来源：火电厂技术联盟
作者：王峰涛，田正学，刘振国
国家能源聊城发电有限公司
摘 要：近几年,脱硝还原剂尿素法改造常见于火电厂,这是为了消除液氨这一危险源。但在改造设计中,有些具体问题容易被设计人员忽视。以L公司为例,尿素制氨系统运行2 a多来,暴露出了卸料管振动大、溶解罐溢流管出气泡、疏水箱振动大、疏水母管无法隔离、气相阀门腐蚀内漏、水解器排污时间定值不合理等一系列问题。经过L公司技术人员的努力,现已对部分问题进行了优化,经过运行,检验效果良好。
关键词：脱硝; 尿素; 母管制; 卸料管; 溶解罐;
脱硝还原剂尿素法改造项目，是火电厂继脱硫、脱硝（液氨）、除尘改造后的重点安全环保项目。国家能源局多次下发相关文件，要求火电厂进行脱硝还原剂尿素法改造，以消除火电厂因液氨存储量较大带来的重大危险。L公司机组装机容量较大，烟气入口NOx浓度高，液氨存储量大，是当时GD集团等级最高的重大危险源。L公司2016年进行了脱硝还原剂尿素法改造的可行性研究，2017年3月开始施工建设，2018年8月逐步投入运行。该项目因在国内属于比较早的大容量液氨改尿素项目，设计经验较少，设计方案不够成熟，所以出现了一些问题，下面做具体介绍。
L公司尿素制氨系统由卸料系统、溶解罐、储存罐、水解器、疏水箱、供氨管道、氨/空气混合器等设备组成。水解器采用母管制并联模式，即3台水解器出口产品气管路相互联络，产品气由2根供氨母管输送至4台机组SCR（选择性催化还原技术）区参与脱硝。其中1#,2#机组（一期）共用1条供氨母管，3#,4#机组（二期）共用1条供氨母管。单台水解器设计出力1300 kg/h，是目前国内容量最大的水解器，设计采用两用一备运行方式，利用机组辅汽加热尿素溶液。图1为尿素制氨系统简图。
图1 尿素制氨系统简图
2.1 卸料管振动大
L公司尿素采用罐车运输，用杂用压缩空气将罐车中的尿素通过不锈钢卸料管输送至溶解罐中。不锈钢卸料管固定在墙上和地面固定支架上，支架与墙面、地面之间由膨胀螺丝连接。在卸料口至尿素溶解罐之间，卸料管转了2个90°弯。卸料时，在压缩空气的推力下，卸料管的90°弯头处振动很大，墙上和固定支架上的地脚螺栓多次振断，严重影响卸料安全。
2.2 溶解罐溢流管出气泡
在尿素进入溶解罐溶解的过程中，尿素溶解增加了水的表面张力，并有大量气体进入尿素溶液，在溶液表面产生大量气泡。这些气泡在溶解罐上部越聚越多，积累到一定程度，就要从排口排出。溶解罐的上部排口一般有2个地方：a)溶解罐的溢流管。气泡从溶解罐溢流管冒出，造成厂房中氨味大，危害值班人员的身心健康。b)溶解罐顶部的风机（有的设计中有，有的没有）。气泡进入风机后，在风机出口聚集，随着气泡的不断破裂，会在风机出口变为液体的尿素溶液，堵塞风机出口。尿素溶液聚集在一起不能排出，积累到一定程度，就会从风机排空管里喷溅出来。风机排空管对着尿素卸料区，喷溅出来的尿素溶液会对卸尿素人员、车辆构成威胁。
2.3 疏水箱振动大
疏水箱用于收集水解器、溶解罐和尿素站区域伴热管的疏水。疏水由于温度高于100℃，如果不用除盐水冷却，无法形成液态水，会全部从疏水箱排气管排入大气。因此，设计时要向疏水箱中加入除盐水，将疏水冷却到84℃，回收至机组除氧器。然而，温度低的除盐水与温度高的疏水接触时，发生剧烈的热交换，导致疏水箱剧烈振动。运行人员专门做过试验，将疏水箱温度降至70℃，仍然振动很大，严重影响疏水箱的安全运行。如果将疏水箱温度降低太多，则需要的除盐水量又很大，同样会导致运行不经济。
2.4 疏水母管无法隔离
水解器、溶解罐和尿素站区域伴热管的疏水全部汇集到疏水母管，然后进入疏水箱。这种设计造成的后果是：a)疏水母管泄漏时，无法隔离检修，母管泄漏时只能选择带压堵漏；b)疏水全部从母管进入疏水箱，使得温度高的疏水与温度低的除盐水发生剧烈的热交换，造成疏水箱剧烈振动。
2.5 气相阀门腐蚀内漏
水解器气侧及供氨母管上的阀门，包括阀体和阀芯，全部选用316L不锈钢材质，阀门密封采用软密封。尿素制氨系统运行未满1a，气相阀门就陆续出现了内漏现象。后来拆解供氨母管上阀门，发现阀芯表面被腐蚀得坑坑洼洼，如图2所示。尿素制氨系统投运后，还出现了一次因阀门内漏造成供氨管道堵塞的问题，导致机组启动推迟了40 h。
2.6 水解器排污时间定值不合理
图2 气相阀门腐蚀内漏
2.7 3台水解器无法全部投入自动运行
原设计3台水解器采用两用一备运行模式，但因烟气NOx浓度边界条件改变、燃煤煤质不稳定、京津冀大气污染传输通道城市重污染天气响应等原因，导致实际运行3台机组时就要投入3台水解器。然而设计的调节逻辑是针对两用一备模式，在现有的调节逻辑框架下，无法实现3台水解器全部自动运行。
除此之外，还有供氨母管伴热管道支管没有隔离阀，伴热支管泄漏时只能隔离全部伴热管道进行检修，供氨母管中有结晶的风险。
3.1 卸料管振动大优化
经过公司技术人员多方论证，发现卸料管振动大的原因在2个90°弯头上。压缩空气在弯头处对管道产生正向推力，使管道有规律的振动。针对该原因，检修人员将2个90°弯头用短直管段拼接成小角度大弯头，压缩空气产生的正向推力沿着小角度大弯头进入了溶解罐。这样改造后，压缩空气产生的推力更多地用来输送尿素，减少了管路沿途的能量损失，卸一罐车30 t的尿素由之前的2.5 h缩短到1.5 h，既消除了管道振动的安全隐患，又节约了压缩空气，降低了能耗。2根卸料管改造实景如图3所示。
图3 2根卸料管改造实景图
3.2 溶解罐溢流管出气泡问题优化3.3 疏水箱和疏水母管问题优化
对于疏水箱排空管冒蒸汽问题，公司技术人员对排空管口进行改造，将管口改成向上，并设置了2道弯，延长蒸汽的冷凝停留时间，冷凝水回收至疏水箱，改造后效果如图5所示。改造后，通过疏水箱排空管排放的蒸汽约减少了50%，但不能实现全部蒸汽的回收。
对于新建项目，应从设计上重新考虑疏水箱和疏水母管的问题。疏水要实行支管制，各路疏水单独进入疏水箱，进入疏水箱的方向均匀分散开，并在疏水箱内增加分布管，大幅增加疏水与除盐水的接触面积，降低热交换的强度，这样疏水箱振动大的问题也迎刃而解。考虑到造价成本，如果不能方便地实现各路疏水单独进入疏水箱，也至少将溶解罐、水解器、尿素水解车间伴热疏水三路分开，并在各支路上设隔离门，以方便检修。另外，疏水箱的温度重新设计，构建模型计算最优的疏水、除盐水比例，实现疏水箱热量、水量的最优回收率。
图4 风机改造实景图
图5 疏水箱排空管改造实景图
3.4 气相阀门腐蚀内漏问题优化
尿素水解器气相阀门腐蚀内漏问题近2年引起了越来越多同行的重视，包括尿素水解器供应商。目前普遍认为，316L不锈钢不能耐受尿素水解后氨混合气的腐蚀。常见的措施是升级阀门阀芯材质，比如采用尿素级316L不锈钢、2205双相不锈钢、2507双相不锈钢。通过材质升级，密封改良，有效延长了气相阀门腐蚀内漏的时间，延长了阀门的使用寿命。
3.5 水解器排污时间定值优化
水解器排污时间需根据水解器的运行状态确定。机组负荷高，水解器出力大时，适当增加水解器排污时间和排污次数。机组负荷低，水解器出力小时，适当减少水解器排污时间和排污次数。L公司水解器排污次数和排污时间规定如下：机组负荷较高的7—9月，每台水解器每周排污2次，每次8 min；其他月份，每台水解器每周排污1次，每次10 min。排污效果的评价标准就是水解器液位波动小，水解器运行平稳。在现有规定下，如果水解器液位波动有上升趋势，可适当增加排污时间和次数。
3.6 水解器调节逻辑优化
自2019年7月11日出现水解器供氨中断事件后，L公司技术人员一直在研究优化水解器调节逻辑的方式，尝试了不少办法，均未达到预期效果。2020年3月，经过各专业技术人员的充分讨论，决定对水解器调节逻辑进行如下优化：在现有调节逻辑的基础上，以现有任意一台水解器（以2#水解器为例）的调节逻辑为主，另外2台水解器（1#,3#水解器）氨蒸汽出口调阀的调节由选定水解器的调节逻辑控制。在1#,3#水解器的氨蒸汽出口调阀上增加“投入”“退出”按钮和“水解器喷氨调阀指令偏置”对话框，在需要将1#,3#水解器投自动时，该水解器的氨蒸汽出口调阀开度调整到与2#水解器大体一致，然后点“投入”按钮，该水解器就自动接受2#水解器调节逻辑的控制，并通过在对应水解器喷氨调阀指令偏置对话框中输入正负值来增大、减小对应水解器供氨调阀开度。水解器需要单独调节时，点相应的“退出”按钮，该水解器氨蒸汽出口调阀就接受该水解器本身调节逻辑控制。改造后效果如图6所示。这次水解器调节逻辑优化后，水解器可以全部投入自动调节，即使机组烟气入口NOx浓度升高较快，运行也相对稳定，减小了运行值班人员的工作量和工作压力，取得了良好的效果。
此外，伴热管道不方便检修，无法隔离时，只需设计时在适当位置增加隔离门即可解决。
通过对以上常见问题的优化，消除了影响尿素制氨系统安全稳定运行的隐患，尿素制氨系统的可靠性和安全系数大大提高，有效破解了母管制尿素制氨系统存在的一些通病，实现了水解器全部投入自动运行。母管制尿素制氨系统投运后，只要不是全厂机组停运，就没有全部停运的机会，因此，在设计尿素制氨系统时，要充分考虑到检修的可操作性，在设备发生泄漏或故障时方便检修。
图6 水解器调节改造后效果图
作者简介： 王峰涛,1988年生,男,山东济宁人,2017年毕业于陕西师范大学工商管理专业,硕士,工程师。