基于PLC的鍋爐煙氣脫硝控制系統的設計

鄂以帥，張保偉，代惠民，張 爍，李 琰，王瑩瑋，賀 強

（中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041）

煙氣脫硝技術是我國控制氮氧化物排放的主要方法之一。目前，國內外應用較多且工藝成熟的選擇性催化還原法（SCR）和選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝，均需要向煙氣中噴入還原劑氨，使煙氣中的氮氧化物還原成氮[1]。為了保證氮氧化物充分反應并避免氨過量造成新的污染，需要對氨逃逸進行實時監測分析，以達到還原劑氨注入量的最優化，提高脫硝效率。監測脫硝前后氨的含量是實施控制氨逃逸的有效依據，從而避免造成對下游設備的腐蝕和破壞。

1 脫硝機理及系統工藝流程

1.1 煙氣脫硝機理

選擇性非催化還原脫除Ox技術是把含有NHx基的還原劑噴入爐膛溫度為800℃～1100℃的區域，該還原劑迅速熱分解成NH3和其它副產物，隨后NH3與煙氣中的NOx進行選擇性非催化還原反應而生成N2和H2O[2]。其化學反應方程式主要為：

1.2 煙氣脫硝系統工藝流程

煙氣脫硝系統主要由卸氨系統，氨水儲罐，氨水輸送及控制系統，軟化水箱，軟化水輸送及控制系統，稀釋系統，壓縮空氣調節劑及制系統，分配及控制系統，噴霧系統，煙氣在線監測系統,氨逃逸在線監測系統等幾部分構成。當氨水被軟化水稀釋后通過分配調節系統，在壓縮空氣的作用下通過噴霧系統對鍋爐煙氣進行噴霧。其中氨水輸送及控制系統負責氨水量的計量、調節部分；軟水輸送及控制系統負責軟化水量的計量、調節部分；稀釋系統負責氨水和軟水的配比、濃度控制；煙氣檢測系統負責煙氣NOx、O2濃度的監測，分配及控制系統通過對煙氣監測數據的分析控制藥劑的流量；壓縮空氣調節及控制系統負責藥劑的輸送揚程及輸送壓力；氨逃逸在線監測系統負責煙氣中NH3的含量監測，來控制氨消耗。

圖1 工藝流程圖

2 控制系統硬件設計

本系統包括PLC，液位計，流量計，觸摸屏，上位機，煙氣在線監測系統，氨逃逸在線監測系統，數據遠程診斷系統等幾部分。其中該系統以PLC為控制核心進行展開的，PLC本身具有可靠性好，適應性好，抗干擾能力強，能夠適應多種環境、在煙氣脫硝的環境中可以穩定運行等優先，再有PLC還自帶RS232和RS485通訊接口，可以方便的完成與上位機，數據遠程診斷等功能，可以方便的進行設備的調試和維護，并通過組態軟件及上位機軟件搭配應用，簡潔明了的顯示出控制過程，方便操作人員的使用及維護。

2.1 PLC控制要求

本系統中，PLC接收在線監測設備傳送過來的信號，根據邏輯控制程序，判斷是否需要啟停或調節設備。同時PLC與上位機及觸摸屏實時通訊，通過上位機和觸摸屏不僅可以觀看反應過程，還可以進行反應的自動與手動的控制；通過數據遠程診斷平臺可以實現互聯網的遠程監控與系統專家診斷等功能[4]。

2.2 煙氣排放在線監測系統

煙氣排放在線監測系統是適應于各種鍋爐連續廢棄排放量的檢測，可以連續在線監測顆粒物的濃度，其控制計算機可以將所測到的數據進行存儲和處理；可通過網絡與上級環保部門的計算機連接，環保部門可以方便、快捷地調用和監測數據[3]。

2.3 氨逃逸在線監測系統

在脫硝工藝氣體監測中，出口的逃逸氨（殘余氨）濃度檢測非常重要，因為逃逸氨是反映和考評脫硝效率的指標之一，同時過量的逃逸氨生成的銨鹽會嚴重影響后續空預器等設備正常運行，因此氨逃逸監測也是目前國內脫硝工藝中煙氣監測的重要組成部分。

2.4 數據遠程專家診斷系統

遠程監測技術是隨著計算機技術,通信技術,傳感技術的發展而逐漸興起的設備狀態監測技術。遠程監控的監測點與控制中心分別位于兩地,打破了地域的界限,方便通過網絡來連接傳遞信息。

在煙氣脫硝控制系統中，無線數傳模塊把NOx,O2，下料量等重要參數通過網絡傳輸到異地，異地技術人員通過登錄網絡平臺對其訪問，數據查看等手段對其在線數據進行分析，甄別。實現隨時隨地掌控系統運行狀況，并可以實現遠程運維的效果。

3 系統軟件設計

3.1 PLC的程序設計[5]

系統采用可編程控制器對整個系統實現自動控制，應用PLC控制主要實現功能如下。

（1）實現設備手動控制與自動控制的處理；

（2）實現煙氣脫硝系統的控制處理；

（3）實現對運行數據的存儲與展示；

（4）實現上位機與觸摸屏的通訊。

在進行PLC程序書寫時，考慮到手動控制與自動控制的切換、設備啟停順序、設備輸入/輸出量、故障報警等方面的考慮[5]。其流程圖如圖2所示。

圖2 plc控制程序主流程圖

3.2 上位機組態部分設計

為了能夠方便操作人員對于測量系統的使用，更加直觀、更加快捷的完成脫硝系統的控制，讓操作人員實時掌握測量過程中的每一個環節，在界面設計中，采用國產的組態軟件，其開發環境通俗易懂，和通訊接口方便，容易上手，并且功能強大，可以將各個部分有效的融為一體[6]。

在開發界面設計及布局中，著重的設計了工藝流程畫面，各個設備狀態畫面，歷時曲線畫面，報警畫面等，開發環境自帶圖庫，設計中直接從庫中調取，方便快捷。

4 控制結果及展望

在對本控制系統設備調試完成后，進行了測量分析與校核，進而確定系統是否滿足控制的要求，通過對人工計算與系統在線分析進行了對比，證明控制結果符合國家要求[7]。

本文按照實施的順序對煙氣脫硝自動控制系統進行介紹，說明了系統的工藝流程、搭建過程及實施步驟，介紹了系統的各個功能塊的作用，在滿足工藝要求的基礎上實現手動與自動的切換，系統報警處理等。還有一些問題需要在以后改進中完善優化，考慮通過PID算法進行精度更高的控制，另外在組態界面中增加三維立體動態畫面，提供更加清晰直觀的監控畫面。