CN205151792U - 一种尿素水解反应器控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种尿素水解反应器控制系统，包括检测装置，控制装置和执行机构；检测装置包括分别设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽压力计，蒸汽温度计和蒸汽流量计，分别设置在尿素水解反应器上的尿素溶液密度计和尿素溶液温度计；控制装置包括产品气需求质量流量检测模块，反应需热量检测模块，尿素溶液质量浓度检测模块和蒸汽需求流量检测模块，以及比较器和用于对蒸汽流量调节阀进行PID闭环控制的蒸汽PID控制器；执行机构包括设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽流量调节阀；通过氨气需求质量流量的引入和设定，利用通过硬件逻辑连接的各个检测模块和PID控制器，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。

Description

一种尿素水解反应器控制系统

技术领域

本实用新型涉及烟气脱硝系统中尿素水解制氨装置，具体为一种尿素水解反应器控制系统。

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。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种结构简单，精确可靠，响应迅速，实时控制的尿素水解反应器控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种尿素水解反应器控制系统，包括检测装置，控制装置和执行机构；

检测装置包括分别设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽压力计，蒸汽温度计和蒸汽流量计，分别设置在尿素水解反应器上的尿素溶液密度计和尿素溶液温度计；所述的控制装置包括产品气需求质量流量检测模块，反应需热量检测模块，尿素溶液质量浓度检测模块和蒸汽需求流量检测模块，以及比较器和用于对蒸汽流量调节阀进行PID闭环控制的蒸汽PID控制器；所述的执行机构包括设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽流量调节阀；

气需求质量流量检测模块的输入端连接上位机输出端输出的氨气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块的输出端输出的溶液浓度信号；

反应需热量检测模块的输入端分别连接气需求质量流量检测模块的输出端输出的产品气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块的输出端输出的溶液浓度信号；

尿素溶液质量浓度检测模块的输入端分别连接尿素溶液密度计和尿素溶液温度计输出端；

蒸汽需求流量检测模块的输入端分别连接蒸汽压力计的蒸汽温度计输出端；

比较器的输入端分别连接反应需热量检测模块的输出端输出的反应需热量信号和蒸汽需求流量检测模块的输出端输出的当前放热量信号；蒸汽PID控制器的目标控制端连接比较器的输出端输出蒸汽需求流量信号，反馈端连接蒸汽气流量计的输出端，输出端连接蒸汽流量调节阀的控制端。

优选的，检测装置还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量计；执行机构还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量调节阀；控制装置包括用于对产品气流量调节阀进行PID闭环控制的产品气PID控制器；

产品气PID控制器的目标控制端连接气需求质量流量检测模块的输出端输出的产品气需求质量流量信号，反馈端连接产品气流量计的输出端，输出端连接产品气流量调节阀的控制端。

优选的，产品气需求质量流量检测模块，反应需热量检测模块，尿素溶液质量浓度检测模块和蒸汽需求流量检测模块均分别采用对应功能的PLC控制器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过氨气需求质量流量的引入和设定，利用通过硬件逻辑连接的各个检测模块和PID控制器，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；控制系统整体结构简单，连接方便，设计合理，工作稳定可靠，实现对蒸汽流量的实时控制。

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和温度利用对应检测模块中的多项式运算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，利用对应检测模块中的多项式运算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为本实用新型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实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型一种尿素水解反应器控制系统，如图1所示，其包括检测装置，控制装置和执行机构；检测装置包括分别设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽压力计5，蒸汽温度计6和蒸汽流量计7，分别设置在尿素水解反应器上的尿素溶液密度计4和尿素溶液温度计3；所述的控制装置包括产品气需求质量流量检测模块f1，反应需热量检测模块f2，尿素溶液质量浓度检测模块f3和蒸汽需求流量检测模块f4，以及比较器11和用于对蒸汽流量调节阀2进行PID闭环控制的蒸汽PID控制器10；执行机构包括设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽流量调节阀2；气需求质量流量检测模块f1的输入端连接上位机输出端输出的氨气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块f3的输出端输出的溶液浓度信号；反应需热量检测模块f2的输入端分别连接气需求质量流量检测模块f1的输出端输出的产品气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块f3的输出端输出的溶液浓度信号；尿素溶液质量浓度检测模块f3的输入端分别连接尿素溶液密度计4和尿素溶液温度计3输出端；蒸汽需求流量检测模块f4的输入端分别连接蒸汽压力计5的蒸汽温度计6输出端；比较器11的输入端分别连接反应需热量检测模块f2的输出端输出的反应需热量信号和蒸汽需求流量检测模块f4的输出端输出的当前放热量信号；蒸汽PID控制器10的目标控制端连接比较器11的输出端输出蒸汽需求流量信号，反馈端连接蒸汽气流量计7的输出端，输出端连接蒸汽流量调节阀2的控制端。

优选的，检测装置还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量计8；执行机构还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量调节阀1；控制装置包括用于对产品气流量调节阀1进行PID闭环控制的产品气PID控制器9；产品气PID控制器9的目标控制端连接气需求质量流量检测模块f1的输出端输出的产品气需求质量流量信号，反馈端连接产品气流量计8的输出端，输出端连接产品气流量调节阀2的控制端。

优选的，产品气需求质量流量检测模块f1，反应需热量检测模块f2，尿素溶液质量浓度检测模块f3和蒸汽需求流量检测模块f4均分别采用对应功能的PLC控制器。

本实用新型使用时，尿素溶液水解反应制氨系统运行，根据测量得到反应器内尿素溶液的密度、温度实时状态。通过尿素溶液质量浓度检测模块f3得出反应器中尿素水溶液的实时质量浓度信号。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，通过产品气需求质量流量检测模块f1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信号。该产品气流量信号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，利用反应需热量检测模块f2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信号。根据加热蒸汽压力，加热蒸汽温度，由蒸汽需求流量检测模块f4得出此时加热蒸汽完全气化的放热量。与反应需热量对比后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。

本实用新型的优选实例中，产品气需求质量流量检测模块f1，反应需热量检测模块f2，尿素溶液质量浓度检测模块f3和蒸汽需求流量检测模块f4能够分别按如下的运算关系对输入信号进行处理，并输出对应的输出信号，并且均采用对应功能的可编程逻辑控制器件PLC控制器完成相互直接的连接和作用。

f1：Q_产品气＝(Q_NH3×1.7647)/w；

Q_产品气——尿素水解反应产品气质量流量，kg·h^-1；

Q_NH3——氨气需求质量流量，kg·h^-1；

w——水解反应器内尿素溶液质量深度，％。

该检测模块由氨气需求量及尿素溶液实时浓度计算得出在该工况下水解反应产品气的需求质量流量。

f2：q_吸＝A×w×Q_产品气；

q_吸——尿素水解反应吸热量，kJ·h^-1；

A——尿素水解反应产品气流量现反应吸热量系数。

该检测模块由尿素溶液浓度及水解反应产品气的需求质量流量计算得出该工况下水解反应的需求吸热量。

f3：w＝2.71×10^-3t-4.2+(7.36×10^-6t²+29.72t+26.31ρ-12.12)^1/2

t——尿素水解反应时尿素溶液温度，℃；

ρ——尿素溶液密度，kg·m^-3。

该检测模块由尿素溶液密度及温度实时值计算得出尿素溶液实时质量浓度。

f4：q_放＝4.184×(-0.003t²+0.139t+557.6)

q_放——单位质量饱和水蒸气凝结为饱和水所放出热量，kJ·kg^-1。

该检测模块由饱和水蒸气温度计算得出该温度下水蒸气气化潜热。检测中默认加热蒸汽为经过减温减压站处理后的饱和蒸汽，如加热蒸汽为湿蒸汽，则引入的蒸汽压力计5的输出信号对该气化潜热计算值进行修正。

本实用新型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。

Claims (3)

1.一种尿素水解反应器控制系统，其特征在于，包括检测装置，控制装置和执行机构；

所述的检测装置包括分别设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽压力计(5)，蒸汽温度计(6)和蒸汽流量计(7)，分别设置在尿素水解反应器上的尿素溶液密度计(4)和尿素溶液温度计(3)；所述的控制装置包括产品气需求质量流量检测模块(f1)，反应需热量检测模块(f2)，尿素溶液质量浓度检测模块(f3)和蒸汽需求流量检测模块(f4)，以及比较器(11)和用于对蒸汽流量调节阀(2)进行PID闭环控制的蒸汽PID控制器(10)；所述的执行机构包括设置在尿素水解反应器蒸汽供应管路上的蒸汽流量调节阀(2)；

气需求质量流量检测模块(f1)的输入端连接上位机输出端输出的氨气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块(f3)的输出端输出的溶液浓度信号；

反应需热量检测模块(f2)的输入端分别连接气需求质量流量检测模块(f1)的输出端输出的产品气需求质量流量信号和尿素溶液质量浓度检测模块(f3)的输出端输出的溶液浓度信号；

尿素溶液质量浓度检测模块(f3)的输入端分别连接尿素溶液密度计(4)和尿素溶液温度计(3)输出端；

蒸汽需求流量检测模块(f4)的输入端分别连接蒸汽压力计(5)的蒸汽温度计(6)输出端；

比较器(11)的输入端分别连接反应需热量检测模块(f2)的输出端输出的反应需热量信号和蒸汽需求流量检测模块(f4)的输出端输出的当前放热量信号；蒸汽PID控制器(10)的目标控制端连接比较器(11)的输出端输出蒸汽需求流量信号，反馈端连接蒸汽气流量计(7)的输出端，输出端连接蒸汽流量调节阀(2)的控制端。

2.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制系统，其特征在于，检测装置还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量计(8)；执行机构还包括设置在尿素水解反应器产品气输出管路上的产品气流量调节阀(1)；控制装置包括用于对产品气流量调节阀(1)进行PID闭环控制的产品气PID控制器(9)；

产品气PID控制器(9)的目标控制端连接气需求质量流量检测模块(f1)的输出端输出的产品气需求质量流量信号，反馈端连接产品气流量计(8)的输出端，输出端连接产品气流量调节阀(2)的控制端。

3.根据权利要求1所述的一种尿素水解反应器控制系统，其特征在于，所述的产品气需求质量流量检测模块(f1)，反应需热量检测模块(f2)，尿素溶液质量浓度检测模块(f3)和蒸汽需求流量检测模块(f4)均分别采用对应功能的PLC控制器。