CN105314653A - 一种尿素水解反应器控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够通过氨气需求量直接得到水解反应产品气流量和水解反应需热量，调整及时，使得水解反应速度的负荷跟随性提高，氨气供应稳定高效的尿素水解反应器控制系统和方法。控制方法包括如下步骤，步骤一，根据氨气需求质量流量对产品气流量进行调节；步骤二，根据氨气需求量对蒸汽流量进行调节；控制系统包括用于接收水解反应器氨气需求指令、水解反应器测量信号的PLC控制器；本发明通过氨气需求质量流量的引入和设定，直接得出水解反应产品气需求质量流量和水解反应需热量，并通过执行机构及时调整，使得水解反应速度的负荷跟随性提高，达到尿素水解制氨系统与SCR烟气脱硝系统的联合运行的目的，保证了氨气连续稳定高效的供应。

Description

一种尿素水解反应器控制系统和方法

技术领域

本发明涉及烟气脱硝系统中尿素水解制氨技术，具体为一种尿素水解反应器控制系统和方法。

背景技术

燃煤发电厂的煤炭燃烧伴随着大量的氮氧化物(NO_X)的排放，对大气造成污染。随着国家环境保护政策的日益严格，利用氨气(NH₃)作为还原剂对锅炉排放烟气进行脱硝处理的技术，已经全面推广。当今，在燃煤发电厂如何安全、连续、有效的制备氨气成为众多生产企业面临的一个新的问题。

在实际生产过程中，利用液氨、氨水制备脱硝还原剂氨气，有着及其严格的审批和监管政策，且液氨、氨水的存储设备属于重大危险源，安全运行成本极高。因此利用风险系数较低的尿素颗粒制备氨气的工艺方案已经逐渐成为大多产企业首选。

目前常见的尿素颗粒制备氨气的工艺方法主要有尿素溶液热解方案(以下简称“热解”)和尿素溶液水解方案(以下简称“水解”)。热解方案的喷氨量控制可通过对尿素溶液的进入量进行简单闭环控制，调节品质能够满足机组负荷波动及严格环保指标的要求。但热解方案需配置较大功率的电加热器，耗电量极大，直接影响到机组的运行节能水平。

水解方案利用低参数水蒸汽对尿素溶液进行加热，促使其发生化学反应，产生还原性产品气体，运行成本低且安全性较高。但由于该方案工艺流程中存在化学反应，相对于物理变化存在迟滞，导致水解方案的负荷跟随性较差。由于尿素水解反应产品气输送过程中需要高温伴热，否则极易结晶造成管路堵塞，因此采用安装缓冲罐的方法保证稳定汽源压力的方案成本较高。

目前常用的方案是调节水解反应器蒸汽流量，调整供气压力。当机组升负荷时，通过增加水解反应器蒸汽量增加输入热量，加快水解反应保证供气压力。但该过程具有较大延迟性，导致SCR反应器喷氨量不足，锅炉氮氧化物排放短期超标。当机组降负荷时，氨气需求量下降，尿素水解反应减速。为了保证尿素水解反应器压力不超标，需向烟气中继续喷氨，这将导致SCR反应器出口氨逃逸超标，对下游设备造成影响，同时造成尿素溶液的浪费。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够通过氨气需求量直接得到水解反应产品气流量和水解反应需热量，调整及时，使得水解反应速度的负荷跟随性提高，氨气供应稳定高效的尿素水解反应器控制系统和方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种尿素水解反应器控制方法，包括如下步骤，

步骤一，根据氨气需求质量流量对产品气流量进行调节；

1.1由尿素溶液密度和尿素溶液温度，通过尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，得到对应温度工况下尿素溶液质量浓度；

1.2由氨气需求量和尿素溶液质量浓度，通过水解反应产品气质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，得到对应尿素溶液浓度工况下产品气需求质量流量；

1.3将产品气需求质量流量作为产品气流量PID控制的目标值，与产品气修正系数和产品气的实时流量一同进行闭环产品气流量PID控制，实现产品气流量跟随氨气需求量的直接变化；

步骤二，根据氨气需求量对蒸汽流量进行调节；

2.1由尿素溶液质量浓度和产品气需求质量流量，通过水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，得到对应尿素溶液质量浓度工况下反应需热量；

2.2由蒸汽温度和蒸汽压力，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄，得到蒸汽完全气化的当前放热量；并与反应需热量比较得到加热时的蒸汽需求流量；

2.3将蒸汽需求流量作为蒸汽流量PID控制的目标值，与蒸汽修正系数和实时的蒸汽流量一同进行闭环蒸汽流量PID控制，实现蒸汽流量跟随氨气需求量的直接变化。

优选的，水解反应产品气需求质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，具体表示为，

Q_产品气＝(Q_NH3×1.7647)/w；

其中，Q_产品气为尿素水解反应产品需求气质量流量；Q_NH3；为氨气需求质量流量；w为尿素溶液质量浓度。

优选的，水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，具体表示为，

q_吸＝A×W×Q_产品气

其中，q_吸为尿素水解反应需热量；A为尿素水解反应产品气流量与反应需热量系数；Q_产品气为尿素水解反应产品气质量流量。

优选的，尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，具体表示为，

w=2.71×10^-3t-4.2+(7.36×10^-6t²+29.72t+26.31ρ-12.12)^1/2；

其中，t为尿素水解反应时尿素溶液温度；ρ为尿素溶液密度。

优选的，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄；

当加热蒸汽为饱和态时表示为，

q_放＝4.184×(-0.003t²＋0.139t＋5576)；

其中，q_放为单位质量饱和水蒸气凝结为饱和水所放出热量；

当加热真气为不饱和态时，将蒸汽压力引入f₄中进行修正。

一种尿素水解反应器控制系统，包括用于接收水解反应器氨气需求指令、水解反应器测量信号的PLC控制器；

所述的PLC控制器包括如下模块；

用于根据尿素溶液密度和尿素溶液温度，通过尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，得到对应温度工况下尿素溶液质量浓度的第三检测模块；

用于氨气需求量和尿素溶液质量浓度，通过水解反应产品气质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，得到对应尿素溶液浓度工况下产品气需求质量流量的第一检测模块；

用于将产品气需求质量流量作为产品气流量PID控制的目标值，与产品气修正系数和产品气的实时流量一同进行闭环产品气流量PID控制的产品气PID控制模块；产品气PID控制模块的输出端连接产品气流量调节阀；

用于根据尿素溶液质量浓度和产品气需求质量流量，通过水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，得到对应尿素溶液质量浓度工况下反应需热量第二检测模块；

用于根据蒸汽温度和蒸汽压力，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄，得到蒸汽完全气化的当前放热量；并与反应需热量比较得到加热时的蒸汽需求流量第四检测模块；

用于将蒸汽需求流量作为蒸汽流量PID控制的目标值，与蒸汽修正系数和实时的蒸汽流量一同进行闭环蒸汽流量PID控制的蒸汽PID控制模块；蒸汽PID控制模块的输出端连接蒸汽流量调节阀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过氨气需求质量流量的引入和设定，直接得出水解反应产品气需求质量流量和水解反应需热量，并通过执行机构及时调整，使得水解反应速度的负荷跟随性提高，达到尿素水解制氨系统与SCR烟气脱硝系统的联合运行的目的，保证了氨气连续、稳定、高效的供应。

进一步的，通过在尿素水解反应器中采集到的尿素溶液密度、温度得出尿素溶液实时质量浓度值，用于精确计算该工况下尿素水解产品气中氨气的成分，并通过与氨气需求量的对比将运行偏差数据引入该系统。

进一步的，通过在尿素水解反应器中采集到的加热蒸汽压力、加热蒸汽温度和加热蒸汽质量流量，得出加热蒸汽放热量实时值，并与当前尿素水解反应需热量比较，通过蒸汽流量调节消除该偏差，保证该系统加热负荷能够及时响应运行需求。

进一步的，通过在尿素水解反应器中得到的产品气质量流量，将产品气质量流量实时值及该工况下产品气需求量偏差引入控制系统，并通过产品气流量调节阀消除偏差，最终响应需氨量负荷。

附图说明

图1为本发明所述控制方法的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明中参与自动控制的执行机构为水解反应产品气流量调节阀和加热蒸汽流量调节阀；参与尿素水解反应控制的测量数据包括反应器内尿素溶液温度，尿素溶液密度，加热蒸汽压力，加热蒸汽温度，蒸汽质量流量，产品气质量流量；参与所述控制的函数包括：不同尿素溶液浓度工况时，水解反应产品气质量流量与氨气质量流量关系f1；不同尿素溶液浓度工况时，水解反应产品气质量流量与反应需热量关系f2；不同温度工况时，尿素溶液密度与质量浓度关系f3；饱和水蒸气气化潜热计算函数f4。

尿素溶液水解反应制氨系统运行时，根据测量得到反应器内尿素溶液的密度、温度实时状态。通过函数f₃计算得出反应器中尿素水溶液的实时质量浓度。在不同尿素溶液浓度工况时，水解反应产品气中氨气组分不同。为了避免因尿素溶液制备时浓度偏差的影响，提高控制的准确性，需将尿素溶液实时质量浓度引入控制系统。

同时，由SCR装置的氨气实时需求量与上述得出的尿素溶液实时浓度，通过函数f₁计算得出在该运行工况下，尿素水解反应产品气的需求质量流量。该产品气流量值即为整套控制系统最终的跟随目标值。

将该值与产品气质量流量的测量值，进行偏差PID计算，并对产品气流量调节阀进行闭环控制，最终使得尿素水解反应制氨系统的运行负荷达到跟随SCR装置负荷的目的。

同时，利用函数f2计算得出在该工况下，能得到产品气需求质量流量的水解反应需热量。根据加热蒸汽压力，加热蒸汽温度，由函数f4得出此时加热蒸汽完全气化的放热量。将同步得出加热蒸汽质量流量的需求量，该流量值作为蒸汽流量调节阀的目标值。该值将于加热蒸汽质量流量的测量值进行偏差PID计算，对蒸汽流量调节阀进行闭环自动控制，以达到对尿素水解反应装置加热负荷的自动控制。

本发明通过对尿素水解反应器各参数的实时检测和准确计算，得出与实际氨气需求量负荷的运行偏差，并对产品气流量调节阀、蒸汽流量调节阀进行闭环控制，完成尿素溶液水解反应制氨系统对燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统运行负荷的跟随。同时在燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统中，本发明一方面能够满足锅炉变负荷时氮氧化物排放指标要求，保证尿素水解反应系统连续、稳定运行。另一方面能够在锅炉减负荷运行时减少尿素溶液的浪费，最大限度的保证尿素水解系统高效运行。

通过对尿素溶液密度和尿素溶液温度经函数f3对尿素溶液浓度进行实时检测，降低了对尿素溶液制备时对溶液浓度的要求，节约了尿素溶液制备装置的投资成本。同时，也提高了对水解反应产品气成分的计算精度，为整体控制奠定了基础。

通过产品气流量调节阀和蒸汽流量调节阀对尿素水解反应制氨量进行调节，SCR区不必再安装氨气流量调节阀，减少了控制设备的使用量，降低了整套系统的维护量。

通过对相关函数预留对应的修正系数，在系统热态调试时能够根据设备的具体情况及时修正，满足不同设备的运行特点。甚至在实际运行时，也能够根据运行偏差进行修正，保证了整套系统的灵活适应性。

Claims (6)

1.一种尿素水解反应器控制方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一，根据氨气需求质量流量对产品气流量进行调节；

1.1由尿素溶液密度和尿素溶液温度，通过尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，得到对应温度工况下尿素溶液质量浓度；

1.2由氨气需求量和尿素溶液质量浓度，通过水解反应产品气质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，得到对应尿素溶液浓度工况下产品气需求质量流量；

1.3将产品气需求质量流量作为产品气流量PID控制的目标值，与产品气修正系数和产品气的实时流量一同进行闭环产品气流量PID控制，实现产品气流量跟随氨气需求量的直接变化；

步骤二，根据氨气需求量对蒸汽流量进行调节；

2.1由尿素溶液质量浓度和产品气需求质量流量，通过水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，得到对应尿素溶液质量浓度工况下反应需热量；

2.2由蒸汽温度和蒸汽压力，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄，得到蒸汽完全气化的当前放热量；并与反应需热量比较得到加热时的蒸汽需求流量；

2.3将蒸汽需求流量作为蒸汽流量PID控制的目标值，与蒸汽修正系数和实时的蒸汽流量一同进行闭环蒸汽流量PID控制，实现蒸汽流量跟随氨气需求量的直接变化。

2.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制方法，其特征在于，水解反应产品气需求质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，具体表示为，

Q_产品气＝(Q_NH3×1.7647)/w；

其中，Q_产品气为尿素水解反应产品需求气质量流量；Q_NH3为氨气需求质量流量；w为尿素溶液质量浓度。

3.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制方法，其特征在于，水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，具体表示为，

q_吸＝A×w×Q_产品气

其中，q_吸为尿素水解反应需热量；A为尿素水解反应产品气流量与反应需热量系数；Q_产品气为尿素水解反应产品气质量流量。

4.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制方法，其特征在于，尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，具体表示为，

w＝2.71×10^-3t-4.2+(7.36×10^-6t²+29.72t+26.31p-12.12)^1/2；

其中，t为尿素水解反应时尿素溶液温度；p为尿素溶液密度。

5.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制方法，其特征在于，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄；

当加热蒸汽为饱和态时表示为，

q_放＝4.184×(-0.003t²+0.139t+557.6)；

其中，q_放为单位质量饱和水蒸气凝结为饱和水所放出热量；

当加热真气为不饱和态时，将蒸汽压力引入f₄中进行修正。

6.一种尿素水解反应器控制系统，其特征在于，包括用于接收水解反应器氨气需求指令、水解反应器测量信号的PLC控制器；

所述的PLC控制器包括如下模块；

用于根据尿素溶液密度和尿素溶液温度，通过尿素溶液密度与质量浓度关系函数f₃，得到对应温度工况下尿素溶液质量浓度的第三检测模块；

用于氨气需求量和尿素溶液质量浓度，通过水解反应产品气质量流量与氨气需求质量流量关系函数f₁，得到对应尿素溶液浓度工况下产品气需求质量流量的第一检测模块；

用于将产品气需求质量流量作为产品气流量PID控制的目标值，与产品气修正系数和产品气的实时流量一同进行闭环产品气流量PID控制的产品气PID控制模块；产品气PID控制模块的输出端连接产品气流量调节阀；

用于根据尿素溶液质量浓度和产品气需求质量流量，通过水解反应产品气质量流量与反应需热量关系函数f₂，得到对应尿素溶液质量浓度工况下反应需热量第二检测模块；

用于根据蒸汽温度和蒸汽压力，通过饱和水蒸气气化潜热函数f₄，得到蒸汽完全气化的当前放热量；并与反应需热量比较得到加热时的蒸汽需求流量第四检测模块；

用于将蒸汽需求流量作为蒸汽流量PID控制的目标值，与蒸汽修正系数和实时的蒸汽流量一同进行闭环蒸汽流量PID控制的蒸汽PID控制模块；蒸汽PID控制模块的输出端连接蒸汽流量调节阀。