小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統設計

李計珍

（北京清新環境技術股份有限公司，北京 100142）

環境污染已成為全球矚目的問題，嚴重威脅到人類的生活，沒有經過達標排放的污染物排放到大氣中是引起大氣污染最主要的原因之一。SO2和NOx未經過達標排放是造成環境污染的重要因素，使得我國的生態環境遭受了嚴峻的考驗。我國目前燃煤煙氣脫除SO2和NOx的技術已經逐步走向運行經濟和高效發展的成熟階段實現了眾多企業超低排放目標。但在環保政策的驅動下，需對脫硫脫硝工藝技術路線不斷創新，對工藝系統智能控制的應用不斷加強與完善，從而實現企業在生產過程中把污染排放降至更低的要求。常規的脫硫脫硝系統控制中，SO2和NOx的脫除方式一般將其進行分開處理。本一體化裝置在工藝流程系統中SO2和NOx的脫除方式是在混合器中同時進行，通過控制循環物料的給定量和不同區間段的反應溫度來達到污染物的脫除效率。

1 小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置系統工藝流程

1.1 工藝系統組成

小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置系統主要由原煙氣增壓風機煙氣流量輸入調節控制系統；煙氣電加熱溫度動態調節控制系統；物料提升、儲倉攪拌機及螺旋給料輸送系統；除塵回收雙螺帶混合及螺旋稱重給料輸送系統；物料研磨混合器系統，物料輸送風機系統；氨水霧化流量輸入控制系統；混合反應器催化反應控制系統；煙氣降溫除塵器系統，降溫除塵器冷卻水循環控制系統；煙氣布袋除塵系統；凈煙氣引風機煙氣流量輸出調節控制系統；氨逃逸在線監測系統；CEMS分析在線監測系統；遠傳儀表數據采集監測系統構成。

1.2 工藝流程簡述

在系統運行過程中低溫原煙氣通過增壓風機煙氣流量輸入變頻調節控制系統，達到系統所設定的標況流量；通過煙氣電加熱溫度PID動態調節控制系統，達到系統所需要的物料催化反應溫度。與此同時通過物料提升、儲倉攪拌機及螺旋給料輸送系統；除塵回收雙螺帶混合及螺旋稱重給料輸送系統；將系統催化反應所需物料送入物料研磨混合器系統；物料經過研磨混合器系統粒徑大小的輸出控制，將系統所需物料通過物料輸送風機設定的給定量均勻送入混合反應器控制系統。與此同時氨水霧化流量輸入控制系統；通過調節系統所需霧化氨水量與進入的煙氣混合，混合后的煙氣與物料同時進入混合反應器控制系統；進行低溫催化反應。經過催化反應后，煙氣中的污染物得到了高效脫除，導致混合反應器出口煙氣溫度升高，進一步通過煙氣降溫除塵器系統，降溫除塵器冷卻水循環控制系統；將催化反應過程中沒有反應的物料進行回收，進一步通過煙氣布袋除塵系統；將煙氣中攜帶的粉塵物料進行回收。除塵回收后的物料與霧化氨水通過雙螺帶混合系統進行混合，混合后的物料最終送入物料研磨混合器系統。進一步通過凈煙氣引風機煙氣流量輸出變頻調節控制系統；使得布袋除塵器中的布袋壓差在合理的區間上運行，使得系統阻力在安全的范圍內運行。氨逃逸在線監測系統；通過監測出口凈煙氣中NH3的含量來控制氨水霧化的流量。CEMS分析在線監測系統；通過監測出口凈煙氣中SO2、NOx、O2含量來計算分析煙氣中污染物的脫除效率，通過實時分析出口煙氣中的污染物數據是否滿足超低排放的要求。遠傳儀表數據采集監測系統；通過實時采集監測整個裝置系統中的流量、溫度和壓力等運行參數來確保工藝系統中設備穩定、可靠且高效運行。

1.3 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程圖（圖1）

圖1 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程圖

2 小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統

2.1 智能控制系統組成

小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統主要由集中監控中心和智能終端控制單元構成，集中監控中心通過實時冗余工業以太網與各個智能終端控制單元進行網絡連接。

集中監控中心由數據存儲服務器系統、工程師兼遠程操作站系統、操作員站系統、打印機、Web遠程服務器系統、防火墻系統和云端操作系統構成。

智能終端控制單元由增壓、引風機系統控制單元；入、出口流量系統計算單元；電加熱器系統控制單元；物料、冷卻及回收系統控制單元；氨逃逸、CEMS系統采集單元；遠傳儀表系統采集單元構成。

2.2 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統網絡連接流程圖（圖2）

圖2 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統網絡連接流程圖

2.3 集中監控中心系統架構

監控中心系統以工業互聯網為基礎，匹配相應的操作系統和服務器在網絡上，實現各部分協調工作和數據共享，共同完成各種自動控制和信息管理功能。系統采用3層網絡結構，從上至下分別是內部網絡ENet、遠程網絡IoT、控制網絡TCP，不同網絡適應不同層次和不同規模的控制和管理任務。這種分層結構大大提高了系統運行的可靠性和效率，使系統配置更為靈活，更適用于各種控制和管理場合。同時集控系統支持云端物聯網，可以與其他系統一起組成更大規模的網絡體系。

內部網絡是控制系統連接工程師兼遠程操作站、操作員站和數據存儲服務器等節點局域網絡。

遠程網絡是基于物聯感控技術的通用物聯網，為設備聯網提供監控業務、平臺和技術方案，輕松應對設備協議復雜多樣性、業務的多態性、需求的多變性，實現了工業數據的全面感知、動態傳輸和實時分析，形成科學決策與智能控制。

控制網絡是控制站內部使用的冗余實時網絡，實現控制站內部的I/O模件和控制模件之間的互聯和信息傳遞。實現現場控制站、操作員站及其相互之間的數據傳遞，保持數據的一致性。

2.4 集中監控中心組態部分設計

為了能夠方便操作人員更加直觀、準確地完成低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程控制，讓操作人員實時掌握系統運行中的每個控制環節，在界面設計中，采用分布式組態切換模式，將其應用開發環境、維護升級改造融為一體。

在開發界面設計及布局中，著重地設計了動態運行工藝流程畫面，各個智能終端控制單元設備實時運行狀態畫面，數據報表記錄畫面，歷時曲線畫面，報警記錄等畫面。

2.5 智能終端控制單元設計

2.5.1 增壓、引風機系統控制單元

增壓（F-1）、引風機（F-2）系統控制單元由PLC控制器與風機變頻器進行Modbus通訊連接，通過HMI組態系統進行指令控制，自動調節風機頻率。

步驟一：初始化參數設置，奇偶校驗應設置為與Modbus從站設備的奇偶校驗相匹配，所有設置使用一個起始位和一個停止位。

步驟二：設置Modbus從站設備的地址，從站設備為變頻器，設置通訊地址允許范圍為0至247。

步驟三：變頻器與PLC經過Modbus通訊連接完成后，通過HMI組態系統寫入控制變頻器正轉、反轉、停止、頻率設定指令，通過讀取指令采集變頻器的運行頻率、電流、轉速等數據。

2.5.2 入、出口流量系統計算單元

入、出口流量系統計算單元由PLC控制器采集模塊與原煙氣入口、凈煙氣出口管道上安裝的遠傳溫度變送器（TI）、壓力變送器（PI）、差壓變送器（FI）經過4～20 mA信號連接，PLC控制器將采集數據代入流量計算公式，所得出的標況流量通過HMI組態系統進行數據顯示、記錄和分析。

入口煙氣流量設計計算數學模型如下

標況流量為

式中：ρs為入口煙氣工況下濕煙氣密度，kg/Nm3；ρn為入口煙氣標準狀態下濕煙氣密度，kg/Nm3；Vs1為入口煙氣平均流速，m/s；Qsn為入口煙氣標況流量，Nm3/h；Kv為速度場系數；F為入口煙道截面積，m2；FI1為入口煙氣流量差壓測量變送器，Pa；Ba為當地大氣壓值，Pa；TI1為入口煙氣溫度測量變送器，℃；PI1為入口煙氣壓力測量變送器，Pa；Xws為煙氣濕度，%；本計算模型中，Kv=1，ρn=1.229 kg/Nm3，Xws=6%。

執行標準：GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》；HJ/T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范》。

2.5.3 電加熱系統控制單元

電加熱系統控制單元由三相全隔離一體化交流調壓模塊通過模擬PID進行動態調節，調壓模塊采用集成電路設計，內部集三相移相觸發電路、單向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體，可自動或手動調節以改變負載上的電壓，從而調節三相輸出功率。即在輸入控制作用下，產生三相可改變導通角的強觸發脈沖信號再去分別控制內部可控硅，實現三相負載電壓從零伏到全電壓的無級可調。

在電加熱控制系統中，最常用的控制規律是PID控制。工作原理如圖3所示，電加熱器溫度給定值N0（T）與實際溫度反饋值N（T）進行比較，其差值E（T）=N0（T）-N（T），經過PID控制模塊調整后輸出電流控制信號I（T），I（T）通過電流信號控制交流調壓模塊輸出功率P（T），P（T）驅動電加熱器工作來改變系統溫度。

圖3 電加熱器溫度控制系統

3 結束語

在對本智能終端控制系統設備調試完成后，進行了數據分析與校核，進而確定系統設計是否滿足控制的要求，通過對比手動數據分析計算與系統在線自動分析計算，證明控制邏輯流程及輸出數據符合本系統的設計指標。本文按照控制的邏輯順序對煙氣低溫催化脫硫脫硝一體化裝置系統進行簡要介紹，闡述了系統的工藝流程、控制過程及控制架構，介紹了系統中各個智能終端控制單元的作用，在滿足系統設備操作要求的基礎上實現各個單元之間手動控制與自動控制的無縫切換。還有一些問題需要在以后的技術升級改造中逐步完善和優化，流量、溫度都是通過PID算法進行精度控制，另外在組態界面中增加三維立體動態模擬仿真畫面，提供更加清晰直觀的監控效果。

本一體化裝置控制系統，通過低溫煙氣與物料的混合催化反應，充分保證氣固反應的停留時間，對原煙氣中的污染物進行了徹底處理，對催化物料的給定量進行精確控制，同時節約資源且避免了二次污染物的產生。