油田燃煤注汽站控制系统与环保仪表设置探讨

李绪勇

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000）

0 引言

注汽站是稠油热采油田及寒冷地区油田采油工程的重要站场。循环流化床锅炉（CFB）作为技术成熟的燃煤锅炉，具备高效、低污染、燃烧清洁、燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣可综合利用等优点，是注汽站广泛采用的工艺方案[1]。

本文以位于新疆春风油田的为蒸汽热采油井提供蒸汽的某注汽站为例，探讨小型燃煤注汽站自控系统与环保监测仪表的设置。该注汽站锅炉采用循环流化床燃煤锅炉，蒸汽额定蒸发量38t/h，额定蒸汽压力17.2MPa，额定饱和蒸汽温度354℃。工艺系统主要包括循环流化床锅炉系统、环保系统、辅助系统及煤场等，环保工艺处理系统主要包括脱硝系统（SCR）、烟气脱硫系统（FGD）系统及除渣系统等。

1 控制系统的设置

注汽锅炉控制逻辑复杂、控制规模较大，需长期稳定运行，对控制系统的稳定性、可靠性要求较高。采用DCS系统作为中控控制系统，可保障工艺系统的安全、可靠、高效地运行[2]。注汽站控制系统一般有两种结构进行设置，一是由锅炉厂家配套锅炉DCS系统，只负责锅炉及环保系统的检测与控制，而上煤系统、辅助系统等部分单独设置一套DCS系统；二是锅炉厂家不配套DCS系统，全站设置一套总DCS系统，全权负责锅炉、环保及辅助等站内所有工艺系统的检测与控制。

结构一的优点在于锅炉及环保系统的控制逻辑及运行效果完全由锅炉厂家负责，工作界面清晰，对于锅炉运行中的任何问题，均可交由锅炉厂家负责；缺点在于注汽站设置了2套DCS系统，需监控2套系统的运行界面，且由2个系统厂家对站控系统进行维护，运行维护复杂。

结构二的优点在于全站由一套DCS系统统一监控，系统结构简洁，便于管理，运维简单；缺点在于锅炉及环保系统的控制逻辑由DCS系统厂家负责编写，锅炉厂家指导，双方共同完成，故要求DCS系统厂家具备编写锅炉控制逻辑的经验，且在建设期间需协调锅炉与DCS系统厂家双方的工作，防止推诿或怠工现象。

本站出于对业主运行维护的考虑，采用全站设置一套DCS系统，统一负责锅炉、环保、辅助系统的监控，实现锅炉点火/停炉控制、燃烧控制、反吹控制、蒸汽干度控制、上煤控制、给水控制等功能[3]，并在全站设置火灾自动报警系统，在锅炉房、上煤廊、煤场、柴油罐、氨水间等处设置气体泄漏超限报警系统等安全保护类仪表。

2 环保监测仪表的设置

2.1 烟气连续排放在线监测系统（CEMS）

为防治大气污染、提高环境质量，国家环保部门对企业气体排放的监测力度越来越大，使得烟气排放连续监测系统成为燃煤锅炉的必备仪表[4]。本注汽站设置了2套烟气在线监测系统，分别安装于排烟烟囱处及脱硫系统（FGD）入口处，用于烟气排放环境监测及脱硫工艺的联锁控制。

1）排烟烟囱处烟气监测

环境保护部2014年发布的35号文GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》（以下简称标准）规定了大气污染物的排放限值。本站位于新疆，采用煤作为燃料，根据标准第4.4节“重点地区锅炉的大气污染物特别排放限值”所规定的限值为：颗粒物≤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，烟气黑度≤1。

为满足上述监测要求，在烟囱处安装高精度的烟气连续排放在线监测系统（CEMS）1套。CEMS的技术要求需遵循HJ/T 76—2007《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》标准，该标准规定了CEMS的主要技术指标、检测项目、检测方法和检测时的质量保证措施。本站检测烟囱排气的CEMS设备监测内容包括：烟气烟尘浓度（颗粒物）、二氧化硫、氮氧化物、烟气温度/压力/流量、含氧量及湿度。本工程CEMS系统的取样系统采用全程高温伴热法；气体分析采用紫外差分光学吸收光谱原理；颗粒物检测采用激光后向散射原理；氧含量分析采用电化学法[5,6]。

CEMS系统的安装，遵循HJ 75-2017《固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范》的要求，包括CEMS应安装在独立的监测站房内，监测站房与采样点之间的距离应尽可能近；监测站房内应配备不同浓度的有证标准气体，包括零气和各被测介质的量程标气；设置合适的采样平台及采样孔等各个方面，数据通过光缆网络上传至当地监测部门。

烟囱上CEMS系统的采样平台不仅用于安装CEMS系统现场检测仪表与采样设备，还作为当地环境监测机构进行固定源废气监测的工作平台，故采样平台的设置应满足环境监测机构的要求。环境监测机构开展固定污染源废气污染物排放监测工作遵循HJ/T 397-2007《固定源废气监测技术规范》的要求，该规范规定了在烟道、烟囱及排气筒等固定污染源排放废气中，颗粒物与气态污染物监测的手工采样和测定技术方法。

本注汽站采样平台设置在烟囱距地面12 m高的位置，长、宽分别为2.5 m。烟囱上留有用于CMES检测的采样孔5个（DN100采样孔3个，DN80采样孔2个），及用于环境监测的参比采样孔1个。采样平台设有斜梯供人员及运送监测仪器上下，烟囱平台的搭建可采用Z字梯或旋转梯，梯子宽不低于1.2 m。

梯子的形式决定了平台及烟囱的建设方式。当采用旋转梯时，梯子绕烟囱盘旋向上至平台，梯子及平台的重量都承担在烟囱的外壁上，需对烟囱外壁进行结构的加强，确保能为梯子及平台提供足够的支撑力。

对于口径较小的烟囱，推荐采用Z字梯。Z字梯为自承重梯，即梯子单独建设框架，框架支撑落地并向上采用钢结构搭建至烟囱开孔的高度处，再设置操作平台。梯子在框架内呈Z字形向上延伸至平台，Z字梯/平台与烟囱仅在位置上相互靠近，但互相不受力，无需对烟囱外壁进行加强处理，平台的尺寸也不受烟囱结构强度的制约，易满足烟气监测对平台大尺寸的要求，方便维护及检测操作。

2）脱硫工艺入口处烟气监测

根据脱硫工艺的要求，在脱硫系统（FGD）入口管线安装1套CEMS，检测脱硫工艺前气体各介质含量，与脱硫系统实现联锁控制。检测对象为烟尘浓度、二氧化硫、烟气压力/温度/流量、含氧量、含湿量等。

2.2 氨逃逸监测系统

脱硝反应塔出口烟气中未参与反应的氨（NH3）称为氨逃逸，一般由于喷氨不均、过量喷氨等原因造成。过量的逃逸氨气会造成浪费，使环境受到污染，腐蚀催化剂模块，造成催化剂失活和堵塞，与烟气生成硫酸氨盐，堵塞、腐蚀下游空气预热器等危害[7]。

本工程氨逃逸在线检测系统采用半导体激光吸收光谱技术（DLAS），对烟气脱硝（SCR或SNCR）反应器出口的逃逸氨含量进行连续、快速、准确地监测分析，从而实现对烟气脱硝工艺中喷氨量的反馈控制。采样点应位于SCR反应器后工艺管内、最后一级催化剂装置下方约5 m内，采用高温伴热抽取的在线采样方式，并配套定时吹扫、高流量射流取样、在线标定等功能，实现准确的取样分析。

2.3 蒸汽流量检测

蒸汽的流量检测主要包括锅炉出口蒸汽流量检测及减压后蒸汽流量检测。蒸汽流量检测流量计一般可选用孔板流量计或涡街流量计，设置温度/压力补偿仪表，并通过计算得到蒸汽的质量流量。

根据《特种设备安全监察条例》第二十一条规定：“锅炉、压力容器、压力管道元件、起重机械、大型游乐设施的制造过程和锅炉、压力容器、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施的安装、改造、重大维修过程，必须经国务院特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构按照安全技术规范的要求进行监督检验”。故对于安装于锅炉出口的蒸汽流量计，进行特种设备检验并获得监督检验证书。

3 设计应用

CEMS系统及氨逃逸系统在设计和应用中还宜考虑以下方面，确保运行的稳定性和可靠性。

3.1 数据采集与处理

DAS（数据采集与处理系统）系统是CEMS系统必需的一部分，用于采集各分析仪数据、汇总气体数据信息和工作状态，进行实时控制和处理，并具备生成报表、存储数据、查询历史记录等功能[8]。

CEMS系统需与市级环保部门联网通信，并达到环保部门的并网要求，并网前应落实市环保部门对并网的要求，满足市环保局对烟气温度、烟气压力、流速、烟气含水分量、烟气含氧量、烟气污染物排放率、排放量等参数检测的要求。监测设备应设置数据远传单元，利用光纤网络并入环保部门网络。

3.2 CEMS采样管路

本工程采用全程高温伴热法系统的采样预处理系统，从探头到分析仪的采样管线采用桥架铺设，桥架及管线具有良好的支撑，管线倾斜度≥5°。伴热管线具备稳定、均匀加热和保温的功能，保证了在采样过程中烟气处于高温状态，避免冷凝及SO2溶解带来的腐蚀及测量误差，同时满足HJ75规范7.2.7条对伴热及温度控制的要求。

3.3 氨逃逸分析仪的维护

氨逃逸分析仪的运行维护主要关注以下方面：①光谱分析室的透过率是否正常，需定期检查是否存在粉尘污染、腐蚀、凝结水雾、光路形变等导致影响仪表透过率的因素；②检查仪表风的来气压力、流量及过滤减压后的压力是否正常，其中过滤减压后的压力包括总压、射流泵引流气压力及气体室吹扫气压力等；③探头箱内高温球阀是否正常开启关闭，是否存在内漏情况；④预处理系统的射流泵或不锈钢管堵塞或漏气；⑤每月对采样头滤芯进行检查，如果污染严重，要进行清洗或更换；⑥根据分析仪表要求标定周期进行零点和量程标定。

4 结论

循环流化床锅炉工艺过程复杂，产生的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等为各地环保监测的重点，高温、高压蒸汽为安全监督的重点。通过控制系统及环保仪表的合理设置，使控制系统构架简洁、运行方便，并满足安全环保部门对循环流化床燃煤锅炉的检查要求，保障站场环保、安全、高效的运行。