尿素水解制氨系統(tǒng)智能化運行技術研究與應用

韋松偉，高鵬，張曉遠

摘 要：為解決尿素水解系統(tǒng)人工接卸尿素存在氨中毒的安全風險，降低運行設備誤操作風險，減少人員投入成本，提高設備的可靠性，基于DCS先進控制系統(tǒng)，尿素水解原理，結合尿素接卸、溶解、儲存、水解等過程控制，編程了一套智能化控制系統(tǒng)并應用于尿素水解制氨。以不同狀況下尿素溶解到儲存，和尿素溶液在水解器冷態(tài)、熱態(tài)以及危機工況下的情況進行了實際操作，均能實現一鍵啟停功能。通過多次試驗調試，該智能化控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強，準確性高，可用于水解制氨系統(tǒng)。

關鍵詞：智能化控制;氣力輸送;水解制氨;降低成本;DCS系統(tǒng)

中圖分類號：TQ536 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）12-0035-04

Research and Application of Intelligent Operation Technology of Urea Hydrolysis Ammonia Production System

Wei Songwei， Gao Peng， Zhang Xiaoyuan

（Xuchang Longgang Power Generation Co.， Ltd.， Xuchang 461690， China）

Abstract：It is necessary to solve the safety risk of ammonia poisoning in the manual unloading of urea in the urea hydrolysis system， reduce the misoperation risk of operational equipment， cut down personnel investment cost and improve the reliability of equipment. Based on the advanced control system DCS and the principle of urea hydrolysis， controlling urea unloading， dissolution， storage， hydrolysis and other processes， a set of intelligent control system is programmed and applied to urea hydrolysis ammonia production. Urea is dissolved to storage under different conditions， and the actual operation of urea solution is carried out when the hydrolyzer is in cold， hot and crisis conditions， which can realize the function of one-click start and stop. Through many tests and debugging， the intelligent control system has strong stability and high accuracy， and can be used in hydrolysis ammonia system.

Key words：Intelligent control; Pneumatic conveying; Hydrolysis ammonia production; Reduce costs; DCS system

0 引言

為全面貫徹落實《國家發(fā)展改革委國家能源局關于推進電力安全生產領域改革發(fā)展的實施意見》（發(fā)改能源規(guī)[2017] 1986號）、《國家能源局關于印發(fā)電力行業(yè)危險化學品安全綜合治理實施方案的通知》（國能安全[2017] 65號）對重大危險源（液氨罐區(qū)）替代改造工作提出的明確要求，積極開展燃煤發(fā)電企業(yè)重大危險源——液氨罐區(qū)改造工作。許昌某發(fā)電有限責任公司積極推動重大危險源改造，2018-08進行液氨改尿素項目，2019-06項目整體完工，將機組脫硝系統(tǒng)液氨供氨改為尿素水解供氨，著力提升企業(yè)本質安全水平[1]。建成后的尿素水解制氨系統(tǒng)首先采用人工接卸袋裝尿素，通過斗輪機提升裝置打入罐體進行溶解。這樣一方面可避免人工接卸存在較高作業(yè)安全風險，同時長時間接觸尿素容易產生職業(yè)病;另一方面加大了人工成本[2];再者尿素溶液制備一般就地操作閥門，尿素溶液水解部分雖安裝遠控閥門但每個工序需要人為判斷，大部分操作都要到現場進行操作，這樣存在誤操作風險，同時加大人工投入，給日常維護帶來了很多不便[3]。

綜上所述，影響尿素水解制氨系統(tǒng)在火力發(fā)電廠應用的問題集中存在以下3個方面：①人工接卸安全風險高、人工成本大;②尿素溶解就地手動閥較多，人員頻繁操作很不便利;③尿素溶液水解工藝繁瑣，人員頻繁操作容易出現誤操作風險，不利于水解器長期運行[4]?；谝陨闲枨?，本著高質量發(fā)展理念，本公司針對以上問題進行徹底優(yōu)化，首先增加尿素顆粒罐車氣力輸送，其次對尿素制備區(qū)增加遠控閥，并對制備區(qū)、水解區(qū)建立控制模型對邏輯進行優(yōu)化，實現了尿素水解制氨系統(tǒng)智能化控制[5]。

1 系統(tǒng)組成

尿素水解制氨系統(tǒng)智能化控制系統(tǒng)主要由尿素顆粒罐車氣力輸送、尿素溶解智能控制模型，尿素水解智能控制模型3部分組成。尿素顆粒氣力輸送主要利用罐車替代袋裝尿素通過壓縮空氣實現尿素顆粒的傳輸。尿素溶解、尿素水解智能控制模型主要通過就地閥門優(yōu)化，并在DCS系統(tǒng)建立控制模型，實現尿素水解制氨的智能化控制。

2 主要技術原理

2.1 尿素水解制氨示意圖

尿素水解制氨原理如圖1所示。

尿素顆粒經氣力輸送到溶解罐進行溶解，溶解后打入尿素溶液儲罐儲存，經過尿素輸送泵送入水解器進行水解，產生氨氣供脫硝系統(tǒng)使用。

2.2 尿素顆粒罐車氣力輸送

根據袋裝尿素接卸費時不安全的問題，在尿素溶解罐體增加尿素顆粒輸送管道，該管道直接引到尿素制備車間外部，同時將袋裝尿素運卸改為罐車尿素顆粒運輸。罐車尿素顆粒運來后，將罐車尿素的輸出管路接口對接到尿素制備車間外部尿素顆粒輸送管道上，利用罐車上自帶的壓縮空氣，直接帶動尿素顆粒進入溶解罐進行溶解;同時溶解罐頂部安裝排氣風機，保持溶解罐空氣流通。每天可減少10人接卸尿素的人工投入，同時降低了安全風險[6]。尿素顆粒輸送示意圖如圖2所示。

人工接卸和氣力輸送方式對比如表1所示。

由表1可看出，尿素顆粒罐車氣力輸送方式，按照目前公司脫硝系統(tǒng)參數折算，全年預計需采購尿素8 500 t，根據價格比較，尿素散裝顆粒比袋裝的便宜100元/t，全年可節(jié)約材料費85萬元;人工卸料搬運按照10人計算，全年節(jié)省人工費約70萬元。這樣，不僅有效避免了作業(yè)安全風險，而且材料和人工費用可節(jié)省155萬元/a。兩種接卸方式對比，氣力輸送的人員少，用時、人工、材料成本均比人工接卸方式節(jié)省。

2.3 尿素溶解智能控制模型

尿素溶解系統(tǒng)主要是尿素溶解和儲存，控制模式有半自動、自動和手動模式。半自動模式共有：“啟動”、“補水”、“配液”、“輸送”和“沖洗”5個步序，其中各個程序可單獨執(zhí)行。自動模式：從停止至輸送步序，需人為觸發(fā)按鈕，尿液輸送完畢自動清洗[7]。尿素顆粒溶解智能控制模型圖如圖3所示。

在自動模式下，點擊“啟動”按鈕系統(tǒng)將自動進行以下操作：

（1）啟動后系統(tǒng)自動關閉尿素溶解罐除鹽水來氣動門、疏水進水閥、溶解泵出口氣動閥、沖洗閥、溶解泵出口氣動閥、回流閥。

（2）系統(tǒng)判斷出所有閥位信號正常后，如果溶解罐液位小于低液位時打開進水閥同時打開冷凝水疏水罐疏水泵進行補水;直到液位大于低液位時，停止疏水泵運行，同時關閉補水閥。系統(tǒng)監(jiān)測到泵停止和閥位關閉信號后自動啟動攪拌器，同時打開再循環(huán)閥，監(jiān)測到攪拌器運行信號和再循環(huán)閥開啟信號，系統(tǒng)直接啟動該溶解泵并打開溶解泵出口氣動門（系統(tǒng)提示可卸尿素）。

（3）系統(tǒng)將自動打開輸送管道氣動閥、啟動溶解罐排氣扇，此時具備配液條件，卸料罐車將打開卸料閥，此過程需要持續(xù)40 min，待罐體液位大于溶解罐高液位，且尿素溶液密度大于目標密度后，尿素溶液循環(huán)2 min，顯示卸料完成，將自動關閉輸送管道氣動閥。

（4）系統(tǒng)接收到溶液制備完成后打開儲罐入口氣動門，同時關閉尿素溶解罐再循環(huán)閥，此時往儲罐輸送尿素溶液，一旦溶解罐液位低于低液位，或者儲罐液位高于高液位，直接停止溶解泵，顯示輸送完畢;此過程如遇到緊急情況可以手動停止輸送泵。

（5）輸送完畢后自動啟動沖洗水泵，同時打開溶解泵入口沖洗氣動門，此過程持續(xù)5 min，沖洗溶解罐到儲罐的輸送管道;5 min過后打開再循環(huán)閥，關閉溶解罐到儲罐氣動門，此過程持續(xù)10 min，沖洗溶解罐再循環(huán)管道;沖洗完畢后停止沖洗泵，關閉溶解罐的所有閥門。

至此尿素溶解輸送已全部完成，也可以在半自動、手動模式下進行，只需操作人員點擊相應按鈕即可完成各步序。

2.4 尿素水解智能控制模型

尿素水解系統(tǒng)主要是尿素溶液的水解制氨過程，對水解器控制邏輯進行優(yōu)化，實現冷態(tài)、熱態(tài)啟動，以及過程控制的智能操作運行。在自動控制操作模式下，當操作員按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)在沒有操作員介入的狀況下使水解系統(tǒng)自動填料、預熱、準備噴氨、噴氨過程[8]。尿素溶液水解智能控制模型圖如圖4所示。

在自動模式下，點擊“啟動”按鈕尿素水解系統(tǒng)將自動進行以下操作：

（1）點擊水解器啟動按鈕系統(tǒng)后，系統(tǒng)將自動關閉尿素溶液入口閥、液相回流閥、蒸汽進口閥，同時將蒸汽進口調節(jié)閥、尿素溶液入口調節(jié)閥、氨蒸汽出口調節(jié)閥都置零位，且打手動模式。

（2）所有閥門信號到位后，如果水解器液位大于0.51 m系統(tǒng)將自動跳步到填充尿素溶液過程，如果水解器液位小于于0.51 m，將自動打開除鹽水進口閥，對水解器進行補充除鹽水。一旦水解器液位大于0.51 m，系統(tǒng)將自動關閉除鹽水進口閥。隨后打開尿素入口關斷閥，同時將尿素入口調節(jié)閥置位100%;當水解器液位大于0.85 m后關閉尿素入口關斷閥，同時將尿素入口調節(jié)閥置位0%。

（3）尿素入口關斷閥，調節(jié)閥信號到位后，如果水解器壓力小于0.3 MPa，將自動打開蒸汽進口閥，同時水解器選擇溫控模式，將蒸汽進口調節(jié)閥置為自動模式。閥位信號到位后，溫度設定值為40℃，蒸汽調節(jié)閥自動開啟進行加熱調節(jié)，5 min后設定溫度自動定置到70℃，持續(xù)加熱，溫度升至115℃;維持10 min后系統(tǒng)將自動進入壓控模式，壓力設定值為0.3 MPa，系統(tǒng)將進入到準備噴氨模式。

（4）進入壓控模式后水解器持續(xù)升壓，待壓力大于0.4 MPa后，水解器所有調節(jié)閥均置為自動模式，系統(tǒng)進入準備噴氨模式。

（5）一旦運行機組有噴氨需求，系統(tǒng)將自動打開氨蒸汽出口調門、蒸汽出口閥、尿素溶液進口閥、尿素溶液調節(jié)閥，系統(tǒng)將壓力自動設置為0.55 MPa，液位設置為0.85 m，氨蒸汽出口壓力設置為0.35 MPa。各個系統(tǒng)啟動準備完畢，系統(tǒng)將根據設定值進行自動調整。

（6）系統(tǒng)為防止運行時出現緊急情況，設置有緊急停車和正常停車按鈕。一旦出現危機情況，操作人員可以手動觸發(fā)按鈕，對水解器進行安全保護[9]。

至此，尿素溶解水解正常投入運行，也可以在半自動、手動模式下進行，只需操作人員點擊相應按鈕即可完成各步序。

尿素水解制氨系統(tǒng)的智能化控制，通過尿素顆粒罐車輸送、優(yōu)化控制閥門，實現尿素水解制氨智能化控制的操作功能。尿素水解制氨系統(tǒng)的智能化控制，確保了尿素溶解以及尿素溶液水解系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

人工操作和智能控制的對比情況如表2所示。

由表2可知，兩種操作方式對比，操作人員減少，節(jié)省了人工、材料成本。尿素水解制氨系統(tǒng)的智能化控制，在尿素溶解，尿素溶液輸送、儲存、管道沖洗以及水解器定期排污等操作過程中可減少運行值班人員8人，這樣不但降低了現場操作的安全風險，而且節(jié)約人工成本126萬元/a;三部分智能化控制共計節(jié)約211萬元/a。

3 結語

尿素水解制氨智能化控制解決了運行人員人工卸氨和人工操作的安全風險，降低了氨中毒的風險。同時節(jié)省大量的人力，節(jié)約了成本。通過智能化控制的參數設定，實現了精確控制，防止誤操作的風險。為發(fā)電企業(yè)提高運行效率，保證電廠市場競爭力提供了保障。

參考文獻

[1]趙開題. 脫硝SCR液氨站改尿素制氨技術分析[J].機電信息，2020（30）：79-80.

[2]孫立群，吳 沖. 煙氣脫硝用尿素水解制氨技術理論與實踐[J]. 潔凈煤技術，2020，26（06）：229-236.

[3]王峰濤，田正學，劉振國. 脫硝還原劑尿素法改造常見問題及優(yōu)化探討[J]. 能源與節(jié)能，2021（03）：127-130.

[4]胡從星，王福沖，張家玉，等. 尿素水解脫硝應用中存在問題分析及系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 鍋爐制造，2020（06）：44-45+56.

[5]楊煒明，李二欣. 脫硝系統(tǒng)尿素水解制氨工藝運行成本分析及優(yōu)化設計[J]. 能源與節(jié)能，2020（01）：74-76.

[6]趙靜利，王 暉. 華能玉環(huán)電廠尿素溶解運行優(yōu)化[J]. 湖州師范學院學報，2012，34（S1）：56-57.

[7]謝增孝，王民軍，朱繼峰. 尿素水解法在超超臨界機組脫硝系統(tǒng)中的應用與優(yōu)化[J]. 浙江電力，2020，39（03）：88-93.

[8]牟文彪，黃斐鵬，高強生，等. 尿素水解制氨技術在百萬燃煤機組上的應用[J]. 廣東化工，2020，47（03）：47-48+81.

[9]李秀忠，霍雷霆. 火電廠脫硝系統(tǒng)液氨改尿素實施及性能對比[J]. 東北電力技術，2020，41（09）：16-18+21.