备用喷氨量监控管路切换，使其退出运行进行检修，不影响脱硝效果。

图2 改造前喷氨流量监控系统及存在问题

由于氨管道内氨蒸气会含有杂质，一般设备厂家在选型时均选用进口科里奥利质量流量计，经过对多个电厂的考察，使用效果不理想。使用周期一般不超过1.5 a，故障原因主要是氨蒸气中的杂质附着到流量计管壁，造成无法测量。将流量计解体，取出附着物，硬度极高且不溶于强酸、强碱，光谱分析发现主要物质是Fe3O4，以及一些杂质，如图3所示。

图3 附着物光谱分析图

受限于氨蒸气品质，原有的流量计不适合该工况下使用，经过电厂技术人员考察兄弟单位使用情况，考虑到氨蒸气流量监控的精度要求不高，但对可靠性要求突出，选用内部楔块，分体设计的流量计，该类型流量计通流面积大，受介质腐蚀、结垢影响小，并且测量部分能在线更换和清理，电气回路与测量回路分体设计，外壳为316UG不锈钢带00Cr25Ni22Mo2N（2RE69），能够适用于腐蚀性介质。

喷氨调节阀考虑到流体介质为气态氨，选用气动执行机构系统（含阀体、垫圈，以及气源配管、接头等）内未使用含铜、锌及其合金材质的设备材料，关键部件采用进口优质产品，定位器采用隔爆型产品，气缸采用进口STI产品。配套附件过滤器、减压阀（就地压力指示表）、疏水阀等气动三联件，以及隔爆型阀位反馈行程开关，连接管采用316不锈钢。阀门整体为一体化设计供货，考虑到喷氨需要不间断工作，选用阀门任何部件更换周期不大于4 h的某进口产品。

手动阀门选用阀体喷涂环氧树脂，阀座采用硫化高强度厚EPDM橡胶，阀板采用1.4529双相不锈钢，同轴无销连接的进口某品牌产品。改造后回路如图4所示。

图4 改造后喷氨流量监控系统示意图

考虑到在喷氨回路切换过程中，停运的一路管道内会有少量的氨蒸气，检修过程中该管路电伴热停电，会造成管道温度无法保持高温，造成调门或流量计节流位置产生结晶。为解决这个问题，在每个喷氨回路增加一路蒸汽吹扫，通过原氨管道蒸汽伴热引出高温蒸汽，接入到流量计前部，并在调节阀后部引出，排大气。在喷氨回路切换时，停运的一路切换完毕，开启蒸汽吹扫阀门，吹扫3 min，清除管道内残留的氨蒸气。由于蒸汽温度比较高，能达到240℃，如果该停运的管路调节阀内部已经产生结晶，可以加长吹扫时间，对结晶物有良好的清除效果，减轻了检修人员处理该类缺陷需要阀门解体的工作量，缩短了检修时间。

为达到无扰切换的目的，在DCS中，对逻辑进行优化，在喷氨管路切换过程中对需要切换的两个调门操作幅度进行限制，每分钟不大于10%。如果运行操作过快，CRT画面会有报警，并闭锁操作，直到运行人员确认并且速率达到每分钟10%之内，才可进行开启或关闭，从逻辑上杜绝了运行人员的误操作，确保喷氨不过量，排放不超标。

3 实施效果

此方案在某电厂1号机组大修中进行了实施，完成了该机组喷氨流量监控系统的改造。根据现场情况，为保证设备的可靠性，在蒸汽吹扫入口阀门处增加了一道隔离门，经过一段时间运行，效果良好。

该机组为一台300 MW机组，在连续运行的5个月中由于单侧喷氨调节阀故障无法在线检修更换，经常过量喷氨，出现空气预热器差压升高情况。空气预热器差压由原来的平均1 kPa左右升高到平均1.5 kPa左右，引风机电流平均上升约34 A，5个月运行3 600 h左右，按本机组电量计算，电耗增加约32.4万元。方案实施后，曾发生喷氨管路阻塞现象两次，切换到备用旁路检修，未停脱硝，经济效益、环境效益明显。