基于PLC的燃煤锅炉脱硝控制系统
2014-08-03单学军
单学军
(上海恒逸聚酯纤维有限公司，上海201424)
燃煤锅炉要达到环保部门要求的烟气排放标准，防止煤燃烧后产生过多的NOx污染环境，必须对煤进行脱硝处理，处理过程一般分为燃烧前脱硝、燃烧过程脱硝和燃烧后脱硝。燃烧后脱硝工艺大致分为干法、半干法和湿法3类，其中干法包括选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)、选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)和电子束联合脱硫脱硝法。半干法有活性炭联合脱硫脱硝法及湿法有臭氧氧化吸收法等。经过充分论证，同时结合上海恒逸聚酯纤维有限公司的实际情况，最后选用SNCR法实现燃烧锅炉的脱硝工艺。
1 SNCR脱硝原理①
选择性非催化还原(SNCR)脱除NOx技术是把含有NHx基的还原剂(氨水)喷入炉膛温度为850～1 100℃的区域，与NOx发生还原反应生成N2和水。还原NOx的主要方程式为：
SNCR还原NOx的反应对于温度条件非常敏感，炉膛上喷入点的选择，也即温度窗口的选择是SNCR还原NOx效率的关键。一般认为，理想的温度范围为850～1 100℃，但会随锅炉类型有所不同。
2 SNCR脱硝工艺流程
SNCR系统由氨水储存与供应，稀释水储存与供应，混合控制，喷射组件及氨水计量等部分组成。氨水和稀释水根据锅炉运行与NOx排放情况，通过混合控制系统配制成所需浓度，再由喷射组件将雾化的混合液喷到燃煤锅炉的特定区域达到降低NOx的目的。
2.1 氨水储存与供应
系统设置有一台氨水槽车卸料泵，将槽车里的氨水加注到氨水储罐中，现场进行启/停操作；两台氨水输送控制泵(一用一备)在现场或中控室进行启/停控制，中控显示氨水输送泵的运行状态。氨水储罐液位、温度和压力信号送至中控室进行指示与报警。
2.2 稀释水储存与供应
系统设置有两台稀释水控制泵(一用一备)在现场或中控室实现启/停控制，并在中控室显示运行状态。储罐液位采用两位控制，以选择手动/自动方式。
2.3 混合控制系统
每台燃煤锅炉有一个独立的混合控制系统，由氨水流量控制、稀释水流量控制、NOx含量显示及联锁控制等组成。5台燃煤锅炉共计5套混合控制系统。
2.4 喷射组件
根据锅炉现状，每台锅炉配置了8支喷枪。喷枪安装在炉膛温度为800～1 100℃的适当位置。采用脱硝系统专用的气力雾化喷射器，它包括喷枪本体、喷嘴座、雾化头和喷嘴罩4部分。喷枪本体上的氨水溶液进口和雾化气体进口为螺纹连接，通过两根金属软管分别与氨水溶液管路和压缩空气管路连接。
2.5 氨水计量
由PLC程序完成氨水流量计的累积功能，包括累积清零、启/停及累积的起始值设定等功能。
2.6 人机界面
运用WinCC设计实现组态操作站的人机界面，完成泵的启/停设置、控制控制回路的控制参数设定、控制方式的手动/自动切换、报警参数设置、报警的响应与处理、历史数据的趋势显示与存储以及联锁的投运与旁路等功能。
3 模块程序设计要点
PLC程序设计对开关量的处理比较简单，如各输送泵的启/停操作、泵运行状态的显示和报警、稀释水储罐的两位液位控制等内容略去，重点介绍模拟量的输入与转换、PID控制回路和氨水流量累积程序。
3.1 模拟量的输入与转换
模拟量通过PLC的AI卡接入系统，通过周期扫描和程序处理模块，将其转换为仪表量程显示的数值或按百分比显示的数值，这是PLC程序完成模拟量显示和控制的基础。模拟量的输入处理与报警设定程序如图1所示，FB1是功能模块，每个模拟量都要调用这个模块的程序进行模拟量的转换与处理，处理多少个模拟量就调用多少次。笔者设计的脱硝系统共有13个模拟量输入，其中10个是PID控制输入、3个是显示输入。调用的每个模拟量都要建立相应的背景数据DB块，保存有关点的数据供PLC程序和WinCC使用。
图1 模拟量的输入转换和报警程序及其代码
3.2 PID控制回路
PID控制回路除上述模拟信号的输入与处理外，还需要增加控制方式无扰动切换、工程单位数值转百分比数值、死区设置、PID参数设置、PID控制输出及工艺联锁等。其中PID控制模块是PLC系统自带的功能块，具体功能介绍与使用方法请参考西门子PLC技术资料。
其他程序段比较简单，程序段名称就是功能块的作用。在此仅介绍一个控制回路，其他控制回路的结构类似，不同之处在于它们需要建立各自独立的DB数据块，需要定义不同的中间变量来完成各自回路的手动/自动切换等功能。如图2所示的控制程序和程序代码，需要与图1给出的程序段配合，共同完成PID回路的控制任务。
图2 几个功能实现的程序
转换模块FC10源程序如下：
SET
A #BIPOARP
JC M01
L 0.0
T #TEMP3
JU M02
M01:L #IN_MIN
T #TEMP3
M02:NOP 0
L #IN_MAX
T #TEMP4
L #PV
T #TEMP2
L #OUT_MAX
L #OUT_MIN
-R
T #TEMP5
L #TEMP2
L #TEMP3
>=R
JC M03
L 8
T #RET_VAL
L #OUT_MIN
T #OUT6
JU M004
M03:POP
L #TEMP4
<=R
JC M05
L 8
T #RET_VAL
L #OUT_MAX
T #OUT6
JU M04
M05:NOP 0
NOP 0
L #TEMP4
L #TEMP3
-R
T #TEMP6
L #TEMP2
L #TEMP3
-R
L #TEMP6
/R
L #TEMP5
*R
L #OUT_MIN
+R
T #OUT6
L 0
T #RET_VAL
SET
JU M06
M04:CLR
M06:SAVE
3.3 氨水流量累积程序
5台锅炉的氨水控制分别由5台电磁流量计进行调节，程序需要将5台电磁流量计分别累积，然后将其总和显示在操作站的流程图画面上。实现氨水流量控制的累积功能块和源程序如图3所示。程序中，如果设定采样周期为100ms，需要通过PLC中断周期为100ms的组织块OB35来调用累积处理模块，唯有如此才能保证准确计量。
图3 累积功能块和源程序
4 WinCC组态
WinCC组态主要是建立变量，在流程图画面上显示的过程变量、操作的各种按钮、PID参数设定、报警值设置、报警信息显示及联锁投运与旁路等都需要定义变量，最后是流程图的绘制等组态
工作。
本项目需要组态的主要画面有：主流程(图4)、报警设定、量程设定、PID参数设定、报警信息及用户登录等。详细的画面组态请参考西门子公司的相关资料。
图4 脱硝系统总流程界面
脱硝系统总流程图显示的状态表明，3号燃煤锅炉处于使用状态，脱硝系统正常工作。其他4台燃煤锅炉处于停机状态，脱硝系统联锁动作，控制阀处于关闭状态，防止氨水及稀释水等的浪费。流程图画面控制回路选择“常规”时，氨水控制回路与稀释水控制回路独立控制；选择“程序”时，氨水与稀释水的喷射总流量为设置的恒定值。
5 结束语
笔者利用PLC系统实现脱硝系统比较复杂的回路控制功能，与WinCC组态软件完美组合后，实现了相关信息的组态和显示。系统投运后，经过一年多的实际应用，证实笔者设计的脱硝自控系统工作稳定可靠，为企业的节能减排工作全面达标发挥了很大作用。
