一種基于DCS平臺(tái)的SNCR系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)

曹 通

(蒙城環(huán)蒙再生能源有限公司，安徽 亳州 233500)

常規(guī)城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目煙氣處理工藝只有采用“SNCR(選擇性非催化還原)+半干法+活性炭吸附+袋式除塵”才可達(dá)到國(guó)家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。由上述工藝流程可見(jiàn)SNCR爐內(nèi)非催化還原為NOx指標(biāo)控制的常用手段，SNCR系統(tǒng)的自動(dòng)投入率直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)DCS(分散控制系統(tǒng))進(jìn)行邏輯優(yōu)化后，無(wú)需增加基礎(chǔ)硬件，可實(shí)現(xiàn)DCS NOx自動(dòng)控制，以降低人員勞動(dòng)力成本及物料的消耗。

1 SNCR現(xiàn)有技術(shù)背景

1.1 SNCR控制技術(shù)原理

SNCR技術(shù)常規(guī)采用氨水或者溶解的尿素作為還原劑，根據(jù)實(shí)際工況混合適量的除鹽水進(jìn)行稀釋后通過(guò)分配器經(jīng)噴槍噴射至爐內(nèi)，在合適的溫度窗口區(qū)間與煙氣進(jìn)行反應(yīng)，利用還原劑的氨基元素將煙氣中的NO分解為N2和H2O[1]，當(dāng)反應(yīng)區(qū)溫度較高則會(huì)將氨基氧化還原為NOx[1]。通常把尿素溶液作為還原劑使用的最佳窗口溫度為850～1 050 ℃[2]。

常用氨基作為還原劑的化學(xué)還原公式為

1.2 現(xiàn)有技術(shù)分析

常規(guī)控制過(guò)程中還原劑的用量，反應(yīng)區(qū)的窗口溫度、煙氣滯留時(shí)間等多重因素直接影響指標(biāo)的穩(wěn)定性，還原劑使用量不足容易導(dǎo)致煙氣參數(shù)超標(biāo)，而過(guò)量的使用又會(huì)造成還原劑浪費(fèi)及氨逃逸，進(jìn)而造成尾部煙道內(nèi)設(shè)備的腐蝕及環(huán)境的二次污染。

常規(guī)項(xiàng)目SNCR控制系統(tǒng)普遍采用PLC(可編程邏輯控制器)對(duì)就地設(shè)備進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)通過(guò)DP通信方式傳輸至DCS系統(tǒng)供操作人員進(jìn)行監(jiān)視及操作。PLC控制便于廠商技術(shù)保留，但不利于使用方后期正常生產(chǎn)運(yùn)行的維護(hù)及修改。常規(guī)SNCR控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)SNCR控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

垃圾成分不同，發(fā)酵時(shí)間周期不同，運(yùn)行工況方式不同，且常規(guī)煙氣分析設(shè)備在尾部煙囪內(nèi)與爐膛反應(yīng)區(qū)域較遠(yuǎn)，這些因素造成NOx指標(biāo)波動(dòng)性較大、延遲性加大、控制效果較差。在PLC內(nèi)設(shè)置單純以NOx實(shí)測(cè)值為過(guò)程變量的自動(dòng)控制方案，很難精準(zhǔn)控制還原劑的使用量，極易導(dǎo)致指標(biāo)異常、氨逃逸大的情況發(fā)生。通常情況下，操作人員只能通過(guò)人工干預(yù)方法進(jìn)行調(diào)整。

2 SNCR系統(tǒng)的DCS優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化目的

針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，上海環(huán)境集團(tuán)蒙城環(huán)蒙再生能源有限公司(以下簡(jiǎn)稱“蒙城能源”)利用DCS控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。該項(xiàng)目配置為2×350 t/d機(jī)械式爐排焚燒爐，配套15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，煙氣處理采用“爐內(nèi)SNCR+半干法+碳酸氫鈉噴射+活性炭吸附+布袋除塵器”，在煙囪內(nèi)設(shè)置煙氣在線監(jiān)測(cè)裝置。

蒙城能源SNCR控制系統(tǒng)采用S7-300 PLC控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)為北京和利時(shí)股份有限公司的MACSV平臺(tái)。SNCR系統(tǒng)通過(guò)DP通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至DCS系統(tǒng)，供運(yùn)行人員進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控及設(shè)備操作。

原控制方案：PLC內(nèi)NOx控制采用單回路PID控制，稀釋水自動(dòng)控制。因垃圾焚燒工況多變，煙氣在線監(jiān)測(cè)設(shè)備離反應(yīng)區(qū)域距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致參數(shù)滯后性較大，只通過(guò)設(shè)定值與過(guò)程值的偏差進(jìn)行的PID調(diào)節(jié)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況運(yùn)行的要求[3]。且PLC程序加密，廠家的技術(shù)保留導(dǎo)致PLC內(nèi)邏輯無(wú)法進(jìn)行修改，給生產(chǎn)期間的維護(hù)帶來(lái)了不便。

為節(jié)省改造成本，在原有控制系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下，對(duì)蒙城能源項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化內(nèi)容及步驟

蒙城能源項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及歷史記錄，針對(duì)物料消耗及工況分析制定出一套基于DCS系統(tǒng)的SNCR系統(tǒng)自動(dòng)控制方法。該方法是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際已投用的SNCR系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行NOx自動(dòng)控制的技術(shù)改進(jìn)，其主要構(gòu)成有SNCR系統(tǒng)硬件及自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表、爐內(nèi)噴槍、改造后的DCS系統(tǒng)NOx控制技術(shù)、稀釋水自動(dòng)配比，以及自動(dòng)控制前饋量的分析運(yùn)算。

為實(shí)現(xiàn)上述控制方法需進(jìn)行以下步驟。

2.2.1 增加NOx自動(dòng)控制方案

現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員確認(rèn)SNCR系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)通信正常，且所有SNCR系統(tǒng)設(shè)備均可在DCS內(nèi)進(jìn)行單獨(dú)操作。

退出SNCR系統(tǒng)中PLC程序的自動(dòng)運(yùn)行方式，對(duì)原邏輯方案進(jìn)行備份后，刪除DCS內(nèi)相關(guān)的邏輯及畫(huà)面，避免改造后因畫(huà)面不同導(dǎo)致運(yùn)行人員誤操作情況的發(fā)生。

進(jìn)行DCS內(nèi)邏輯組態(tài)，增加NOx控制自動(dòng)邏輯方案，采用以NOx實(shí)時(shí)值為主的PID調(diào)節(jié)器的過(guò)程輸入值，與設(shè)定值SP1進(jìn)行偏差比較，通過(guò)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算后得出合適的輸出指令作為尿素溶液計(jì)量泵的頻率給定，并對(duì)輸出進(jìn)行高低限制。具體方案如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)NOx自控控制方案圖

使用鍋爐蒸發(fā)量作為前饋信號(hào)。因NOx實(shí)測(cè)值滯后性較大，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)NOx實(shí)測(cè)值具有一定的延遲，往往鍋爐負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)提前反映出NOx指標(biāo)的變化趨勢(shì)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行觀察，當(dāng)焚燒爐負(fù)荷在額定蒸發(fā)量的85%時(shí)，NOx含量生成較為穩(wěn)定，故以額定蒸發(fā)量85%這個(gè)點(diǎn)為中間點(diǎn)，經(jīng)折線函數(shù)F(x)計(jì)算出補(bǔ)償頻率，將其作為主PID調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償。同時(shí)增加補(bǔ)償值的高低限制及變化率限制[4]。

增加超馳控制邏輯。當(dāng)NOx實(shí)時(shí)值大于250 mg/Nm3，延時(shí)1 min后將輸出下限限制為40 Hz，當(dāng)NOx實(shí)時(shí)值低于50 mg/Nm3，延時(shí)1 min后將輸出上限限制為25 Hz，從而使系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)并恢復(fù)至正?？刂品秶鷥?nèi)，避免因瞬間參數(shù)驟變使PID調(diào)節(jié)器第一時(shí)間無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致參數(shù)失控的情況發(fā)生。

增加切強(qiáng)制手動(dòng)邏輯。當(dāng)NOx實(shí)測(cè)值與設(shè)定值偏差的絕對(duì)值大于100 mg/Nm3時(shí)，切除自動(dòng)控制并發(fā)出聲光警報(bào)，方便運(yùn)行人員第一時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

增加自動(dòng)跟蹤邏輯。在正常運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行CEMS維護(hù)時(shí)，PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動(dòng)跟蹤為當(dāng)前過(guò)程值，則PID保持上一周期運(yùn)算結(jié)果輸出。當(dāng)CEMS維護(hù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)跟蹤退出，PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值根據(jù)NOx實(shí)時(shí)值與原設(shè)定值SP1進(jìn)行計(jì)算，此方案可避免每周一次CEMS維護(hù)造成的自動(dòng)退出。

2.2.2 增加稀釋水流量自動(dòng)控制方案

SNCR系統(tǒng)稀釋水采用除鹽水，其作用為稀釋尿素溶液濃度，以稀釋水為載體混合尿素溶液對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行噴射。另外，稀釋水還有一定的控制氨逃逸的作用。當(dāng)氨逃逸濃度較大時(shí)，增加稀釋水流量可減小氨逃逸濃度。根據(jù)廠家提供的資料并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，增加稀釋水自動(dòng)控制邏輯方案如下[5]：

采用PID控制運(yùn)算，過(guò)程值為稀釋水流量[6]，設(shè)定值為NOx自動(dòng)控制系統(tǒng)中還原劑的流量值與參考資料給的比例相乘后得到的需求值SP1，通過(guò)反應(yīng)區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)優(yōu)選后得出的平均值經(jīng)函數(shù)F(x)折算出的值為SP2，SP1與SP2必選后取MAX作為稀釋水PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，并對(duì)該值進(jìn)行高低限制，現(xiàn)場(chǎng)高限值設(shè)置為350 L/h、低限值為230 L/h。

稀釋水自動(dòng)投入跟隨NOx主PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入狀態(tài)。當(dāng)NOx主PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入后，觸發(fā)稀釋水PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)投入，反之NOx主PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)切除后，稀釋水PID調(diào)節(jié)器隨之切除，詳見(jiàn)圖3。

圖3 DCS系統(tǒng)稀釋水流量自動(dòng)控制方案圖

3 優(yōu)化后控制效果

蒙城能源項(xiàng)目中，對(duì)DCS優(yōu)化后的SNCR控制方案可滿足實(shí)際生產(chǎn)多種工況變化下的穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程調(diào)試對(duì)NOx控制PID采用PI調(diào)節(jié)，設(shè)置PID調(diào)節(jié)器參數(shù)(Kp=800、Ti=1400、Td=0)。通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的NOx自動(dòng)控制可在鍋爐蒸發(fā)量出現(xiàn)變化、煙氣參數(shù)還未發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償頻率輸出，在提前控制尿素溶液量的同時(shí)折算出稀釋水流量的需求值。稀釋水控制方案采用單回路PI控制，通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行稀釋水流量的控制，稀釋水PID調(diào)節(jié)器參數(shù)(Kp=240、Ti=360、Td=0)改進(jìn)后，日稀釋水使用量大幅度下降，爐溫低時(shí)相對(duì)負(fù)荷也較低，產(chǎn)生的NOx含量也較低，自動(dòng)控制模式下，自動(dòng)關(guān)小稀釋水開(kāi)度及溶液計(jì)量泵頻率可大大降低生產(chǎn)成本。

通過(guò)20天的連續(xù)運(yùn)行觀察可知，設(shè)定控制NOx指標(biāo)在140 mg/Nm3時(shí)，自動(dòng)投入率達(dá)95%以上，各種指標(biāo)控制穩(wěn)定，氨逃逸濃度降低，尿素溶液消耗量明顯下降，與優(yōu)化前對(duì)比可減少尿素使用量約0.1～0.15 t/d，且大幅度減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

上述數(shù)據(jù)僅為參考數(shù)據(jù)，因運(yùn)行方式不同、工況不同、垃圾成分不同，可能存在實(shí)際效果上的差異。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)SNCR系統(tǒng)具有流程長(zhǎng)、大延遲、大慣性、擾動(dòng)因素多的特點(diǎn)，蒙城能源項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制需要考慮的因素進(jìn)行了深入研究，從而制訂了上述方案。該方案在原有技術(shù)平臺(tái)上完成，不需額外增加現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備，投入成本低，見(jiàn)效快。NOx自動(dòng)控制和稀釋水自動(dòng)控制2套方案配合使用時(shí)，既能根據(jù)NOx實(shí)時(shí)值控制尿素溶液的使用量，又可根據(jù)實(shí)時(shí)尿素溶液量的使用控制稀釋水的消耗量。采用以上邏輯對(duì)SNCR自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，SNCR自動(dòng)控制系統(tǒng)的適用范圍更寬，幾乎在垃圾焚燒爐各負(fù)荷階段均能穩(wěn)定運(yùn)行，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻率減小，減少了系統(tǒng)磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。NOx小時(shí)均值既能很好地控制在環(huán)保指標(biāo)以下，又能根據(jù)目標(biāo)值設(shè)定運(yùn)行，減少尿素溶液的用量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。