火電廠SCR脫硝系統故障分析及處理措施摘要：為降低火電廠SCR脫硝系統故障發生率，分析總結了故障發生的緣由并進行了相應處理。結果表明：疏通供氨系統管道、優化噴氨調整閥自動調整規律、提高噴氨勻稱能性等措施使SCR脫硝系統運行的平安性和經濟性得到提高。關鍵詞：火電廠;脫硝系統;噴氨調整《煤電節能減排升級與改造行動方案(2014—2020年)》要求燃煤機組NOx排放質量濃度在標準狀態下不高于50mg/m3。據此，燃煤機組需要選擇更合適的脫硝技術以確保環保設施及機組長期平安經濟運行。在各種煙氣脫硝技術中，選擇性催化還原(SCR)脫硝法以其高效有用性而成為燃煤鍋爐脫硝改造的主要技術手段;但暫無SCR脫硝系統相關國家和行業標準，也無故障處理閱歷和預防性維護學問。近些年SCR脫硝系統故障頻發，事故緣由大多為氨氣供應不足、氨稀釋風量低、噴氨自動調整品質差、噴氨勻稱性差等。筆者以某公司1000MW燃煤機組SCR脫硝系統發生的各類故障為例，制定相應的解決方案，為裝有同類型脫硝系統的機組供應參考。1設備概況1.1SCR脫硝流程該電廠2臺1000MW機組均采納SCR脫硝技術，每臺機組安裝1臺SCR反應器。2臺機組分別于2010年6月和7月相繼投產，SCR脫硝系統隨主機投入運行。自機組投產至今，該系統相繼消失各類故障。液氨在氨站經加熱制成氨氣，減壓至約0.3MPa供應SCR脫硝系統。氨氣被氨稀釋風充分混合(氨空稀釋體積比(簡稱氨空比)低于8%)再通過噴氨格柵噴入SCR脫硝系統入口煙道(見圖1)。煙氣與氨氣混合勻稱后，在催化劑催化作用下，煙氣中NOx被還原成氮氣和水。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317187800.jpg”alt=“1.jpg”width=“549”height=“392”/1.2注氨系統該系統在SCR脫硝裝置前部(靠近鍋爐后墻一側)等距離安裝8組注氨系統，每組注氨系統又包括3層(A、B、C層)噴氨支管;每層支管一分為四(見圖2)深化煙道內不同深度，深化煙道的每根管道上等距離安裝多個噴嘴。每根噴氨支管上安裝1個手動蝶閥和1套流量計，通過調整閥門開度來調整每根支管供氨流量，可實現煙道內寬度和深度方向噴氨量調整。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317195212.jpg”alt=“2.jpg”width=“396”height=“306”/1.3SCR噴氨自動掌握系統按原設計，該脫硝系統脫硝噴氨自動掌握采納單回路調整，SCR反應器出口NOx質量濃度設定值與實際值的偏差經PID調整器運算后生成指令，調整氨流量調整閥開度(見圖3)。原設計噴氨自動掌握沒有引入任何前饋量，因而無法投入自動運行。在原設計基礎上引入總風量作為前饋，并以煙囪入口NOx質量濃度為主要掌握目標。目前，該掌握方式良好，在煙氣儀表校驗及機組大幅變負荷時自動調整良好，但在啟停磨煤機時需要人為干預設定值的偏置，才能保證調整系統正常。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317193686.jpg”alt=“3.jpg”width=“439”height=“333”/2典型故障分析2.1氨氣供應不足氨氣供應不足主要體現在SCR反應區需要的氨氣量得不到足夠的供應，在供氨系統無外漏的狀況下，造成該故障的主要緣由為供氨系統壓力低及供氨管路系統不暢通，因此應從氨站內氨氣制備系統和供氨管路系統進行故障分析。2.1.1液氨蒸發器出力不足由圖1可知，該脫硝氨氣制備系統簡潔，在液氨儲罐液位正常狀況下，供氨壓力與液氨蒸發器出力相關。當鍋爐噴氨量增大或液氨蒸發器加熱蒸汽參數(設計加熱蒸汽壓力為0.15MPa，溫度為170℃)下降時，液氨蒸發出的氨氣降低，造成供氨壓力下降。該公司SCR反應器設計有供氨壓力低自動退出的愛護。當氣溫低于-7℃時，蒸發器入口蒸汽壓力不足0.1MPa，溫度僅110℃左右，已接近飽和蒸汽參數，無法滿意蒸發器需求，導致供氨壓力低，脫硝退出。經檢查有以下問題：(1)鍋爐輔汽到氨站加熱管道過長，管道壓損大，約為0.5MPa;(2)沿程管路保溫效果不好，溫降大，約為180K;(3)沿程疏水閥開度過小，不能將管路的新生凝聚水疏盡;(4)氨站蒸發器間歇性用汽;(5)氨站用汽為該路汽源的末端用戶;(6)輔汽聯箱汽源為四抽供汽，滑壓運行，機組負荷低時輔汽聯箱壓力低。蒸發器加熱蒸汽設計為鍋爐幫助蒸汽，且溫度不低于200℃，而實際僅為110℃左右，無法滿意蒸發器對蒸汽的設計參數要求。經綜合分析得出加熱蒸汽品質低是導致蒸發器出力不足的主要緣由。為防止反應區供氨不足，主要實行了以下措施：(1)將冷再至輔汽聯箱壓力投自動，防止機組負荷低造成氨站加熱蒸汽壓力過低;(2)將沿程管路疏水微開，確保管道無積水;(3)在分布式掌握系統(DCS)中增加氨站加熱蒸汽溫度和壓力低報警。現即使大氣溫度低于-10℃，且機組負荷低于500MW時，蒸發器入口蒸汽溫度基本在220℃以上，壓力均在0.3MPa以上，蒸發器熱媒溫度能穩定在70～80℃，完全達到運行要求。2.1.2氨氣管道堵塞機組在緩沖罐出口氨氣壓力和溫度均正常的狀況下，SCR反應區氨氣流量在供氨調整閥全開后仍舊偏低。為防止脫硝超標，采納提高供氨壓力、改善入爐煤煤質、轉變磨煤機組組合、運行調整等幫助手段降低SCR反應器入口NOx質量濃度以削減噴氨量。為排查緣由，利用氨氣檢漏儀對供氨管路系統進行檢測排查，均未發覺氨氣外漏現象。經熱控及機務現場試驗，推斷供氨管路系統各閥門閥芯無脫落。在脫硝系統停運隔離且已被氮氣置換后，對阻火器進行解體檢查，發覺阻火器堵塞嚴峻，對阻火器中結垢物質進行化驗，其主要成分為Fe2O3及SiO2。為防止阻火器再次堵塞，在阻火器安裝前，對供氨管路系統進行徹底吹掃。濾網及阻火器清堵完成、管道吹掃完畢后(清堵后的阻火器見圖4)，恢復系統，氨氣流量明顯增大。現將阻火器、供氨管道積灰檢查納入機組檢修時必檢項目。實行上述整改措施后，脫硝系統運行了約一年半時間，氨氣供應穩定，滿意全負荷下脫硝系統運行要求。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317194997.jpg”alt=“4.jpg”width=“372”height=“276”/2.2氨稀釋風量低氨氣噴入SCR反應器之前，為保證氨空比低于8%，要充分利用空氣進行稀釋。假如氨稀釋風量低，會影響噴氨量的增加。SCR反應器入口NOx質量濃度高時，為保證煙囪入口NOx質量濃度不超標，增加噴氨量，由于氨空比的限制，噴氨增加量就會受到限制。氨稀釋風體積流量降低到肯定程度時，噴氨量不能保證脫硝的全負荷運行。在氧量充分的條件下，熱力型NOx生成主要受爐內溫度制約，燃料型NOx則取決于HCN、NH3等中間產物的生成率，而生成率也是受爐內溫度的制約。為查找該公司氨稀釋風體積流量低于設計值(9000m3/h)的緣由，機組運行中分別對風機入口濾網、風機性能、風機出口自動切換擋板、氨稀釋風管道等進行排查，均未發覺明顯特別。機組停運后，經對氨稀釋風系統設備及管道排查后發覺：(1)氨空混合器后的母管內積灰嚴峻，圓形的安排器的截面積堵塞近50%;(2)噴氨支管流量縮孔堵塞，部分被積灰堵死。待積灰清除后，氨稀釋風量大大增加。如6號鍋爐在清理積灰前氨稀釋風體積流量為6448m3/h，積灰清理后氨稀釋風體積流量增加到9493m3/h，且已超過變送器量程。由此可知，氨空混合器后的氨氣安排器和噴氨支管流量縮孔堵塞是造成氨稀釋風量低的主要緣由。為防止類似故障發生，實行了如下防堵措施：(1)將氨空混合器后的母管和噴氨支管流量縮孔列入機組每次檢修的必檢項目;(2)提高氨氣純度，不定期抽檢，削減氨氣的雜質攜帶;(3)在稀釋風機入口加設了一道致密的濾網，并由檢修人員定期清灰。自防范措施實施后，2臺氨稀釋風機運行時氨稀釋風體積流量均能保持在9000m3/h以上。2.3噴氨自動掌握效果差鑒于噴氨掌握系統的大滯后特性，SCR脫硝噴氨自動掌握系統不能簡潔地將煙囪入口NOx質量濃度作為被調量，否則噴氨自動投入后系統始終在反復振蕩。負荷變化、燃燒狀況變化也會造成SCR反應器入口NOx質量濃度大幅變化。SCR反應器入口NOx質量濃度變化引起SCR脫硝噴氨調整閥無法馬上動作，噴氨調整閥過調量較大，最終造成煙囪入口NOx質量濃度時有超標狀況消失。合理的SCR噴氨調整閥掌握規律應以煙囪入口NOx質量濃度為掌握目標，以SCR反應器出口NOx質量濃度為中間掌握對象，以噴氨量為主要調整回路，同時增加調整前饋。基于此，將原噴氨自動掌握規律修改為帶前饋的回路掌握系統(見圖5)。鍋爐總風量經過函數f4(x)得出噴氨量前饋值。SCR出口和煙囪入口NOx質量濃度實際值經過微分函數f1(x)、f2(x)、f3(x)得出煙囪入口NOx質量濃度猜測值，該猜測值再和煙囪入口NOx設定值相比較，利用PID調整器1得出SCR反應器出口NOx質量濃度的中間值，SCR反應器出口NOx質量濃度的中間值再和SCR反應器出口NOx質量濃度實際值相比較，利用PID調整器2得出噴氨量。該噴氨量與噴氨量前饋值之和得出噴氨量設定值。噴氨量設定值再與噴氨量實際值相比較，利用PID調整器3得出噴氨調整閥的調整指令。該調整回路提高系統的響應速度和精確度;同時，充分引入鍋爐總風量的前饋量，使噴氨自動掌握系統在機組升降負荷、煤質變動狀況下均能保持良好的跟隨性。噴氨自動掌握優化后，機組在50%～100%負荷率下能保持自動投入。正常工況下煙囪入口NOx質量濃度均能掌握在設定值(50mg/m3)內，穩態條件下能掌握在設定值±5mg/m3以內，自動掌握效果良好。討論結果表明：優化脫硝噴氨自動掌握規律，既可以提高煙囪入口NOx質量濃度掌握精確度，又可以有效降低脫硝系統還原劑耗量，對于提高脫硝系統運行的經濟性和平安性都具有重要意義。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317197407.jpg”alt=“5.jpg”width=“375”height=“455”/2.4噴氨勻稱性差隨著SCR脫硝系統運行時間的延長，SCR脫硝系統消失故障，氨逃逸率有增大趨勢。SCR反應器出口氨逃逸體積分數漸漸增加，從早期不足3×10-6(設計值小于3×10-6)上升到42×10-6。較高的氨逃逸體積分數對SCR反應器、空氣預熱器、低溫省煤器等設備構成嚴峻威逼。根據催化劑設計壽命、取樣分析及使用狀況，催化劑失效可能性不大。催化劑磨損會造成氨逃逸率增加，脫硝系統氨氣噴嘴堵塞將加劇氨逃逸。催化劑及噴嘴磨損狀況只能在機組停運后檢查確認。為查找噴氨系統故障，采納排解法，首先從簡單推斷的噴氨勻稱性著手試驗分析。氨逃逸率與氨與NOx的混合效果有著親密的關聯，氨的分布對SCR脫硝系統運行的最佳性能特別重要。依據噴氨勻稱性試驗結果分析，可以看出SCR反應器入口截面NOx質量濃度分布偏差較小，最大為352.7mg/m3，最小為267.6mg/m3，分布較為勻稱(見表1)。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317198248.jpg”alt=“6.jpg”width=“598”height=“297”/SCR反應器出口截面NOx質量濃度沿寬度方向均呈階梯形分布：靠反應器中心線區域NOx質量濃度偏高，靠反應器外側墻區域NOx質量濃度偏低，見表2。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317207799.jpg”alt=“7.jpg”width=“596”height=“333”/SCR反應器出口NOx質量濃度分布偏差較大，存在大面積NOx質量濃度顯著較高的點。與此相對應，反應器左后區域氨逃逸體積分數均超過67.5×10-6，右后區域氨逃逸體積分數均超過75.4×10-6。氨逃逸在線監測儀表安裝于反應器靠右側墻上，這也解釋其顯示值較高的緣由。通過現場分析發覺反應器中間靠前區域的噴氨支管U形管有7根被堵死(存有大量積水)，這些管道對應的噴氨區域無氨氣噴入，造成該區域出口的NOx質量濃度較大。由于氨氣都噴入反應器左后和右后區域，造成這些區域NOx質量濃度較小，甚至測量不到NOx質量濃度。局部區域過量噴氨勢必造成局部區域氨逃逸體積分數較大。支管疏通后，在線噴氨量顯著下降，由此可以得出，噴氨支管堵塞是導致噴氨量較大和噴氨不勻稱的主要緣由，但經測量SCR反應器出口氨逃逸體積分數后發覺仍有部分區域氨逃逸體積分數較高狀況。依據SCR反應器出口NOx質量濃度及逃逸氨分布狀況，對噴氨格柵各支管手動閥開度進行多次調整。噴氨優化調整后，SCR反應器出口截面NOx質量濃度分布較勻稱，見表3。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009202317206176.jpg”alt=“8.jpg”width=“586”height=“343”/進入第1層催化劑前NOx與氨的混合勻稱且速度分布勻稱時，才能保證脫硝效率和出口氨逃逸率穩定。噴氨優化調整后SCR