基于PLC的燃煤鍋爐脫硝控制系統

單學軍

(上海恒逸聚酯纖維有限公司，上海201424)

燃煤鍋爐要達到環保部門要求的煙氣排放標準，防止煤燃燒后產生過多的NOx污染環境，必須對煤進行脫硝處理，處理過程一般分為燃燒前脫硝、燃燒過程脫硝和燃燒后脫硝。燃燒后脫硝工藝大致分為干法、半干法和濕法3類，其中干法包括選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)、選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)和電子束聯合脫硫脫硝法。半干法有活性炭聯合脫硫脫硝法及濕法有臭氧氧化吸收法等。經過充分論證，同時結合上海恒逸聚酯纖維有限公司的實際情況，最后選用SNCR法實現燃燒鍋爐的脫硝工藝。

1 SNCR脫硝原理①

選擇性非催化還原(SNCR)脫除NOx技術是把含有NHx基的還原劑(氨水)噴入爐膛溫度為850～1 100℃的區域，與NOx發生還原反應生成N2和水。還原NOx的主要方程式為：

SNCR還原NOx的反應對于溫度條件非常敏感，爐膛上噴入點的選擇，也即溫度窗口的選擇是SNCR還原NOx效率的關鍵。一般認為，理想的溫度范圍為850～1 100℃，但會隨鍋爐類型有所不同。

2 SNCR脫硝工藝流程

SNCR系統由氨水儲存與供應，稀釋水儲存與供應，混合控制，噴射組件及氨水計量等部分組成。氨水和稀釋水根據鍋爐運行與NOx排放情況，通過混合控制系統配制成所需濃度，再由噴射組件將霧化的混合液噴到燃煤鍋爐的特定區域達到降低NOx的目的。

2.1 氨水儲存與供應

系統設置有一臺氨水槽車卸料泵，將槽車里的氨水加注到氨水儲罐中，現場進行啟/停操作；兩臺氨水輸送控制泵(一用一備)在現場或中控室進行啟/停控制，中控顯示氨水輸送泵的運行狀態。氨水儲罐液位、溫度和壓力信號送至中控室進行指示與報警。

2.2 稀釋水儲存與供應

系統設置有兩臺稀釋水控制泵(一用一備)在現場或中控室實現啟/停控制，并在中控室顯示運行狀態。儲罐液位采用兩位控制，以選擇手動/自動方式。

2.3 混合控制系統

每臺燃煤鍋爐有一個獨立的混合控制系統，由氨水流量控制、稀釋水流量控制、NOx含量顯示及聯鎖控制等組成。5臺燃煤鍋爐共計5套混合控制系統。

2.4 噴射組件

根據鍋爐現狀，每臺鍋爐配置了8支噴槍。噴槍安裝在爐膛溫度為800～1 100℃的適當位置。采用脫硝系統專用的氣力霧化噴射器，它包括噴槍本體、噴嘴座、霧化頭和噴嘴罩4部分。噴槍本體上的氨水溶液進口和霧化氣體進口為螺紋連接，通過兩根金屬軟管分別與氨水溶液管路和壓縮空氣管路連接。

2.5 氨水計量

由PLC程序完成氨水流量計的累積功能，包括累積清零、啟/停及累積的起始值設定等功能。

2.6 人機界面

運用WinCC設計實現組態操作站的人機界面，完成泵的啟/停設置、控制控制回路的控制參數設定、控制方式的手動/自動切換、報警參數設置、報警的響應與處理、歷史數據的趨勢顯示與存儲以及聯鎖的投運與旁路等功能。

3 模塊程序設計要點

PLC程序設計對開關量的處理比較簡單，如各輸送泵的啟/停操作、泵運行狀態的顯示和報警、稀釋水儲罐的兩位液位控制等內容略去，重點介紹模擬量的輸入與轉換、PID控制回路和氨水流量累積程序。

3.1 模擬量的輸入與轉換

模擬量通過PLC的AI卡接入系統，通過周期掃描和程序處理模塊，將其轉換為儀表量程顯示的數值或按百分比顯示的數值，這是PLC程序完成模擬量顯示和控制的基礎。模擬量的輸入處理與報警設定程序如圖1所示，FB1是功能模塊，每個模擬量都要調用這個模塊的程序進行模擬量的轉換與處理，處理多少個模擬量就調用多少次。筆者設計的脫硝系統共有13個模擬量輸入，其中10個是PID控制輸入、3個是顯示輸入。調用的每個模擬量都要建立相應的背景數據DB塊，保存有關點的數據供PLC程序和WinCC使用。

圖1 模擬量的輸入轉換和報警程序及其代碼

3.2 PID控制回路

PID控制回路除上述模擬信號的輸入與處理外，還需要增加控制方式無擾動切換、工程單位數值轉百分比數值、死區設置、PID參數設置、PID控制輸出及工藝聯鎖等。其中PID控制模塊是PLC系統自帶的功能塊，具體功能介紹與使用方法請參考西門子PLC技術資料。

其他程序段比較簡單，程序段名稱就是功能塊的作用。在此僅介紹一個控制回路，其他控制回路的結構類似，不同之處在于它們需要建立各自獨立的DB數據塊，需要定義不同的中間變量來完成各自回路的手動/自動切換等功能。如圖2所示的控制程序和程序代碼，需要與圖1給出的程序段配合，共同完成PID回路的控制任務。

圖2 幾個功能實現的程序

轉換模塊FC10源程序如下：

SET

A #BIPOARP

JC M01

L 0.0

T #TEMP3

JU M02

M01:L #IN_MIN

T #TEMP3

M02:NOP 0

L #IN_MAX

T #TEMP4

L #PV

T #TEMP2

L #OUT_MAX

L #OUT_MIN

-R

T #TEMP5

L #TEMP2

L #TEMP3

>=R

JC M03

L 8

T #RET_VAL

L #OUT_MIN

T #OUT6

JU M004

M03:POP

L #TEMP4

<=R

JC M05

L 8

T #RET_VAL

L #OUT_MAX

T #OUT6

JU M04

M05:NOP 0

NOP 0

L #TEMP4

L #TEMP3

-R

T #TEMP6

L #TEMP2

L #TEMP3

-R

L #TEMP6

/R

L #TEMP5

*R

L #OUT_MIN

+R

T #OUT6

L 0

T #RET_VAL

SET

JU M06

M04:CLR

M06:SAVE

3.3 氨水流量累積程序

5臺鍋爐的氨水控制分別由5臺電磁流量計進行調節，程序需要將5臺電磁流量計分別累積，然后將其總和顯示在操作站的流程圖畫面上。實現氨水流量控制的累積功能塊和源程序如圖3所示。程序中，如果設定采樣周期為100ms，需要通過PLC中斷周期為100ms的組織塊OB35來調用累積處理模塊，唯有如此才能保證準確計量。

圖3 累積功能塊和源程序

4 WinCC組態

WinCC組態主要是建立變量，在流程圖畫面上顯示的過程變量、操作的各種按鈕、PID參數設定、報警值設置、報警信息顯示及聯鎖投運與旁路等都需要定義變量，最后是流程圖的繪制等組態

工作。

本項目需要組態的主要畫面有：主流程(圖4)、報警設定、量程設定、PID參數設定、報警信息及用戶登錄等。詳細的畫面組態請參考西門子公司的相關資料。

圖4 脫硝系統總流程界面

脫硝系統總流程圖顯示的狀態表明，3號燃煤鍋爐處于使用狀態，脫硝系統正常工作。其他4臺燃煤鍋爐處于停機狀態，脫硝系統聯鎖動作，控制閥處于關閉狀態，防止氨水及稀釋水等的浪費。流程圖畫面控制回路選擇“常規”時，氨水控制回路與稀釋水控制回路獨立控制；選擇“程序”時，氨水與稀釋水的噴射總流量為設置的恒定值。

5 結束語

筆者利用PLC系統實現脫硝系統比較復雜的回路控制功能，與WinCC組態軟件完美組合后，實現了相關信息的組態和顯示。系統投運后，經過一年多的實際應用，證實筆者設計的脫硝自控系統工作穩定可靠，為企業的節能減排工作全面達標發揮了很大作用。