燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉 劉財(cái)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(yùn)行狀態(tài)畫面的組態(tài)。系統(tǒng)成功用于生成實(shí)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(hào)：TH862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）12-0185-04

0 ?引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)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(huì)造成嚴(yán)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(dá)47萬臺(tái)左右，除工業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)的少數(shù)工業(yè)鍋爐實(shí)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(huì)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(huì)導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧。氮氧化物也會(huì)直接刺激肺部，影響人體呼吸系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展情況，預(yù)測在2030年氮氧化物排放量可能會(huì)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(biāo)準(zhǔn)[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(jìn)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(qiáng)大，在環(huán)境艱苦的工廠中被廣泛使用，進(jìn)行有效的分散控制。同時(shí)，由于燃煤鍋爐煙氣脫硝過程需要具備遠(yuǎn)程控制、可視畫面同步和實(shí)時(shí)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(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的全集成自動(dòng)化軟件。全集成自動(dòng)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(dòng)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(jī)界面和驅(qū)動(dòng)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(tuán)2臺(tái)燃煤蒸汽鍋爐煙氣排放的環(huán)保升級改造項(xiàng)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(jì)燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)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(yùn)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(tuán)鍋爐的實(shí)際運(yùn)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(dāng)尿素溶解罐中的液位計(jì)檢測到溶液液位較低時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)上料電機(jī)，將尿素原料送進(jìn)尿素溶解罐中，同時(shí)啟動(dòng)攪拌器，打開稀釋水管道球閥;當(dāng)尿素溶解罐中的液位計(jì)檢測到溶液液位過高時(shí)，則關(guān)閉上料電機(jī)，并停止攪拌，啟動(dòng)轉(zhuǎn)存泵，將溶液輸送到儲(chǔ)存罐。當(dāng)尿素溶液儲(chǔ)存罐中的液位計(jì)檢測到溶液液位較低時(shí)，也將啟動(dòng)轉(zhuǎn)存泵，將尿素溶解罐中的溶液輸送到尿素溶液儲(chǔ)存罐中。啟動(dòng)運(yùn)輸泵后，鍋爐中的四個(gè)噴槍借助空壓機(jī)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(jì)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(jī)構(gòu)相距較遠(yuǎn)，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(jī)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(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝流程，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)主要包括開機(jī)時(shí)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(bào)警信息畫面，系統(tǒng)設(shè)置畫面，數(shù)據(jù)趨勢畫面等。人機(jī)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(jī)所顯示的啟動(dòng)畫面，設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)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(yùn)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(chǔ)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(yùn)行狀態(tài)畫面

煙氣脫硝系統(tǒng)投入運(yùn)行后，整個(gè)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(jī)界面上，從而使整個(gè)系統(tǒng)工藝中的設(shè)備運(yùn)行及參數(shù)得到全面的控制。這部分工作主要在設(shè)備運(yùn)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(dòng)化軟件實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐煙氣脫硝監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，組態(tài)了工藝數(shù)據(jù)監(jiān)測、用戶管理、設(shè)備運(yùn)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(tuán)鍋爐改造項(xiàng)目，其界面友好，運(yùn)行可靠，取得了良好的效果。

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