基于FTA的尿素热解脱硝系统可靠性分析.pdf

基于 FTA 的尿素热解脱硝系统可靠性分析 * 张红星1王伟1沈凯2李勇前1叶炬1 1． 江苏苏美达成套设备工程有限公司， 南京 210018; 2． 东南大学能源与环境学院， 南京 210018 摘要 为提高尿素热解脱硝系统可靠性水平， 通过分析系统组成和各种可能的失效情况， 以尿素热解脱硝系统不能正 常工作为顶事件建立了故障树， 对其进行定性分析， 求取了故障树的最小割集。同时在此基础上分析了各个基本事件 的结构重要度， 明确了导致尿素热解脱硝系统失效的主要影响因素， 并对其相应的解决措施进行了探讨。 关键词 FTA; 尿素热解; 可靠性分析; 失效 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 022 A RESEARCH OF SYSTEM RELIABILITY OF SCR UREA PYROLYSIS BASED ON FTA Zhang Hongxing1Wang Wei1Shen Kai2Li Yongqian1Ye Ju1 1． SUMEC Complete Equipment ＆ Engineering Co． ，Ltd，Nanjing 210018， China; 2． School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210018，China AbstractIn order to improve the system reliability of SCR urea pyrolysis，fault tree which considers system can’ t work properly as the top event was built by analyzing structure and all kinds of possible failure situation． Through qualitative analyzing，minimum cut sets of the fault tree were got． At the same time on the basis of analysis of the various events of the basic structural importance，the main influence factors leading to SCR urea pyrolysis system’ s failure were clear． And the corresponding solutions were also discussed． KeywordsFTA;urea pyrolysis;reliability analysis;failure * 国家 863 计划资助项目 2007AA061802 。 0引言 大型系统稳定安全运行的关键在于可靠性， 其保 障运行的核心工作是在工程设计中分析产品各种可 能的失效方式， 找出主要影响因素， 提出相对应的设 计变更、 材料替换、 设备选用等措施来确保系统的可 靠性。故障树分析 ［1 ］ Fault Tree Analysis， 简写 FTA 是从故障的角度去分析系统的可靠性， 逆着故障发生 的过程分析子系统、 部件及零件的故障， 究其失效的 主要原因， 通过故障树定性分析得出各基本事件于系 统安全的重要性， 找出系统薄弱环节。 FTA 不仅可以分析单一缺陷所引起的系统故障， 而且可以分析因多种因素同时发生故障时引起的系 统失效， 因而在复杂系统中广泛应用。国内学者曹文 晖、 於孝春 ［2 ］将其运用于化工石化装置当中， 以系统 中最薄弱环节 波纹管失效作为顶事件建立故障 树， 通过求出故障树的各阶最小割集， 分析了各个基 本事件的机构重要度; 陈兴根等 ［3 ］为提高某型号装 备中电液伺服机构的可靠性水平， 通过分析该电液伺 服机构的组成和失效情况， 以电液伺服机构不能正常 工作为顶事件建立故障树， 进行分析。 尿素热解脱硝系统因其高安全性、 原料易取得等 优点在国内得到了较为广泛的应用， 但相对于氨水、 液氨为还原剂来源的脱硝系统， 其过程反应增多、 工 作环境复杂、 设备庞大繁杂， 导致可以引起尿素热解 脱硝失效的因素增多， 可靠性分析难度增大［4 ］。本 文将 FTA 引入该系统， 对可能引起尿素热解脱硝系 统失效的各个因素进行了系统的分析， 建立了以尿素 热解脱硝系统失效为顶事件的故障树， 并通过定性分 析， 得出影响尿素热解脱硝系统失效的主要原因及各 事件的重要度。 1尿素热解脱硝系统简介 典型的 SCR 脱硝反应系统采用的是高温高尘布 置方式， 置于省煤器与空气预热器之间。来流烟气中 58 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 的 NOX在催化剂的作用下与喷入反应器的 NH 3反应 生成 N2。本文所研究的是 NH3源自尿素热解装置的 脱硝系统。尿素在高温下， 会分解成 NH3和 HNCO， HNCO 与水反应生成 NH3和 CO2。该过程生成的 NH3通过 AIG 喷射入锅炉烟气中， 与烟气中的氮氧化 物反应， 生成对环境无害的氮气和水。尿素热解工艺 的反应如下 CO NH2 NH3 HNCO 1 HNCO H2ONH3 CO2 2 尿素热解制氨脱硝系统工艺流程如图 1 所示。 颗粒状尿素储存于筒仓， 由称重给料机 或计量罐 输送到溶解罐里， 用除盐水将固体尿素溶解成50的尿 素溶液 需要外部加热， 溶液温度保持在 50℃以上 ， 通 过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐; 尿素溶液经由 尿素高压泵、 计量与分配装置、 雾化喷嘴等进入绝热分 解室。系统通过稀释风机泵入空气， 经电加热器后， 空 气温度提升达到尿素热解温度 350 ～650 ℃ 进入热解 室。雾化后的尿素液滴在绝热分解室内分解， 生成的分 解产物为氨气和二氧化碳， 分解产物经由氨喷射系统进 入脱硝烟道， 随后氨气与 NOX在催化剂作用下发生反 应， 生成 N2和 H2O。 图 1尿素热解制氨脱硝系统工艺流程 Fig． 1PFD for SCR urea pyrolysis system 2尿素热解脱硝系统失效模式 尿素热解脱硝系统主要由 SCR 反应器系统、 尿 素溶解存储系统、 浆液输送系统、 尿素热解系统、 阀门 管路系统等五部分组成， 这其中包含了烟气催化还 原、 溶解、 热解等诸多物理、 化学过程， 囊括了气液固 三相， 错综复杂， 很多影响系统正常运行的原因往往 是多个因素共同作用的结果。本文基于现场实际工 程应用， 对主要的失效模式进行了分析总结。 2． 1SCR 反应器失效 由于 SCR 反应器内不断有高速复杂烟气通过， 工况复杂， 再加上流场分布、 工作温度要求严格， 根据 实践经验， 催化剂、 导流板、 喷气氨层、 声波吹灰器均 有潜在的失效。 催化剂作为 SCR 烟气脱硝系统中最核心的部 分， 其性能的好坏直接影响着脱硝系统整体效果。引 起催化剂失活的原因有很多种 烟气温度如果长时间 高于催化剂的最佳工作温度之上会导致催化剂颗粒 增大， 表面积减小， 催化剂活性降低; 烟气中 K、 Na、 As 等杂质的存在直接与催化剂活性组分反应， 使它们失 活， 一旦烟气中的水蒸气含量超标更是加剧了其对催 化剂的毒化， 另外凝结于催化剂毛细孔中的水蒸气在 温度增加时， 会汽化膨胀， 损坏催化剂细微结构; 催化 剂堵塞也是催化剂层失效的一个主要原因， 一方面煤 燃烧后的细小飞灰聚集在催化剂表面， 另一方面烟气 温度较低、 烟气流速不够更易于铵盐的沉积［5 ］。 导流板的失效主要存在积灰与磨损两种形式。 造成导流板积灰的原因很多， 主要和烟气灰分含量、 烟气水蒸气含量、 烟气温度、 烟气流速有关， 粉尘刚粘 附到导流板时质地比较松软， 经过一段时间后， 灰中 水分蒸发形成坚硬的灰壳， 形成积灰， 另外在导流板 工作面会形成一定的涡流区， 导致灰尘沉积 ［6 ］。磨 损主要是由于飞灰的机械作用， 即飞灰颗粒的冲击作 用和切削作用所引起， 它与烟气流速紧密相关， 同时 根据文献［ 7］ ， 烟气温度越低， 则灰颗粒的硬度越高， 对导流板的磨损越严重。 与导流板失效相类似的是喷气氨层失效。处于 夹杂着众多灰分的高速烟气中的喷氨格栅除同样存 在磨损和喷嘴堵塞这两种情况， 另外因为安装时所引 起的应力作用， 很有可能导致喷氨格栅的塌落。 除此以外， 工程现场常会发现吹灰器也存在堵塞 的问题， 它往往是由于烟气中的灰分含量太高， 在吹 灰器口形成堆积。烟气中水蒸气含量偏高更是会加 剧其堆积。 2． 2尿素溶解存储系统失效 与 SCR 反应器不同， 尿素溶解存储系统的工作 介质更多的是液体， 所能产生的失效模式也大不相 同。这里主要包括尿素溶解槽失效以及尿素溶解储 罐失效。 尿素溶解槽作为尿素溶液制备的区域， 在加热、 搅 拌情况下， 溶液呈弱碱性， 另外由于制备浓度达 50， 制备过程中常常存在冲刷磨损、 腐蚀穿孔、 结垢、 结晶 等问题。搅拌器、 电加热器也存在潜在的失效。 造成槽体损坏的原因很多， 可能是浆液冲刷磨损 68 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 或者是槽体腐蚀穿孔。添加尿素时， 部分尿素颗粒进 入溶解槽后并未立刻溶解， 在搅拌器的作用下， 固体 颗粒物对槽体表面进行反复冲蚀， 出现疲劳磨损， 形 成点蚀坑。并且随着搅拌速率的增大， 浆液冲刷壁面 的速度也越大， 更容易形成磨损。一旦形成点蚀坑， 不锈钢罐体表面的氧化膜就不再完整， 在碱性溶液以 及杂质的作用下腐蚀率大大增加。另外， 在浆液浓 度、 搅拌速率、 浆液温度等因素作用下， 槽体可能会出 现结垢、 结晶的情况。 搅拌器的主要作用是保证尿素溶液迅速溶解 及混合均匀。主要失效形式有腐蚀以及崩裂穿 孔。前者与浆液浓度、 温度、 pH 有关， 后者主要与 浆液浓度、 固液比、 搅拌速率相关。作为重要部件 之一的电加热因为过烧、 短路等失效的情况也是 现场经常遇到的。 尿素溶解储罐仅仅作为溶液的存储系统， 不 配备搅拌器、 电加热器等附属设备， 失效模式相对 简单， 存在罐体腐蚀、 罐内壁结垢、 罐内溶液结晶 三种失效。 2． 3浆液输送系统失效 由于该系统内的主要部件为尿素溶液输送泵和 尿素高压泵， 因此， 故障主要集中于泵的失效， 即泵的 堵塞、 叶轮磨损、 泵的气蚀以及机械密封失效。一旦 尿素颗粒未能完全溶解即被输送， 结合浆液浓度高、 输送流速慢的综合因素， 堵塞就很容易引起。未溶解 的尿素颗粒同样也是叶轮磨损的主要原因。 除此之外， 气蚀作为泵的常见故障也是不可 避免的， 主要与浆液温度和输送流速有关［8］。运 行中的振动更是会导致机械密封的失效， 造成浆 液泄露。 尿素溶液在进入输送泵之前需要经过过滤器， 滤 除浆液中的尿素颗粒等， 在实际应用中， 因为浆液浓 度、 杂质含量、 浆液温度、 浆液固液比的共同作用， 过 滤器可能会形成堵塞的失效形式。 2． 4尿素热解系统失效 尿素热解系统失效主要包括尿素喷射系统失效、 尿素热解器湿壁磨损、 稀释风管支架断裂、 膨胀节拉 裂漏风等。 喷嘴作为热解室的核心部件， 担负着雾化尿素溶 液， 及时热解的任务， 正常情况下有可能会引起堵塞、 磨损， 与浓度、 温度、 流速等因素有关， 另外， 在热解室 主体应力、 内部液体压力， 外部风力作用下， 会出现喷 枪接口疲劳断裂的情况。 作为尿素溶液的喷射器， 一旦喷嘴受力偏移， 或 者是用以雾化尿素的压缩空气的流量波动， 抑或是溶 液泵的压头波动都会导致尿素溶液直接喷射到热解 室的钢体壁面上， 导致湿壁、 磨损的发生。 除此之外， 稀释风管支架可能在流量较大， 安装 应力的作用下产生断裂; 热解室内的温度波动亦会导 致膨胀节拉裂漏风， 影响脱硝系统运行［9 ］。 2． 5管路阀门失效 管路阀门系统作为各设备、 各部件的连接部分， 失效主要集中在管道、 阀门以及控制上的失效。管道 的失效主要是浆液介质下常见的磨损、 腐蚀穿孔、 堵 塞等。另外， 现场中也经常碰到阀门的泄露和损坏无 法启用的现象。计量分配装置的控制问题也是本文 所必须考虑的。 3尿素热解脱硝系统故障树建立 3. 1系统故障树的建立 通过对系统的详细分析， 结合文献、 现场调试经验 及检修资料， 本文以尿素热解脱硝系统失效为顶事件 建立故障树， 此故障树给出了尿素热解脱硝系统全部 失效的可能性， 大部分了解到了具体的物理化学性质 一级。其中有些分系统或者设备采用了三角转移符 号， 以使故障树看上去更加简洁， 另外将这些故障事件 单独建立故障树也有助于更加细致的分析其可靠性。 如图2图6 所示， 其中基本事件 24 个， 中间事件 58 个， 各基本事件及中间事件的符号含义见表1。 图 2尿素热解脱硝系统故障树之一 Fig．2No．1 of SCR urea pyrolysis fault trees 图 3尿素热解脱硝系统故障树之二 Fig．3No．2 of SCR urea pyrolysis fault trees 78 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 图 4尿素热解脱硝系统故障树之三 Fig．4No．3 of SCR urea pyrolysis fault trees 图 5尿素热解脱硝系统故障树之四 Fig．5No．4 of SCR urea pyrolysis fault trees 图 6尿素热解脱硝系统故障树之五 Fig．6No．5 of SCR urea pyrolysis fault trees 3. 2最小割集 故障树的结构函数一般用最小割集进行有效的描 述， 其通常情况下是或门和与门的事故树结构函数。 结合最小割集的研究， 可以发现系统的薄弱环节或最 关键部位， 以便有的放矢的消除系统失效隐患。根据 图2图6 的尿素热解脱硝系统故障树， 运用上行法对 故障树进行定性分析， 可以获得尿素热解脱硝系统所 有的33 个最小割集， 其中一阶最小割集 10 个， 二阶最 小割集7 个， 三阶最小割集8 个， 四阶最小割集8 个。 3. 3结构重要度 在故障树的定性分析中， 单元结构重要度是直接 基于最小割集的一种衡量指标， 它主要是反映单元在 故障树结构中的重要程度， 在实际操作中可以对重要 度大的部件进行改进， 以提高系统整体可靠性［10 ］。 对尿素热解脱硝系统失效故障树编制相应的计算机 程序， 各个基本事件的结构重要度如表 2 所示。 表 1尿素热解脱硝系统故障树事件含义 Table 1The events＇ meaning of SCR urea pyrolysis system 符号事件含义符号事件含义 T尿素热解脱硝系统失效T30喷氨格栅堵塞 T1SCR 反应器失效T31 槽体损坏失效 T2 尿素溶解存储系统失效 T32 槽体结垢 T3 浆液输送设备失效 T33 搅拌器失效 T4 尿素热解系统失效 T34 槽体溶液结晶 T5 阀门管路系统失效 T35 电加热器失效 T6 催化剂层失效 T36 罐体腐蚀 T7 导流板失效 T37 罐内壁结垢 T8 声波吹灰器堵塞 T38 罐内溶液结晶 T9 喷气氨层失效 T39 输送泵堵塞 T10 尿素溶解槽失效 T40 输送泵叶轮磨损 T11 尿素溶液储罐失效 T41 输送泵气蚀 T12 尿素溶液输送泵失效 T42 输送泵机械密封失效 T13 过滤器堵塞 T43 高压泵堵塞 T14 尿素高压泵失效 T44 高压泵叶轮磨损 T15 尿素喷射系统失效 T45 高压泵气蚀 T16 热解器湿壁磨损 T46 高压泵机械密封失效 T17 稀释风管支架断裂 T47 喷枪堵塞 T18 膨胀节拉裂漏风 T48 喷枪磨损 T19 浆液输送管失效 T49 喷枪接口疲劳断裂 T20 背压控制阀结垢 T50 浆液输送管磨损 T21MDM 失效T51 浆液输送管腐蚀穿孔 T22 阀门失效 T52 输送管堵塞 T23 催化剂堵塞 T53 阀门泄露 T24 催化剂烧结 T54 阀门损坏 T25 催化剂中毒 T55 槽内浆液冲刷磨损 T26 导流板积灰 T56 槽体腐蚀穿孔 T27 导流板磨损 T57 搅拌器腐蚀 T28 喷氨格栅磨损 T58 搅拌器崩裂穿孔 T29 喷氨格栅疲劳断裂 符号基本事件含义符号基本事件含义 X1 烟气灰分含量 X13 过烧 X2 烟气温度 X14 短路 X3 烟气流速 X15 输送流速 X4 烟气中杂质含量 X16 运行振动 X5 烟气水蒸气含量 X17 热解室内温度 X6 应力 1X18 稀释风流速 X7 浆液浓度 X19 应力 2 X8 搅拌速率 X20 喷枪受力偏移 X9 浆液温度 X21 压缩空气流量波动 X10 浆液固液比 X22 应力 3 X11 浆液 pHX23 控制失效 X12 浆液杂质含量 X24 应力 4 注 应力 1 喷氨管道由于安装等引起的应力; 应力 2 热解室主体 应力及内部液体阻力; 应力 3 风管支架安装问题所产生的应 力; 应力 4 浆液输送管路受到的应力。 各基本事件的结构重要度大小排列如下 X7＞ X9＞ X15＞ X2＞ X12 X10＞ X1＞ X5 X17 X18＞ X8＞ X6 X13 X14 X16 X20 X21 X23＞ X3＞ X4＞ X11＞ X19 X22 X24 88 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 表 2基本事件的结构重要度 Table 2The structural importance of each event 符号基本事件的重要度符号基本事件的重要度 X10. 0404X130. 0303 X20. 0556X140. 0303 X30. 0253X150. 0909 X40. 0227X160. 0303 X50. 0379X170. 0379 X60. 0303X180. 0379 X70. 1465X190. 0152 X80. 0354X200. 0303 X90. 1086X210. 0303 X100. 0429X220. 0152 X110. 0177X230. 0303 X120. 0429X240. 0152 4主要影响因素及对应措施 结合结构重要度的定义， 结构重要度高的基本事 件的对顶事件的影响就越大， 其是产生失效的主要原 因， 据此提出相应的改进措施， 确保系统中这些因素 的不发生， 抑或是采用特定的材料、 结构等减小其产 生失效的可能性。由尿素热解脱硝系统失效故障树 结构重要度结果分析可知如下结果 1 针对尿素热解脱硝系统的失效， 尿素溶解存 储系统、 浆液输送设备、 管路阀门故障的可能性最大， 这其中浆液浓度、 温度、 流速是重要因素， 在它们的综 合作用下， 会引起装置的腐蚀、 结垢以及输送管路的 堵塞等， 直接导致尿素溶液的供给异常， 影响脱硝效 率。事实上， 在现场操作控制中， 对于尿素溶解罐、 储 罐的温度、 浓度的要求极为严格， 液下电加热器自动 保持 50℃ 启动， 80℃ 停止， 质量浓度保证在 50 左 右， 谨防溶液结晶、 结垢。 2 烟气温度对尿素热解脱硝系统持久安全运行的 重要作用也不容忽视。温度过高， 超过催化剂的反应区 间， 则会引起烧结失效直接影响催化剂寿命以及反应效 率; 温度过低， 不在催化剂反应区间， 效率低下， 再者， 热 解反应器出口处有大量尿素溶液蒸发产生的水蒸气， 进 入温度相对较低的 SCR 反应器， 极易与烟气中的灰分结 合， 吸附于催化剂表面。因此， 实际运行中， 需要与锅炉 运行人员积极配合， 密切注视烟温的波动。 3 浆液固液比和浆液杂质含量两因素对尿素热 解脱硝系统的影响程度仅次于烟气温度。尿素颗粒 尚未完全溶解即被输送出去是导致固体颗粒存在的 主要原因， 它会加速对管道、 容器内壁的磨损， 同时直 接影响着搅拌器、 输送泵的运行安全， 崩裂穿孔的事 例常见于文献; 至于浆液中的杂质， 主要来源为尿素 颗粒。尿素的国家标准有工业用， 农用， 内分优等品， 一等品， 合格品。工业优等品指标中的水不溶物要求 低于 0. 005， 而农业用无硬性指标。如果使用农业 用尿素， 大量的微小不溶物将会通过滤网， 集中于喷 枪喷嘴处， 正常稳定运行的情况下， 由于压头较大， 会 及时喷出， 不会形成堵塞。一旦流量减小， 压力降低， 尿素溶液将在热解室高温作用下迅速蒸发， 不溶物逐 渐积附于喷嘴内壁， 直至堵塞。工程调试中， 亦遇到 由于使用农用尿素导致喷枪堵塞的事故。 由于基本事件众多， 不再一一论述， 各个基本事 件对尿素热解脱硝系统失效影响程度大小可以根据 结构重要度的大小依此类推。 5结语 随着政策力度的加强， SCR 作为目前国际上技术 最成熟的烟气脱硝技术， 在我国大型火电机组、 玻璃、 水泥等领域得到了广泛的应用。SCR 脱硝系统与电 厂主体相连， 系统稳定与否直接影响着锅炉的运行， 甚至是电网的安全， 因此， 作为还原剂制备主流技术 之一的尿素热解脱硝系统， 其可靠性的研究具有重要 的工程应用价值及社会意义。 参考文献 ［1］姜兴渭， 宋政吉， 王晓晨． 可靠性工程技术［ M］ ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学出版社， 2005 1- 3． ［2］曹文晖， 於孝春． 波纹管失效故障树分析［J］ ． 化工装备技术， 2010 2 8- 10． ［3］陈兴根， 潘骏， 陈文华， 等． 电液伺服机构故障树分析［J］ ． 机电 工程， 2009 4 25- 27， 35． ［4］赵冬贤， 刘绍培， 吴晓峰， 等． 尿素热解制氨技术在 SCR 脱硝中 的应用［J］． 热力发电， 2009 8 65- 67． ［5］张烨， 徐晓亮， 缪明烽， 等． SCR 脱硝催化剂失活机理研究进展 ［ J］ ． 能源环境保护， 2011 4 14- 18． ［6］荆良． 电厂引风机积灰振动的原因及消除［J］ ． 机电信息， 2010 36 6- 7． ［7］黄伟，宾谊沅，李文军， 等． 300MW 锅炉尾部低温再热器和烟 道磨损原因分析及措施［ J］． 华中电力， 2009 1 22- 25． ［8］屈运宇． 石灰乳输送泵的失效分析与优化设计［J］ ． 化工设计 通讯， 2006 3 48 －52， 62． ［9］严宏强， 钟文虎， 张国强． 非金属膨胀节的特点与应用［J］． 中 国电力， 2006 12 72- 73． ［ 10］张国志， 杨光， 巩英海． 复杂系统可靠性分析［M］． 哈尔滨 哈尔 滨工业大学出版社， 2009 1- 9． 作者通信处沈凯210018江苏省南京市东南大学能源与环境学院 E- mailshenkai seu． edu． cn 2012 －11 －14 收稿 98 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期