燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李偉 劉財勇 齊建家 王濤 馬武學(xué)

摘要：為了使燃煤鍋爐煙氣中NOx的含量滿足國家標準，在煙氣排放前增加了脫硝工藝過程。以選擇性非催化還原法（SNCR）作為脫硝工藝，西門子S7-1500 PLC作為控制核心，采用TIA portal的WinCC設(shè)計煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)，著重探討了系統(tǒng)主畫面、尿素溶液制備畫面與設(shè)備運行狀態(tài)畫面的組態(tài)。系統(tǒng)成功用于生成實踐，取得了良好的效果。

Abstract： In order to make the NOx content in the flue gas of coal-fired boilers meet the national standards， the denitration process is added before the flue gas is discharged. Taking selective non-catalytic reduction （SNCR） as denitration process， Siemens S7-1500 PLC as control core， TIA portal WinCC is used to design flue gas denitration monitoring system， focusing on the configuration of the system main screen， urea solution preparation screen and equipment operation status screen. The system was successfully used to generate practices and achieved good results.

關(guān)鍵詞：脫硝監(jiān)測系統(tǒng);WinCC;SNCR;燃煤鍋爐

Key words： denitrification monitoring system;WinCC;SNCR;coal-fired boiler

中圖分類號：TH862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0185-04

0 ?引言

伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，由此引發(fā)的能源損耗導(dǎo)致的大氣環(huán)境污染問題，得到人們的持續(xù)關(guān)注。煤在我國的一次能源中占比較高，煤的燃燒會造成嚴重的空氣污染，這對人類健康和大氣環(huán)境是非常有害的[1，2]。燃煤鍋爐排放煙氣是大氣污染的最主要根源。目前，國內(nèi)各種工業(yè)鍋爐達47萬臺左右，除工業(yè)較發(fā)達地區(qū)的少數(shù)工業(yè)鍋爐實現(xiàn)了“煤改氣”之外，大部分工業(yè)鍋爐仍然以煤炭為主。燃煤鍋爐在燃燒過程中會釋放大量大氣污染物，其中氮氧化物占大部分，氮氧化物中NO和NO2會導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧。氮氧化物也會直接刺激肺部，影響人體呼吸系統(tǒng)。根據(jù)當前發(fā)展情況，預(yù)測在2030年氮氧化物排放量可能會有或超過二千萬噸。根據(jù)2017年國家最新的氮氧化物排放量標準[3]，在用燃煤鍋爐氮氧化物排放量不得高于400mg/m3，新建燃煤鍋爐不得高于300mg/m3，現(xiàn)有大部分鍋爐煙氣排放濃度已不滿足新的國家環(huán)保要求，這必然推進我國煙氣脫硝改造工程。

在現(xiàn)有燃煤鍋爐煙氣的脫硝升級改造建設(shè)中，因PLC功能強大，在環(huán)境艱苦的工廠中被廣泛使用，進行有效的分散控制。同時，由于燃煤鍋爐煙氣脫硝過程需要具備遠程控制、可視畫面同步和實時監(jiān)測等功能，所以組態(tài)軟件在控制系統(tǒng)中扮演了重要的角色。西門子TIA portal軟件是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的全集成自動化軟件。全集成自動化TIA（Totally Integrated Automation）即統(tǒng)一的組態(tài)和編程、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理和統(tǒng)一的通信，是集統(tǒng)一性和開放性于一身的自動化技術(shù)[4，5]。采用此新型、統(tǒng)一軟件框架，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試西門子的所有可編程控制器、人機界面和驅(qū)動裝置，大大降低連接和組態(tài)成本。

1 ?脫硝工藝方案

本文基于黑龍江貝因美乳業(yè)集團2臺燃煤蒸汽鍋爐煙氣排放的環(huán)保升級改造項目，鍋爐的主要參數(shù)為：鍋爐額定蒸發(fā)量為25t/h;燃燒室溫度900～1100℃;煤的含氮量0.93%;煙氣NOx含量600mg/m3。利用西門子TIA portal軟件開發(fā)設(shè)計燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行狀況的監(jiān)測和控制。

脫硝技術(shù)一般分為燃燒前脫硝、燃燒過程脫硝和燃燒后脫硝。燃燒后脫硝即煙氣脫硝，與NO的氧化、還原及吸附的特性有關(guān)，大致分為干法、半干法和濕法3類，其中干法脫硝技術(shù)是目前工業(yè)研究、應(yīng)用的主流和發(fā)展方向。干法脫硝主要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(lián)合脫硫脫硝法。從建設(shè)成本和運行成本的角度看，SNCR比SCR的投入要小得多[6-9]。

根據(jù)黑龍江貝因美乳業(yè)集團鍋爐的實際運營情況，SNCR脫硝方式最適合。因此我們采用SNCR作為脫硝方案。煙氣脫硝工藝流程如圖1所示。煙氣脫硝方案選用尿素為反應(yīng)劑原料。當尿素溶解罐中的液位計檢測到溶液液位較低時，就會啟動上料電機，將尿素原料送進尿素溶解罐中，同時啟動攪拌器，打開稀釋水管道球閥;當尿素溶解罐中的液位計檢測到溶液液位過高時，則關(guān)閉上料電機，并停止攪拌，啟動轉(zhuǎn)存泵，將溶液輸送到儲存罐。當尿素溶液儲存罐中的液位計檢測到溶液液位較低時，也將啟動轉(zhuǎn)存泵，將尿素溶解罐中的溶液輸送到尿素溶液儲存罐中。啟動運輸泵后，鍋爐中的四個噴槍借助空壓機產(chǎn)生的氣壓，將尿素溶液輸送到鍋爐爐膛內(nèi)，與氮氧化物產(chǎn)生還原反應(yīng)，生成對環(huán)境無污染的N2和H2O，最終排放到大氣中。

從以上分析得出，該工藝主要包括尿素溶液制備、溶液混合、溶液輸送、分配噴射、壓縮空氣制備等環(huán)節(jié)，工藝中省略了伴熱熱水系統(tǒng)。這些主要環(huán)節(jié)將體現(xiàn)在觸摸屏畫面組態(tài)設(shè)計中。

2 ?脫硝監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案

脫硝監(jiān)測系統(tǒng)硬件采用S7-1500系列，模塊式結(jié)構(gòu)。其主要組成部分包括：CPU采用1516-3 PN/DP，模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊，開關(guān)量輸入模塊，開關(guān)量輸出模塊，KTP700 Basic PN精簡系列觸摸屏。由于控制系統(tǒng)與現(xiàn)場儀表及執(zhí)行機構(gòu)相距較遠，系統(tǒng)采用ET200MP分布式I/O模塊，通過PROFINET總線方式與S7-1500 PLC本機通信。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

3 ?脫硝監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 畫面總體規(guī)劃

監(jiān)測系統(tǒng)使用西門子博圖中的WinCC進行設(shè)計，根據(jù)煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝流程，人機界面的設(shè)計主要包括開機時的用戶登錄畫面，登錄后的主畫面，尿素溶液制備、溶液混合、溶液輸送、分配噴射、壓縮空氣制備等工藝畫面，用戶管理畫面，報警信息畫面，系統(tǒng)設(shè)置畫面，數(shù)據(jù)趨勢畫面等。人機界面系統(tǒng)框圖如圖3所示。在WinCC中，各畫面之間是可以相互切換的。

3.2 主要畫面組態(tài)

3.2.1 登錄畫面

登錄畫面是設(shè)備開機所顯示的啟動畫面，設(shè)計應(yīng)簡潔、美觀。監(jiān)測系統(tǒng)登錄畫面如圖4所示。在登錄畫面中有兩個區(qū)域：上方的固定窗口和用戶登錄區(qū)。

3.2.2 主畫面

用戶登錄后進入主畫面，如圖5所示。在主畫面中涵蓋了監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能，包括煙氣排放中氮氧化物含量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行模式及狀態(tài)顯示，工藝畫面切換按鈕等。

3.2.3 尿素溶液制備畫面

尿素溶液制備畫面屬于系統(tǒng)中的工藝畫面，如圖6所示，主要包括上料、攪拌和儲存三部分。在畫面中需要繪制出尿素溶液制備的主要的工藝流程，工藝設(shè)備和管道可以通過使用軟件“工具箱”任務(wù)卡中的“圖形”窗格中的元素來形象表示，工藝參數(shù)和狀態(tài)利用“工具箱”任務(wù)卡中的“基本對象”窗格的圓、圖形視圖和“元素”窗格的I/O域等元素表示。

3.2.4 設(shè)備運行狀態(tài)畫面

煙氣脫硝系統(tǒng)投入運行后，整個系統(tǒng)的工況參數(shù)經(jīng)常需要在線或離線修改，并顯示在人機界面上，從而使整個系統(tǒng)工藝中的設(shè)備運行及參數(shù)得到全面的控制。這部分工作主要在設(shè)備運行狀態(tài)畫面中完成。圖7列出了煙氣脫硝過程的主要工況參數(shù)情況，參數(shù)的顯示和修改通過軟件“工具箱”任務(wù)卡中“元素”窗格的輸入/輸出I/O域元素來表示，并輔以設(shè)備的狀態(tài)指示燈。

4 ?結(jié)語

利用西門子可編程控制器和全集成自動化軟件實現(xiàn)燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，組態(tài)了工藝數(shù)據(jù)監(jiān)測、用戶管理、設(shè)備運行狀態(tài)等畫面。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于黑龍江貝因美乳業(yè)集團鍋爐改造項目，其界面友好，運行可靠，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]王天澤，楚英豪，郭家秀，尹華強.煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進展[J].四川環(huán)境，2012（3）.

[2]姜海燕.西門子PLC、組態(tài)王在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦山機械，2010（5）.

[3]dongchang.國家及地方鍋爐大氣污染物排放標準匯總[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/18/0711/11/253213_769526013.shtml，2018-07-11/2019-02-15.

[4]廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[5]王蘇.基于PLC的煙氣脫硫脫硝控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2016.

[6]顧衛(wèi)榮，周明吉，馬薇.燃煤煙氣脫硝技術(shù)的研究進展[J].化工進展，2012（9）.

[7]單學(xué)軍.基于PLC的燃煤鍋爐脫硝控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表，2014（7）.

[8]王玉敏，趙光.控制系統(tǒng)在SNCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（34）.

[9]王天澤，楚英豪，郭家秀，尹華強.煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進展[J].四川環(huán)境，2012（3）.