小型SCR煙氣脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

韋　娟，昝小舒

（1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221008）

小型SCR煙氣脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

韋娟1，昝小舒2

（1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州 221008）

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，國(guó)家對(duì)各種鍋爐的排放要求越來(lái)越高。針對(duì)小型燃煤鍋爐，提出一種SCR煙氣脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先對(duì)SCR煙氣脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中具體有系統(tǒng)的上位機(jī)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、下層單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)、Modbus通信方式的設(shè)計(jì)以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)；其次，對(duì)SCR煙氣脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)的主流程、通信系統(tǒng)子程序、噴氨控制子程序等設(shè)計(jì)；最后采用仿真的方式，對(duì)系統(tǒng)提出的控制方案進(jìn)行了脫硝仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出方案的可行性。提出的控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法可以有效的完成NOx排放濃度的控制，減少氨氣的使用量，降低脫硝運(yùn)行成本，具有較好的實(shí)際研究意義與推廣應(yīng)用價(jià)值。

SCR；自動(dòng)控制系統(tǒng)；觸摸屏監(jiān)控；Modbus

0　引言

近年來(lái)，隨著霧霾越發(fā)頻繁，人們對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越重視，國(guó)家也頒布了多項(xiàng)法令政策來(lái)嚴(yán)格控制有害污染物的排放［1］。NOX是大氣中的主要污染物之一，超過(guò)大半的NOX都是人為排放的，尤其是各類(lèi)化石燃料的燃燒引起的?；痣姀S是燃煤大戶(hù)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力的要求越來(lái)越高，火電廠的排放也越來(lái)越多。因此，國(guó)家首先對(duì)大型火電廠的NOX排放提出排放要求，大型火電廠對(duì)NOX的控制越來(lái)越重視，通過(guò)各種途徑來(lái)減少NOX的排放［2，3］。目前的得到應(yīng)用的脫硝技術(shù)主要有二種：一是采用低NOX燃燒技術(shù)，降低爐內(nèi)的NOX生成量；二是在煙道尾部加裝脫硝裝置，把排放中的NOX轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的氮?dú)饣蛴袡C(jī)肥料。前者對(duì)降低NOX功能有限，一般只能降低20%左右，且會(huì)影響鍋爐的熱效率，使得不完全燃燒熱損失增加。目前大部分火電廠中主要采取的脫硝技術(shù)是選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）方法。SCR技術(shù)主要通過(guò)在煙氣尾部加裝脫硝裝置，利用還原劑NH3與NOX反應(yīng)生成無(wú)害的N2和H2O，其脫硝效率可以達(dá)到百分之八十以上，其改造成本低和脫硝成效好，對(duì)于目前的各類(lèi)火電廠都適應(yīng)［4，5］。目前，普遍應(yīng)用的SCR技術(shù)仍存在著以下一些不足：首先，目前的SCR脫硝控制主要都是針對(duì)大型火電企業(yè)的改造技術(shù)，其規(guī)模大、成本高、整套系統(tǒng)復(fù)雜程度高［6］，基本可以與火電廠DCS相互連接，而對(duì)于目前數(shù)量仍然不少的中小型火電或者各種功能的燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有十分合適的脫硝控制設(shè)備，隨著國(guó)家對(duì)排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格，這些小型鍋爐的排放如果不達(dá)標(biāo)，在不久的將來(lái)必定會(huì)被淘汰，因此小型鍋爐的高性?xún)r(jià)比的脫硝控制是十分必要的；其次，目前大型火電廠的脫硝技術(shù)不一定適合小型鍋爐的脫硝控制，大型鍋爐主要通過(guò)DCS的數(shù)據(jù)采集、處理和控制，其過(guò)程復(fù)雜、技術(shù)難度高，而對(duì)于小型鍋爐來(lái)說(shuō)，小型化、低成本、高成效的脫硝控制技術(shù)是其必然的選擇。

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)目前數(shù)量眾多的沒(méi)有完善脫硝手段的小型燃煤鍋爐，參考大型鍋爐的SCR脫硝技術(shù)，采用高性?xún)r(jià)比的微處理器和觸摸屏對(duì)小型SCR煙氣脫硝計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1　SCR脫硝原理

SCR脫硝技術(shù)的原理是采用適當(dāng)?shù)拇呋瘎谝欢囟认?，利用NH3將煙氣中NOX還原成N2和H2O，具體的反應(yīng)公式如式（1）和式（2）所示［5，7］。

SCR脫硝系統(tǒng)的具體流程如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由液氨存儲(chǔ)罐、液氨氣化器、液氨調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī)、氨氣混合器、氨氣調(diào)節(jié)閥、噴氨器、SCR反應(yīng)器、催化劑等部分組成。液氨存儲(chǔ)罐里面的液氨經(jīng)過(guò)液氨氣化器變成純氨氣，然后通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)其流出的流量大?。患儼睔庠诎睔饣旌掀骼锩婧涂諝獬浞只旌闲纬梢欢舛鹊陌睔?，通過(guò)氨氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)其流出的濃度，并送入SCR反應(yīng)器里面的噴氨器，然后將氨氣噴出；鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣通過(guò)省煤器然后進(jìn)入到SCR反應(yīng)器的入口，煙氣在SCR和氨氣混合流經(jīng)催化劑的時(shí)候產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并生成了無(wú)害的N2和H2O，最后煙氣通過(guò)出口排出。從過(guò)程原理圖可以知道，SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵是控制煙氣與氨氣混合氣體的比例，隨著煙氣流量的變化，必須控制氨氣相應(yīng)的變化，使得氨氣和煙氣反應(yīng)始終保持一致，這就對(duì)SCR脫硝控制系統(tǒng)的控制方法和控制精度提出了較高的要求。如果氨氣的流量不夠，煙氣中的NOX去除就不完全，脫硝效果達(dá)不到；如果氨氣的濃度過(guò)大，雖然煙氣中的NOX可以完全反應(yīng)掉，但是在出口煙氣中會(huì)殘留氨氣導(dǎo)致二次污染，同時(shí)過(guò)量的氨氣會(huì)同煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫氨和硫酸氨，會(huì)堵塞催化劑的表面，降低催化劑活性。

圖1　SCR脫硝的過(guò)程原理圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SCR脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要為中小型鍋爐而設(shè)計(jì)，而中小型鍋爐目前一般都沒(méi)脫硝裝置，一個(gè)很大的原因就是因?yàn)槟壳暗拿撓跸到y(tǒng)主要為大型火電廠而設(shè)計(jì)，一般都采用DCS系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴［6］。本文從實(shí)際小型鍋爐出發(fā)，采用低成本、高性?xún)r(jià)比的監(jiān)控系統(tǒng)，意在開(kāi)發(fā)出一套行之有效的小型SCR脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

因此，經(jīng)過(guò)綜合比較了PLC、DCS等多種控制系統(tǒng)之后，決定采用高性能的STC15系列單片機(jī)作為底層控制模塊的處理器；同時(shí)相對(duì)于價(jià)格較為昂貴的工控機(jī)，本系統(tǒng)采用目前較為流行的工控觸摸屏作為上位機(jī)處理系統(tǒng)。SCR控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，上位機(jī)采用觸摸屏系統(tǒng)，通過(guò)485通信模塊與底層的微機(jī)控制模塊相聯(lián)系，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以增加或者減少底層微機(jī)控制模塊的數(shù)量。上位機(jī)觸摸屏系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)顯示，與下位機(jī)微機(jī)控制模塊進(jìn)行通信，對(duì)鍋爐各個(gè)位置的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)波形顯示、各個(gè)參數(shù)的高低限值設(shè)定與報(bào)警功能、各個(gè)閥門(mén)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制等功能；微機(jī)控制模塊主要接受上層觸摸屏發(fā)來(lái)的各種命令，并完成各種數(shù)據(jù)的采集與分析、控制各種閥門(mén)的狀態(tài)、在故障或者超限情況下進(jìn)行報(bào)警等功能。

圖2　SCR脫硝控制系統(tǒng)框圖

2.1觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中上位機(jī)觸摸屏系統(tǒng)采用的是威綸通公司的TK6070IP型號(hào)的7寸觸摸屏。該觸摸屏采用分辨率達(dá)到800×480的TFT LCD、4線(xiàn)模擬電阻式觸控面板、Flash為128M、內(nèi)存64M、處理器為32Bit RISC CPU 400MHz、具有232和485通信接口、功能強(qiáng)能耗低，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的EB8000軟件可以完成各種工控監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)EB8000軟件開(kāi)發(fā)的小型脫硝計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控主界面如圖3所示。其中包括了整個(gè)SCR控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，各個(gè)部分參數(shù)的顯示，各個(gè)閥門(mén)開(kāi)度的顯示等功能。

圖3　小型脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控主界面

圖4所示為氨氣調(diào)節(jié)單獨(dú)控制界面，SCR運(yùn)行的時(shí)候既可以自動(dòng)根據(jù)煙氣的流量和濃度對(duì)液氨以及氨氣的濃度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以手動(dòng)對(duì)液氨以及氨氣的濃度和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)中可以對(duì)液氨流量、氨氣流量和空氣流量分別進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的控制，以獲取適合SCR反應(yīng)的氨氣流量和濃度。

圖4　氨氣流量調(diào)節(jié)閥控制界面

圖5為SCR系統(tǒng)中各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示界面，從下層控制模塊傳來(lái)的各個(gè)流量、溫度、壓力等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可以在圖5中的顯示模塊中顯示。該顯示模塊可以調(diào)節(jié)時(shí)間軸，可以記錄不同時(shí)間軸的參數(shù)變化情況，方便運(yùn)行監(jiān)控人員對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)的回看。

圖5　各運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示界面

圖6為系統(tǒng)控制的輸入輸出IO口的監(jiān)控與測(cè)試界面，底層控制模塊除了各個(gè)傳感器的AD輸入數(shù)據(jù)采集和DA輸出控制之外，還可以進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的輸入輸出控制，其中界面左側(cè)是輸入IO接口，對(duì)于各個(gè)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行輸入狀態(tài)的顯示，右側(cè)是輸出開(kāi)關(guān)量的實(shí)時(shí)顯示和測(cè)試界面，可以手動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

圖6　輸入輸出IO口監(jiān)控測(cè)試界面

2.2底層微機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

底層微機(jī)控制模塊是整個(gè)SCR監(jiān)控系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，觸摸屏顯示的各個(gè)參數(shù)的狀態(tài)和發(fā)出的各個(gè)指令都需要底層微機(jī)控制模塊的準(zhǔn)確響應(yīng)。本系統(tǒng)中從高性?xún)r(jià)比出發(fā)，采用STC15系統(tǒng)單片機(jī)作為底層控制模塊的處理器。其中STC15系列單片機(jī)是宏晶科技公司出品的一款1T時(shí)鐘的8051單片機(jī)，其運(yùn)行速度快、具有大容量的存儲(chǔ)空間和SRAM空間，具有8路10位高速AD接口和三路PWM輸出接口，6個(gè)定時(shí)器、看門(mén)狗等擴(kuò)展功能，其性能強(qiáng)大價(jià)格低廉，十分適合作為SCR控制系統(tǒng)的底層控制模塊的核心處理器。底層微機(jī)控制模塊具體的原理結(jié)構(gòu)如圖7所示，單片機(jī)的AD接口可以處理SCR現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器的信號(hào)，如：流量信號(hào)、壓力信號(hào)、溫度信號(hào)等；單片機(jī)的PWM接口可以輸出線(xiàn)性可調(diào)的0～5V的輸出電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)換可以變成0～10V的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓信號(hào)，可以對(duì)線(xiàn)性調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制；單片機(jī)的普通IO口通過(guò)光電轉(zhuǎn)換可以控制輸入輸出繼電器，對(duì)各種外設(shè)的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)各種開(kāi)關(guān)閥門(mén)進(jìn)行控制。單片機(jī)的串口采用485模塊可以與上層觸摸屏控制系進(jìn)行互聯(lián)。

圖7　底層微機(jī)控制模塊原理圖

圖8為底層控制模塊的實(shí)物圖，其左邊是輸入接口包括AD輸入和IO開(kāi)關(guān)量輸入，右邊是輸出接口包括DA輸出和IO開(kāi)關(guān)量輸出，下面是通信接口，普通的IO接口都設(shè)計(jì)有LED顯示，方便使用者觀察。

圖8　底層微機(jī)控制模塊實(shí)物圖

2.3Modbus通信接口設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議是一種目前被大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)支持的通信協(xié)議，是一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8，9］。Modbus通信協(xié)議一般只有一個(gè)主設(shè)備，其余的為從設(shè)備。主設(shè)備發(fā)起通信，從設(shè)備進(jìn)行應(yīng)答，不同的從設(shè)備都有相應(yīng)的地址，以方便區(qū)分。Modbus的主從通信過(guò)程如圖9所示。首先主設(shè)備發(fā)起通信，輸出需要查詢(xún)的從設(shè)備的地址，然后輸出功能代碼確定需要執(zhí)行的命令，然后輸出想要的命令數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)以保證通信的正確性；從機(jī)同樣查詢(xún)命令如果主機(jī)查詢(xún)的是本從機(jī)則進(jìn)行應(yīng)答，輸出設(shè)備地址，輸出功能代碼以及數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行驗(yàn)證，主機(jī)收到從機(jī)的數(shù)據(jù)本次通信結(jié)束。

圖9　Modbus通信主從查詢(xún)應(yīng)答方式

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議一般有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：ASCII（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）模式和RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式。本文采用的RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式，具體的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1　RTU 方式的數(shù)據(jù)格式

2.4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖11為具體的小型SCR控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中，包括了上位機(jī)觸摸屏控制系統(tǒng)、一塊底層模塊控制器、線(xiàn)性可調(diào)閥門(mén)、電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)、模擬信號(hào)輸入等設(shè)備。

圖11　小型SCR噴氨控制系統(tǒng)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)完系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以后，系統(tǒng)需要相應(yīng)的軟件支撐，具體的軟件流程如圖10所示。主控觸摸屏開(kāi)機(jī)以后首先進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢查與參數(shù)的初始化流程，確認(rèn)無(wú)誤后等待命令。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)命令到來(lái)之后，首先對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行初始化，獲取整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的具體各個(gè)參數(shù)初始值，然后調(diào)研右側(cè)的主從機(jī)通信子程序；然后向從機(jī)發(fā)送查詢(xún)命令，獲得各個(gè)從機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；主機(jī)綜合各個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行SCR具體的控制參數(shù)計(jì)算，并將這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)更新與從機(jī)的控制，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)報(bào)警或者超限，得運(yùn)行報(bào)警處理程序，否則將繼續(xù)進(jìn)行從機(jī)的數(shù)據(jù)查詢(xún)循環(huán)程序。

圖10　系統(tǒng)軟件流程圖與從機(jī)查詢(xún)子程序

圖12　噴氨控制子程序

噴氨控制子程序如圖12所示，首先進(jìn)行計(jì)算參數(shù)的

【】【】初始化，然后獲取實(shí)際設(shè)定的目標(biāo)NOX，并將根據(jù)目標(biāo)NOX濃度數(shù)據(jù)傳到下層控制模塊中，通過(guò)一段時(shí)間的等待，再次獲取下層控制模塊測(cè)量的NOX濃度，判斷各個(gè)底層模塊是否達(dá)到控制要求，如果沒(méi)有達(dá)到控制要求，將重新調(diào)整底層控制模塊的相應(yīng)的噴氨頭的開(kāi)度，直到整個(gè)實(shí)際的NOX濃度濃度在目標(biāo)NOX濃度范圍之內(nèi)。一旦整個(gè)SCR脫硝系統(tǒng)受到鍋爐燃料的影響出現(xiàn)偏差，得SCR控制器將及時(shí)調(diào)整噴氨系統(tǒng)以滿(mǎn)足控制要求。

4　系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制方法的性能，以噴氨脫硝系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行了階躍響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)，如圖13所示，入口煙氣NOX濃度發(fā)生了12%的突變，SCR控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制效果，可以看出來(lái)出口煙氣的NOX濃度出現(xiàn)5%左右的跳板，然后經(jīng)過(guò)了3S時(shí)間的調(diào)節(jié)，將出口煙氣的NOX濃度控制在3%以下。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制方法可以在較短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)入口煙氣的NOX濃度進(jìn)行有效的控制。

圖13　小型SCR控制系統(tǒng)控制仿真結(jié)果

5　結(jié)論

本文根據(jù)小型燃煤鍋爐的運(yùn)行特性與排放要求，提出了一種微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。首先，對(duì)SCR脫硝微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件方面的設(shè)計(jì)，采用觸摸屏設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件、采用高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了下層控制模塊、采用Modbus通信協(xié)議設(shè)計(jì)了主從通信方式，并完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與測(cè)試。最好采用軟件仿真的方式，對(duì)提出的控制方案就行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明了提出方案的可行性和正確性。本文提出的小型鍋爐脫硝微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效的完成NOX排放濃度的控制，減少氨氣的使用量，降低脫硝運(yùn)行成本，具有較好的實(shí)際研究意義與推廣應(yīng)用價(jià)值。

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An small SCR flue gas denitration automatic control system study based on the microcomputer

WEI Juan1，ZAN Xiao-shu2

TM352

A

1009-0134（2016）09-0004-06

2016-04-07

韋娟（1981 -），女，講師，工程師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)仿真和教學(xué)研究工作。