燃煤工業(yè)鍋爐SNCR脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范振濤

(豪氏威馬(中國)有限公司，漳州 361000)

0 引 言

工業(yè)鍋爐是我國重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，其中以燃煤工業(yè)鍋爐為主，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，燃煤工業(yè)鍋爐仍將占主導(dǎo)地位[1]。燃煤工業(yè)鍋爐會(huì)排放大量的氮氧化物(NOx)，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著國家對(duì)節(jié)能環(huán)保的日益重視，新版《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施對(duì)工業(yè)鍋爐煙氣污染物排放的要求進(jìn)一步提高。因此，對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐進(jìn)行環(huán)保升級(jí)改造進(jìn)而有效治理氮氧化物排放的問題成為當(dāng)前社會(huì)熱點(diǎn)。

目前，燃煤工業(yè)鍋爐氮氧化物脫除技術(shù)主要分為燃燒中脫除和燃燒后脫除兩種方式[2]，燃燒中脫除采用低氮燃燒技術(shù)，燃燒后脫除即煙氣脫硝技術(shù)，其中煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[3]。煙氣脫硝技術(shù)比較主流的工藝方法有選擇性催化還原技術(shù)(SCR)和選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)兩種。SCR具有脫硝效率高、反應(yīng)溫度低、需要催化劑、設(shè)備投資及運(yùn)行成本高、存在催化劑易中毒等特點(diǎn)；SNCR具有脫硝效率相對(duì)較低、無需催化劑、建設(shè)周期短、工程造價(jià)及運(yùn)行成本低、適用性廣等特點(diǎn)[4]。綜合對(duì)比這兩種煙氣脫硝技術(shù)的特點(diǎn)，SNCR更適用于中小型企業(yè)對(duì)其使用的燃煤工業(yè)鍋爐進(jìn)行升級(jí)改造，進(jìn)而達(dá)到國家及地方環(huán)保部門對(duì)工業(yè)鍋爐大氣污染物排放的要求。

1 SNCR脫硝技術(shù)

選擇性非催化還原技術(shù)是指無催化劑作用下，在適合脫硝反應(yīng)的溫度窗口內(nèi)噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮?dú)夂退?。常用的還原劑有氨水、尿素液等，溫度窗口為900～1 100 ℃[5-6]。還原劑選擇以尿素液為例，SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要包括尿素液攪拌槽、尿素液輸送泵、尿素液輸送電磁閥、尿素液儲(chǔ)罐、尿素液泵、尿素液流量調(diào)節(jié)閥、尿素液流量計(jì)、尿素液壓力計(jì)、稀釋水儲(chǔ)罐、稀釋水泵、稀釋水流量調(diào)節(jié)閥、稀釋水流量計(jì)、稀釋水壓力計(jì)、混合器、噴槍等。

圖1 SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程

2 SNCR脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 SNCR脫硝控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本SNCR脫硝控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)功能構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)。其中的主控制器采用西門子S7-1200PLC，該可編程邏輯控制器(PLC)是專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有功能模塊齊全、組態(tài)靈活、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，十分適用于SNCR脫硝控制系統(tǒng)中。其余的硬件設(shè)備主要為液晶觸控屏、輸入及輸出設(shè)備(分布式I/O)，它們通過Profinet總線與PLC進(jìn)行通信。輸入設(shè)備包括尿素液攪拌槽液位變送器及液位低接近開關(guān)、尿素液儲(chǔ)罐液位變送器及液位低接近開關(guān)、尿素液流量變送器、尿素液壓力變送器、稀釋水儲(chǔ)罐液位變送器及液位低接近開關(guān)、稀釋水流量變送器、稀釋水壓力變送器、煙氣氮氧化物含量檢測(cè)儀等；輸出設(shè)備包括尿素液攪拌機(jī)控制模塊、尿素液輸送泵控制模塊、尿素液輸送電磁閥控制模塊、尿素液泵控制模塊、尿素液流量調(diào)節(jié)閥控制模塊、稀釋水泵控制模塊、稀釋水流量調(diào)節(jié)閥控制模塊等。具體硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 SNCR脫硝控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

2.2 SNCR脫硝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本SNCR脫硝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為PLC程序及SCADA程序兩大部分。PLC執(zhí)行整個(gè)脫硝系統(tǒng)的控制邏輯，SCADA則為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。

2.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序根據(jù)功能需求劃分成主組織塊(OB1)及定時(shí)中斷組織塊(OB35)。OB1中主要執(zhí)行脫硝模式選擇、尿素液制備控制等實(shí)時(shí)性要求不高的代碼，OB35中主要執(zhí)行脫硝自動(dòng)控制的PID實(shí)現(xiàn)等優(yōu)先級(jí)及實(shí)時(shí)性要求高的代碼。PLC程序邏輯流程圖如圖3所示。

圖3 PLC程序邏輯流程

尿素液制備控制只有手動(dòng)模式，當(dāng)尿素液儲(chǔ)罐液位低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示操作者需要制備新的尿素液并輸送至尿素液儲(chǔ)罐。脫硝控制包括手動(dòng)及自動(dòng)兩種模式。當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)，PID不參與控制，操作者可以通過相應(yīng)的SCADA界面手動(dòng)調(diào)整各個(gè)脫硝控制環(huán)節(jié)。當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)采用PID閉環(huán)控制，PLC根據(jù)從煙氣氮氧化物含量檢測(cè)儀反饋的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制尿素液流量調(diào)節(jié)閥及稀釋水流量調(diào)節(jié)閥以使氮氧化物含量維持在設(shè)定值附近。PID控制邏輯如圖4所示。

圖4 PID控制邏輯

(1)氮氧化物含量設(shè)定值可通過SCADA界面進(jìn)行設(shè)定。

(2)設(shè)定一個(gè)尿素液流量調(diào)節(jié)閥與稀釋水流量調(diào)節(jié)閥的比例參數(shù)Kscale，以同步操作尿素液流量調(diào)節(jié)閥及稀釋水流量調(diào)節(jié)閥。

(3)氮氧化物含量檢測(cè)儀通常安裝于煙囪位置，氮氧化物含量檢測(cè)值存在一定的滯后性，因此氮氧化物含量檢測(cè)值需要先通過移動(dòng)平均數(shù)模塊濾波后再參與到PID控制器輸入值的計(jì)算。

2.2.2 SCADA程序設(shè)計(jì)

SCADA程序根據(jù)功能分為主界面、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警信息、歷史曲線等四個(gè)主要界面，以及用戶管理、脫硝手動(dòng)控制、脫硝自動(dòng)控制等三個(gè)彈窗界面。

主界面包含SNCR脫硝系統(tǒng)工藝流程相關(guān)的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、尿素液制備控制、脫硝控制模式選擇、用戶管理、以及報(bào)警信息顯示等內(nèi)容，如圖5所示。參數(shù)設(shè)定界面包含脫硝控制系統(tǒng)相關(guān)的所有參數(shù)，任何參數(shù)的修改都需要登錄管理者權(quán)限才能夠進(jìn)行。報(bào)警信息界面包含系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)時(shí)的報(bào)警信息以及歷史報(bào)警信息，方便操作者進(jìn)行故障排查。歷史曲線界面可以調(diào)取包括尿素液流量、尿素液壓力、稀釋水流量、稀釋水壓力、煙氣氮氧化物含量等相關(guān)變量的歷史數(shù)據(jù)曲線，以便對(duì)脫硝系統(tǒng)的階段性運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

圖5 SCADA主界面

通過用戶管理彈窗界面可以對(duì)系統(tǒng)登錄用戶進(jìn)行管理，按照權(quán)限從高到低依次分為管理者、操作者、觀察者三個(gè)等級(jí)。通過脫硝手動(dòng)控制彈窗界面可以對(duì)脫硝系統(tǒng)中的各控制環(huán)節(jié)進(jìn)行手動(dòng)操作。通過脫硝自動(dòng)控制彈窗界面可以對(duì)脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)控制進(jìn)行啟停操作。

3 工程運(yùn)用

將本設(shè)計(jì)應(yīng)用于福建省某化纖紡織公司的10 t水煤漿工業(yè)鍋爐脫硝系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)以下兩組比較有代表性的運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果：

(1)氮氧化物含量設(shè)定值為150 mg/m3，尿素液流量調(diào)節(jié)閥與稀釋水流量調(diào)節(jié)閥比例參數(shù)Kscale設(shè)定為2.0，氮氧化物含量檢測(cè)值移動(dòng)平均數(shù)模塊的時(shí)間參數(shù)設(shè)定為0，PID參數(shù)設(shè)定為Kp=2.25、Ti=10、Td=0。脫硝系統(tǒng)運(yùn)行15 min，氮氧化物含量檢測(cè)值及尿素液流量的記錄曲線如圖6所示。圖中曲線顯示出氮氧化物含量檢測(cè)值及尿素液流量波動(dòng)很大，期間尿素液的平均流量為79.2 L/h。

圖6 運(yùn)行試驗(yàn)1

(2)氮氧化物含量設(shè)定值為150 mg/m3，尿素液流量調(diào)節(jié)閥與稀釋水流量調(diào)節(jié)閥比例參數(shù)Kscale設(shè)定為2.0，氮氧化物含量檢測(cè)值移動(dòng)平均數(shù)模塊的時(shí)間參數(shù)設(shè)定為10，PID參數(shù)設(shè)定為Kp=1.1、Ti=10、Td=0。脫硝系統(tǒng)運(yùn)行15 min，氮氧化物含量檢測(cè)值及尿素液流量的記錄曲線如圖7所示。圖中曲線顯示出氮氧化物含量檢測(cè)值及尿素液流量波動(dòng)很小，氮氧化物含量檢測(cè)值基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近，期間尿素液的平均流量為66.0 L/h。

圖7 運(yùn)行試驗(yàn)2

(3)通過對(duì)比以上兩組運(yùn)行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以看出運(yùn)行試驗(yàn)2中的脫硝控制更為穩(wěn)定，同時(shí)其尿素液消耗量也較少、約為運(yùn)行試驗(yàn)1尿素液消耗量的83.3%，通過精細(xì)化調(diào)整，可以確保脫硝過程控制的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了燃煤工業(yè)鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高了脫硝效率及脫硝過程控制的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境合理整定PID參數(shù)，以使脫硝系統(tǒng)能高效運(yùn)行，同時(shí)避免氨逃逸引發(fā)的二次污染。SCR脫硝工藝與SNCR脫硝工藝有相似之處，因此本設(shè)計(jì)對(duì)SCR脫硝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有很高的借鑒意義。