燃煤工业锅炉SNCR脱硝控制系统设计.pdf

2022年第12期（总第300期）应用能源技术23doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2022.12.005燃煤工业锅炉SNCR脱硝控制系统设计范振涛（豪氏威马（中国）有限公司，漳州361000）摘 要：本文介绍了一种可行、可靠的燃煤工业锅炉SNCR脱硝控制系统设计，详细阐述了该 控制系统的硬件设计及软件设计。该控制系统以PLC为主控制器、以液晶触控屏的SCADA为人 机交互接口，实现了 SNCR脱硝系统的闭环控制，提高了脱硝效率及脱硝过程控制的稳定性。关键词：SNCR；脱硝；PLC；SCADA；PID闭环控制中图分类号:TM621.7 文献标志码:A 文章编号：1009-3230（2022）12-0023-04Design of SNCR Denitrification Control System forCoal-fired Industrial BoilersFAN Zhen-tao(Huisman Equipment(China)Co.,Ltd.,Zhangzhou 361000,China)Abstract:This paper introduces a feasible and reliable coal 一 fired industrial boiler SNCR denitrification control system design,elaborated the control system hardware design and software design.The control system takes PLC as the main controller and SCADA with LCD touch screen as the human 一 computer interaction interface,which realizes the closed 一 loop control of SNCR denitrification system,improves the denitrification efficiency and the stability of denitrification process control.Key words：SNCR；denitrification；PLC；SCADA；PID closed-loop controlo引言工业锅炉是我国重要的热能动力设备，其中 以燃煤工业锅炉为主，在未来相当长的一段时间 内,燃煤工业锅炉仍将占主导地位。燃煤工业 锅炉会排放大量的氮氧化物（NOx）,产生严重的 环境污染。随着国家对节能环保的日益重视，新 版锅炉大气污染物排放标准的实施对工业锅 炉烟气污染物排放的要求进一步提高。因此，对 燃煤工业锅炉进行环保升级改造进而有效治理氮 氧化物排放的问题成为当前社会热点。目前，燃煤工业锅炉氮氧化物脱除技术主要收稿日期：收稿日期：2022-09-15 修灯日期：修灯日期：2022-10-28 作者简介：作者简介：范振涛（1985-）,男，硕士，高级工程师，主要从 事大型工程机械设备控制系统工作。分为燃烧中脱除和燃烧后脱除两种方式，燃 烧中脱除采用低氮燃烧技术，燃烧后脱除即烟 气脱硝技术，其中烟气脱硝技术应用较为广 泛。烟气脱硝技术比较主流的工艺方法有选 择性催化还原技术（SCR）和选择性非催化还原 技术（SNCR）两种。SCR具有脱硝效率高、反应 温度低、需要催化剂、设备投资及运行成本高、存在催化剂易中毒等特点;SNCR具有脱硝效率 相对较低、无需催化剂、建设周期短、工程造价 及运行成本低、适用性广等特点。综合对比 这两种烟气脱硝技术的特点，SNCR更适用于中 小型企业对其使用的燃煤工业锅炉进行升级改 造,进而达到国家及地方环保部门对工业锅炉 大气污染物排放的要求。24应用能源技术2022年第12期（总第300期）1 SNCR脱硝技术选择性非催化还原技术是指无催化剂作用 下，在适合脱硝反应的温度窗口内喷入还原剂将 烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水。常用 的还原剂有氨水、尿素液等，温度窗口为900 1 100 T5-6o还原剂选择以尿素液为例,SNCR 脱硝系统工艺流程如图1所示，主要包括尿素液 搅拌槽、尿素液输送泵、尿素液输送电磁阀、尿素 液储罐、尿素液泵、尿素液流量调节阀、尿素液流 量计、尿素液压力计、稀释水储罐、稀释水泵、稀释 水流量调节阀、稀释水流量计、稀释水压力计、混 合器、喷枪等。图1 SNCR脱硝系统工艺流程2 SNCR脱硝控制系统设计2.1 SNCR脱硝控制系统硬件设计本SNCR脱硝控制系统硬件设计采用模块化 设计思想，根据功能构建整个系统。其中的主控制 器采用西门子S7-1200PLC,该可编程逻辑控制器（PLC）是专门为在工业环境下应用而设计的,具有 功能模块齐全、组态灵活、抗干扰性强、可靠性高等 特点，十分适用于SNCR脱硝控制系统中。其余的 硬件设备主要为液晶触控屏、输入及输出设备（分 布式I/O），它们通过Profinet总线与PLC进行通信。输入设备包括尿素液搅拌槽液位变送器及液 位低接近开关、尿素液储罐液位变送器及液位低接 近开关、尿素液流量变送器、尿素液压力变送器、稀 释水储罐液位变送器及液位低接近开关、稀释水流 量变送器、稀释水压力变送器、烟气氮氧化物含量 检测仪等;输出设备包括尿素液搅拌机控制模块、尿素液输送泵控制模块、尿素液输送电磁阀控制模 块、尿素液泵控制模块、尿素液流量调节阀控制模 块、稀释水泵控制模块、稀释水流量调节阀控制模 块等。具体硬件设计原理图如图2所示。图2 SNCR脱硝控制系统硬件设计原理2022年第12期(总第300期)应用能源技术252.2 SNCR脱硝控制系统软件设计本SNCR脱硝控制系统软件设计主要分为 PLC程序及SCADA程序两大部分。PLC执行整 个脱硝系统的控制逻辑,SCADA则为数据采集与 监视控制系统。2.2.1 PLC程序设计PLC程序根据功能需求划分成主组织块(OB1)及定时中断组织块(OB35)。OB1中主要 执行脱硝模式选择、尿素液制备控制等实时性要 求不高的代码,OB35中主要执行脱硝自动控制的 PID实现等优先级及实时性要求高的代码。PLC 程序逻辑流程图如图3所示。图3 PLC程序逻辑流程尿素液制备控制只有手动模式,当尿素液储罐 液位低时,系统会提示操作者需要制备新的尿素液 并输送至尿素液储罐。脱硝控制包括手动及自动 两种模式。当处于手动模式时,PID不参与控制,操作者可以通过相应的SCADA界面手动调整各个 脱硝控制环节。当处于自动模式时，系统采用PID 闭环控制,PLC根据从烟气氮氧化物含量检测仪反 馈的数据，实时动态地控制尿素液流量调节阀及稀 释水流量调节阀以使氮氧化物含量维持在设定值 附近。PID控制逻辑如图4所示。图4 PID控制逻辑(1)氮氧化物含量设定值可通过SCADA界 面进行设定。(2)设定一个尿素液流量调节阀与稀释水流 量调节阀的比例参数Kscale,以同步操作尿素液 流量调节阀及稀释水流量调节阀。(3)氮氧化物含量检测仪通常安装于烟囱位 置，氮氧化物含量检测值存在一定的滞后性，因此 氮氧化物含量检测值需要先通过移动平均数模块 滤波后再参与到PID控制器输入值的计算。2.2.2 SCADA程序设计SCADA程序根据功能分为主界面、参数设定、报警信息、历史曲线等四个主要界面，以及用户管 理、脱硝手动控制、脱硝自动控制等三个弹窗界面。主界面包含SNCR脱硝系统工艺流程相关的 所有实时数据信息、尿素液制备控制、脱硝控制模 式选择、用户管理、以及报警信息显示等内容，如 图5所示。参数设定界面包含脱硝控制系统相关 的所有参数,任何参数的修改都需要登录管理者 权限才能够进行。报警信息界面包含系统当前实 时的报警信息以及历史报警信息,方便操作者进 行故障排查。历史曲线界面可以调取包括尿素液 流量、尿素液压力、稀释水流量、稀释水压力、烟气 氮氧化物含量等相关变量的历史数据曲线，以便 对脱硝系统的阶段性运行情况进行分析。26应用能源技术2022年第12期(总第300期)图5 SCADA主界面通过用户管理弹窗界面可以对系统登录用户 进行管理,按照权限从高到低依次分为管理者、操 作者、观察者三个等级。通过脱硝手动控制弹窗 界面可以对脱硝系统中的各控制环节进行手动操 作。通过脱硝自动控制弹窗界面可以对脱硝系统 的自动控制进行启停操作。3工程运用将本设计应用于福建省某化纤纺织公司的 io t水煤浆工业锅炉脱硝系统建设项目中。通过 现场调试，发现以下两组比较有代表性的运行试 验结果:(1)氮氧化物含量设定值为150 mg/m3，尿素 液流量调节阀与稀释水流量调节阀比例参数 Kscale设定为2.0,氮氧化物含量检测值移动平 均数模块的时间参数设定为0,PID参数设定为 Kp 二2.25、Ti 二 10、Td 二0。脱硝系统运行 15 min,氮氧化物含量检测值及尿素液流量的记录曲线如 图6所示。图中曲线显示出氮氧化物含量检测值 及尿素液流量波动很大，期间尿素液的平均流量 为 79.2 L/h。图6运行试验1(2)氮氧化物含量设定值为150 mg/m3,尿素 液流量调节阀与稀释水流量调节阀比例参数 Kscale设定为2.0,氮氧化物含量检测值移动平 均数模块的时间参数设定为10,PID参数设定为 Kp 二 l.l、Ti 二 10、Td 二0。脱硝系统运行 15 min,氮氧化物含量检测值及尿素液流量的记录曲线如 图7所示。图中曲线显示出氮氧化物含量检测值 及尿素液流量波动很小,氮氧化物含量检测值基 本稳定在设定值附近,期间尿素液的平均流量为 66.0 L/ho1 511 1丨g 1:|+q a丄 UrHow 66500000 5/14/20221:56:57:168 PM_图7运行试验2(3)通过对比以上两组运行试验的数据，可 以看出运行试验2中的脱硝控制更为稳定，同时 其尿素液消耗量也较少、约为运行试验1尿素液 消耗量的83.3%，通过精细化调整，可以确保脱 硝过程控制的稳定性。4结束语本设计实现了燃煤工业锅炉SNCR脱硝系统 的闭环控制,提高了脱硝效率及脱硝过程控制的 稳定性。在实际应用中需要根据现场环境合理整 定PID参数，以使脱硝系统能高效运行，同时避免 氨逃逸引发的二次污染。SCR脱硝工艺与SNCR 脱硝工艺有相似之处，因此本设计对SCR脱硝控 制系统的设计也具有很高的借鉴意义。参考文献1贾明生，陈 赛，等.液态排渣煤粉工业锅炉炉内 SNCR脱硝技术探讨J.工业锅炉,2019,3(175):24-27.2 徐天平,王永忠.燃煤工业锅炉污染物协同治理与超低 排放技术研究J.环境工程,2017,35(9)：71-73.3 雷雨，刘洋，等.SNCR/烟气再循环协同脱硝技 术研究J.洁净煤技术,2019,25(3)：110-115.4 朱国强，朱明良.氨水SNCR技术在锅炉烟气脱硝 工程中的应用J.能源与环境,2015,2：89-90.5 段传和，夏怀祥.选择性非催化还原法(SNCR)烟气 脱硝M.北京：中国电力出版社,2012：37-44.6 张念东.电厂脱硝装置智能喷氨系统解决方案J.流体测量与控制,2021,2(4)：35-41.