油田燃煤注汽站控制系統(tǒng)與環(huán)保儀表設置探討

李緒勇

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

注汽站是稠油熱采油田及寒冷地區(qū)油田采油工程的重要站場。循環(huán)流化床鍋爐（CFB）作為技術成熟的燃煤鍋爐，具備高效、低污染、燃燒清潔、燃料適應性廣、負荷調節(jié)性能好、灰渣可綜合利用等優(yōu)點，是注汽站廣泛采用的工藝方案[1]。

本文以位于新疆春風油田的為蒸汽熱采油井提供蒸汽的某注汽站為例，探討小型燃煤注汽站自控系統(tǒng)與環(huán)保監(jiān)測儀表的設置。該注汽站鍋爐采用循環(huán)流化床燃煤鍋爐，蒸汽額定蒸發(fā)量38t/h，額定蒸汽壓力17.2MPa，額定飽和蒸汽溫度354℃。工藝系統(tǒng)主要包括循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及煤場等，環(huán)保工藝處理系統(tǒng)主要包括脫硝系統(tǒng)（SCR）、煙氣脫硫系統(tǒng)（FGD）系統(tǒng)及除渣系統(tǒng)等。

1 控制系統(tǒng)的設置

注汽鍋爐控制邏輯復雜、控制規(guī)模較大，需長期穩(wěn)定運行，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。采用DCS系統(tǒng)作為中控控制系統(tǒng)，可保障工藝系統(tǒng)的安全、可靠、高效地運行[2]。注汽站控制系統(tǒng)一般有兩種結構進行設置，一是由鍋爐廠家配套鍋爐DCS系統(tǒng)，只負責鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的檢測與控制，而上煤系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等部分單獨設置一套DCS系統(tǒng)；二是鍋爐廠家不配套DCS系統(tǒng)，全站設置一套總DCS系統(tǒng)，全權負責鍋爐、環(huán)保及輔助等站內所有工藝系統(tǒng)的檢測與控制。

結構一的優(yōu)點在于鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的控制邏輯及運行效果完全由鍋爐廠家負責，工作界面清晰，對于鍋爐運行中的任何問題，均可交由鍋爐廠家負責；缺點在于注汽站設置了2套DCS系統(tǒng)，需監(jiān)控2套系統(tǒng)的運行界面，且由2個系統(tǒng)廠家對站控系統(tǒng)進行維護，運行維護復雜。

結構二的優(yōu)點在于全站由一套DCS系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，系統(tǒng)結構簡潔，便于管理，運維簡單；缺點在于鍋爐及環(huán)保系統(tǒng)的控制邏輯由DCS系統(tǒng)廠家負責編寫，鍋爐廠家指導，雙方共同完成，故要求DCS系統(tǒng)廠家具備編寫鍋爐控制邏輯的經驗，且在建設期間需協(xié)調鍋爐與DCS系統(tǒng)廠家雙方的工作，防止推諉或怠工現象。

本站出于對業(yè)主運行維護的考慮，采用全站設置一套DCS系統(tǒng)，統(tǒng)一負責鍋爐、環(huán)保、輔助系統(tǒng)的監(jiān)控，實現鍋爐點火/停爐控制、燃燒控制、反吹控制、蒸汽干度控制、上煤控制、給水控制等功能[3]，并在全站設置火災自動報警系統(tǒng)，在鍋爐房、上煤廊、煤場、柴油罐、氨水間等處設置氣體泄漏超限報警系統(tǒng)等安全保護類儀表。

2 環(huán)保監(jiān)測儀表的設置

2.1 煙氣連續(xù)排放在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）

為防治大氣污染、提高環(huán)境質量，國家環(huán)保部門對企業(yè)氣體排放的監(jiān)測力度越來越大，使得煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)成為燃煤鍋爐的必備儀表[4]。本注汽站設置了2套煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，分別安裝于排煙煙囪處及脫硫系統(tǒng)（FGD）入口處，用于煙氣排放環(huán)境監(jiān)測及脫硫工藝的聯鎖控制。

1）排煙煙囪處煙氣監(jiān)測

環(huán)境保護部2014年發(fā)布的35號文GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》（以下簡稱標準）規(guī)定了大氣污染物的排放限值。本站位于新疆，采用煤作為燃料，根據標準第4.4節(jié)“重點地區(qū)鍋爐的大氣污染物特別排放限值”所規(guī)定的限值為：顆粒物≤30mg/m3，二氧化硫（SO2）≤200mg/m3，氮氧化物（NOX）≤200mg/m3，汞（Hg）及其化合物≤0.05mg/m3，煙氣黑度≤1。

為滿足上述監(jiān)測要求，在煙囪處安裝高精度的煙氣連續(xù)排放在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）1套。CEMS的技術要求需遵循HJ/T 76—2007《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》標準，該標準規(guī)定了CEMS的主要技術指標、檢測項目、檢測方法和檢測時的質量保證措施。本站檢測煙囪排氣的CEMS設備監(jiān)測內容包括：煙氣煙塵濃度（顆粒物）、二氧化硫、氮氧化物、煙氣溫度/壓力/流量、含氧量及濕度。本工程CEMS系統(tǒng)的取樣系統(tǒng)采用全程高溫伴熱法；氣體分析采用紫外差分光學吸收光譜原理；顆粒物檢測采用激光后向散射原理；氧含量分析采用電化學法[5,6]。

CEMS系統(tǒng)的安裝，遵循HJ 75-2017《固定污染源煙氣（SO2、NOX、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》的要求，包括CEMS應安裝在獨立的監(jiān)測站房內，監(jiān)測站房與采樣點之間的距離應盡可能近；監(jiān)測站房內應配備不同濃度的有證標準氣體，包括零氣和各被測介質的量程標氣；設置合適的采樣平臺及采樣孔等各個方面，數據通過光纜網絡上傳至當地監(jiān)測部門。

煙囪上CEMS系統(tǒng)的采樣平臺不僅用于安裝CEMS系統(tǒng)現場檢測儀表與采樣設備，還作為當地環(huán)境監(jiān)測機構進行固定源廢氣監(jiān)測的工作平臺，故采樣平臺的設置應滿足環(huán)境監(jiān)測機構的要求。環(huán)境監(jiān)測機構開展固定污染源廢氣污染物排放監(jiān)測工作遵循HJ/T 397-2007《固定源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范》的要求，該規(guī)范規(guī)定了在煙道、煙囪及排氣筒等固定污染源排放廢氣中，顆粒物與氣態(tài)污染物監(jiān)測的手工采樣和測定技術方法。

本注汽站采樣平臺設置在煙囪距地面12 m高的位置，長、寬分別為2.5 m。煙囪上留有用于CMES檢測的采樣孔5個（DN100采樣孔3個，DN80采樣孔2個），及用于環(huán)境監(jiān)測的參比采樣孔1個。采樣平臺設有斜梯供人員及運送監(jiān)測儀器上下，煙囪平臺的搭建可采用Z字梯或旋轉梯，梯子寬不低于1.2 m。

梯子的形式決定了平臺及煙囪的建設方式。當采用旋轉梯時，梯子繞煙囪盤旋向上至平臺，梯子及平臺的重量都承擔在煙囪的外壁上，需對煙囪外壁進行結構的加強，確保能為梯子及平臺提供足夠的支撐力。

對于口徑較小的煙囪，推薦采用Z字梯。Z字梯為自承重梯，即梯子單獨建設框架，框架支撐落地并向上采用鋼結構搭建至煙囪開孔的高度處，再設置操作平臺。梯子在框架內呈Z字形向上延伸至平臺，Z字梯/平臺與煙囪僅在位置上相互靠近，但互相不受力，無需對煙囪外壁進行加強處理，平臺的尺寸也不受煙囪結構強度的制約，易滿足煙氣監(jiān)測對平臺大尺寸的要求，方便維護及檢測操作。

2）脫硫工藝入口處煙氣監(jiān)測

根據脫硫工藝的要求，在脫硫系統(tǒng)（FGD）入口管線安裝1套CEMS，檢測脫硫工藝前氣體各介質含量，與脫硫系統(tǒng)實現聯鎖控制。檢測對象為煙塵濃度、二氧化硫、煙氣壓力/溫度/流量、含氧量、含濕量等。

2.2 氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)

脫硝反應塔出口煙氣中未參與反應的氨（NH3）稱為氨逃逸，一般由于噴氨不均、過量噴氨等原因造成。過量的逃逸氨氣會造成浪費，使環(huán)境受到污染，腐蝕催化劑模塊，造成催化劑失活和堵塞，與煙氣生成硫酸氨鹽，堵塞、腐蝕下游空氣預熱器等危害[7]。

本工程氨逃逸在線檢測系統(tǒng)采用半導體激光吸收光譜技術（DLAS），對煙氣脫硝（SCR或SNCR）反應器出口的逃逸氨含量進行連續(xù)、快速、準確地監(jiān)測分析，從而實現對煙氣脫硝工藝中噴氨量的反饋控制。采樣點應位于SCR反應器后工藝管內、最后一級催化劑裝置下方約5 m內，采用高溫伴熱抽取的在線采樣方式，并配套定時吹掃、高流量射流取樣、在線標定等功能，實現準確的取樣分析。

2.3 蒸汽流量檢測

蒸汽的流量檢測主要包括鍋爐出口蒸汽流量檢測及減壓后蒸汽流量檢測。蒸汽流量檢測流量計一般可選用孔板流量計或渦街流量計，設置溫度/壓力補償儀表，并通過計算得到蒸汽的質量流量。

根據《特種設備安全監(jiān)察條例》第二十一條規(guī)定：“鍋爐、壓力容器、壓力管道元件、起重機械、大型游樂設施的制造過程和鍋爐、壓力容器、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設施的安裝、改造、重大維修過程，必須經國務院特種設備安全監(jiān)督管理部門核準的檢驗檢測機構按照安全技術規(guī)范的要求進行監(jiān)督檢驗”。故對于安裝于鍋爐出口的蒸汽流量計，進行特種設備檢驗并獲得監(jiān)督檢驗證書。

3 設計應用

CEMS系統(tǒng)及氨逃逸系統(tǒng)在設計和應用中還宜考慮以下方面，確保運行的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1 數據采集與處理

DAS（數據采集與處理系統(tǒng)）系統(tǒng)是CEMS系統(tǒng)必需的一部分，用于采集各分析儀數據、匯總氣體數據信息和工作狀態(tài)，進行實時控制和處理，并具備生成報表、存儲數據、查詢歷史記錄等功能[8]。

CEMS系統(tǒng)需與市級環(huán)保部門聯網通信，并達到環(huán)保部門的并網要求，并網前應落實市環(huán)保部門對并網的要求，滿足市環(huán)保局對煙氣溫度、煙氣壓力、流速、煙氣含水分量、煙氣含氧量、煙氣污染物排放率、排放量等參數檢測的要求。監(jiān)測設備應設置數據遠傳單元，利用光纖網絡并入環(huán)保部門網絡。

3.2 CEMS采樣管路

本工程采用全程高溫伴熱法系統(tǒng)的采樣預處理系統(tǒng)，從探頭到分析儀的采樣管線采用橋架鋪設，橋架及管線具有良好的支撐，管線傾斜度≥5°。伴熱管線具備穩(wěn)定、均勻加熱和保溫的功能，保證了在采樣過程中煙氣處于高溫狀態(tài)，避免冷凝及SO2溶解帶來的腐蝕及測量誤差，同時滿足HJ75規(guī)范7.2.7條對伴熱及溫度控制的要求。

3.3 氨逃逸分析儀的維護

氨逃逸分析儀的運行維護主要關注以下方面：①光譜分析室的透過率是否正常，需定期檢查是否存在粉塵污染、腐蝕、凝結水霧、光路形變等導致影響儀表透過率的因素；②檢查儀表風的來氣壓力、流量及過濾減壓后的壓力是否正常，其中過濾減壓后的壓力包括總壓、射流泵引流氣壓力及氣體室吹掃氣壓力等；③探頭箱內高溫球閥是否正常開啟關閉，是否存在內漏情況；④預處理系統(tǒng)的射流泵或不銹鋼管堵塞或漏氣；⑤每月對采樣頭濾芯進行檢查，如果污染嚴重，要進行清洗或更換；⑥根據分析儀表要求標定周期進行零點和量程標定。

4 結論

循環(huán)流化床鍋爐工藝過程復雜，產生的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等為各地環(huán)保監(jiān)測的重點，高溫、高壓蒸汽為安全監(jiān)督的重點。通過控制系統(tǒng)及環(huán)保儀表的合理設置，使控制系統(tǒng)構架簡潔、運行方便，并滿足安全環(huán)保部門對循環(huán)流化床燃煤鍋爐的檢查要求，保障站場環(huán)保、安全、高效的運行。