小型SCR烟气脱硝微机自动控制系统研究

2016-10-18昝小舒

制造业自动化 2016年9期

关键词：微机氨气触摸屏

韦　娟，昝小舒

（1.江苏财经职业技术学院，淮安 223003；2.中国矿业大学，徐州 221008）

小型SCR烟气脱硝微机自动控制系统研究

韦娟1，昝小舒2

（1.江苏财经职业技术学院，淮安 223003；2.中国矿业大学，徐州 221008）

随着环境问题的日益严重，国家对各种锅炉的排放要求越来越高。针对小型燃煤锅炉，提出一种SCR烟气脱硝微机自动控制系统的设计方案和具体的实验平台。首先对SCR烟气脱硝微机自动控制系统的硬件系统进行了设计，其中具体有系统的上位机触摸屏监控系统的设计、下层单片机控制模块的设计、Modbus通信方式的设计以及整个实验平台的设计；其次，对SCR烟气脱硝微机自动控制系统的软件系统进行了设计，主要包括系统的主流程、通信系统子程序、喷氨控制子程序等设计；最后采用仿真的方式，对系统提出的控制方案进行了脱硝仿真实验，实验结果验证了提出方案的可行性。提出的控制系统的软硬件设计方法可以有效的完成NOx排放浓度的控制，减少氨气的使用量，降低脱硝运行成本，具有较好的实际研究意义与推广应用价值。

SCR；自动控制系统；触摸屏监控；Modbus

0　引言

近年来，随着雾霾越发频繁，人们对环境污染问题越来越重视，国家也颁布了多项法令政策来严格控制有害污染物的排放［1］。NOX是大气中的主要污染物之一，超过大半的NOX都是人为排放的，尤其是各类化石燃料的燃烧引起的。火电厂是燃煤大户，随着经济的发展，各行各业对电力的要求越来越高，火电厂的排放也越来越多。因此，国家首先对大型火电厂的NOX排放提出排放要求，大型火电厂对NOX的控制越来越重视，通过各种途径来减少NOX的排放［2，3］。目前的得到应用的脱硝技术主要有二种：一是采用低NOX燃烧技术，降低炉内的NOX生成量；二是在烟道尾部加装脱硝装置，把排放中的NOX转变为无害的氮气或有机肥料。前者对降低NOX功能有限，一般只能降低20%左右，且会影响锅炉的热效率，使得不完全燃烧热损失增加。目前大部分火电厂中主要采取的脱硝技术是选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）方法。SCR技术主要通过在烟气尾部加装脱硝装置，利用还原剂NH3与NOX反应生成无害的N2和H2O，其脱硝效率可以达到百分之八十以上，其改造成本低和脱硝成效好，对于目前的各类火电厂都适应［4，5］。目前，普遍应用的SCR技术仍存在着以下一些不足：首先，目前的SCR脱硝控制主要都是针对大型火电企业的改造技术，其规模大、成本高、整套系统复杂程度高［6］，基本可以与火电厂DCS相互连接，而对于目前数量仍然不少的中小型火电或者各种功能的燃煤锅炉来说，并没有十分合适的脱硝控制设备，随着国家对排放的要求越来越严格，这些小型锅炉的排放如果不达标，在不久的将来必定会被淘汰，因此小型锅炉的高性价比的脱硝控制是十分必要的；其次，目前大型火电厂的脱硝技术不一定适合小型锅炉的脱硝控制，大型锅炉主要通过DCS的数据采集、处理和控制，其过程复杂、技术难度高，而对于小型锅炉来说，小型化、低成本、高成效的脱硝控制技术是其必然的选择。

本文从实际应用出发，针对目前数量众多的没有完善脱硝手段的小型燃煤锅炉，参考大型锅炉的SCR脱硝技术，采用高性价比的微处理器和触摸屏对小型SCR烟气脱硝计算机自动控制系统进行了研究。

1　SCR脱硝原理

SCR脱硝技术的原理是采用适当的催化剂，在一定温度下，利用NH3将烟气中NOX还原成N2和H2O，具体的反应公式如式（1）和式（2）所示［5，7］。

SCR脱硝系统的具体流程如图1所示，整个系统由液氨存储罐、液氨气化器、液氨调节阀、风机、氨气混合器、氨气调节阀、喷氨器、SCR反应器、催化剂等部分组成。液氨存储罐里面的液氨经过液氨气化器变成纯氨气，然后通过调节阀调节其流出的流量大小；纯氨气在氨气混合器里面和空气充分混合形成一定浓度的氨气，通过氨气调节阀调节其流出的浓度，并送入SCR反应器里面的喷氨器，然后将氨气喷出；锅炉燃烧产生的烟气通过省煤器然后进入到SCR反应器的入口，烟气在SCR和氨气混合流经催化剂的时候产生化学反应，并生成了无害的N2和H2O，最后烟气通过出口排出。从过程原理图可以知道，SCR脱硝技术的关键是控制烟气与氨气混合气体的比例，随着烟气流量的变化，必须控制氨气相应的变化，使得氨气和烟气反应始终保持一致，这就对SCR脱硝控制系统的控制方法和控制精度提出了较高的要求。如果氨气的流量不够，烟气中的NOX去除就不完全，脱硝效果达不到；如果氨气的浓度过大，虽然烟气中的NOX可以完全反应掉，但是在出口烟气中会残留氨气导致二次污染，同时过量的氨气会同烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨和硫酸氨，会堵塞催化剂的表面，降低催化剂活性。

图1　SCR脱硝的过程原理图

2　系统硬件设计

本文设计的SCR脱硝微机自动控制系统主要为中小型锅炉而设计，而中小型锅炉目前一般都没脱硝装置，一个很大的原因就是因为目前的脱硝系统主要为大型火电厂而设计，一般都采用DCS系统，其结构复杂、价格昂贵［6］。本文从实际小型锅炉出发，采用低成本、高性价比的监控系统，意在开发出一套行之有效的小型SCR脱硝微机自动控制系统。

因此，经过综合比较了PLC、DCS等多种控制系统之后，决定采用高性能的STC15系列单片机作为底层控制模块的处理器；同时相对于价格较为昂贵的工控机，本系统采用目前较为流行的工控触摸屏作为上位机处理系统。SCR控制系统原理框图如图2所示，上位机采用触摸屏系统，通过485通信模块与底层的微机控制模块相联系，根据系统的复杂程度，可以增加或者减少底层微机控制模块的数量。上位机触摸屏系统负责完成整个监控系统的状态显示，与下位机微机控制模块进行通信，对锅炉各个位置的状态参数进行实时监控，完成数据的动态波形显示、各个参数的高低限值设定与报警功能、各个阀门的自动调节与控制等功能；微机控制模块主要接受上层触摸屏发来的各种命令，并完成各种数据的采集与分析、控制各种阀门的状态、在故障或者超限情况下进行报警等功能。

图2　SCR脱硝控制系统框图

2.1触摸屏系统设计

本文中上位机触摸屏系统采用的是威纶通公司的TK6070IP型号的7寸触摸屏。该触摸屏采用分辨率达到800×480的TFT LCD、4线模拟电阻式触控面板、Flash为128M、内存64M、处理器为32Bit RISC CPU 400MHz、具有232和485通信接口、功能强能耗低，通过专门的EB8000软件可以完成各种工控监控系统的开发。通过EB8000软件开发的小型脱硝计算机自动监控主界面如图3所示。其中包括了整个SCR控制系统的结构示意图，各个部分参数的显示，各个阀门开度的显示等功能。

图3　小型脱硝自动控制系统监控主界面

图4所示为氨气调节单独控制界面，SCR运行的时候既可以自动根据烟气的流量和浓度对液氨以及氨气的浓度和流量进行调节，也可以手动对液氨以及氨气的浓度和流量进行调节。本设计中可以对液氨流量、氨气流量和空气流量分别进行调节阀的控制，以获取适合SCR反应的氨气流量和浓度。

图4　氨气流量调节阀控制界面

图5为SCR系统中各个运行参数的实时显示界面，从下层控制模块传来的各个流量、温度、压力等系统运行参数可以在图5中的显示模块中显示。该显示模块可以调节时间轴，可以记录不同时间轴的参数变化情况，方便运行监控人员对主要运行参数的实时监控以及历史数据的回看。

图5　各运行参数状态显示界面

图6为系统控制的输入输出IO口的监控与测试界面，底层控制模块除了各个传感器的AD输入数据采集和DA输出控制之外，还可以进行开关量的输入输出控制，其中界面左侧是输入IO接口，对于各个开关量进行输入状态的显示，右侧是输出开关量的实时显示和测试界面，可以手动进行测试。

图6　输入输出IO口监控测试界面

2.2底层微机控制模块设计

底层微机控制模块是整个SCR监控系统的控制基础，触摸屏显示的各个参数的状态和发出的各个指令都需要底层微机控制模块的准确响应。本系统中从高性价比出发，采用STC15系统单片机作为底层控制模块的处理器。其中STC15系列单片机是宏晶科技公司出品的一款1T时钟的8051单片机，其运行速度快、具有大容量的存储空间和SRAM空间，具有8路10位高速AD接口和三路PWM输出接口，6个定时器、看门狗等扩展功能，其性能强大价格低廉，十分适合作为SCR控制系统的底层控制模块的核心处理器。底层微机控制模块具体的原理结构如图7所示，单片机的AD接口可以处理SCR现场各种传感器的信号，如：流量信号、压力信号、温度信号等；单片机的PWM接口可以输出线性可调的0～5V的输出电压，通过转换可以变成0～10V的标准输出电压信号，可以对线性调节阀进行控制；单片机的普通IO口通过光电转换可以控制输入输出继电器，对各种外设的开关信号进行检测和对各种开关阀门进行控制。单片机的串口采用485模块可以与上层触摸屏控制系进行互联。

图7　底层微机控制模块原理图

图8为底层控制模块的实物图，其左边是输入接口包括AD输入和IO开关量输入，右边是输出接口包括DA输出和IO开关量输出，下面是通信接口，普通的IO接口都设计有LED显示，方便使用者观察。

图8　底层微机控制模块实物图

2.3Modbus通信接口设计

Modbus协议是一种目前被大部分数据采集与监控系统支持的通信协议，是一种通用工业标准［8，9］。Modbus通信协议一般只有一个主设备，其余的为从设备。主设备发起通信，从设备进行应答，不同的从设备都有相应的地址，以方便区分。Modbus的主从通信过程如图9所示。首先主设备发起通信，输出需要查询的从设备的地址，然后输出功能代码确定需要执行的命令，然后输出想要的命令数据，最后进行数据的校验以保证通信的正确性；从机同样查询命令如果主机查询的是本从机则进行应答，输出设备地址，输出功能代码以及数据，最后进行验证，主机收到从机的数据本次通信结束。

图9　Modbus通信主从查询应答方式

标准的Modbus通信协议一般有两种数据传输模式：ASCII（美国标准信息交换代码）模式和RTU（远程终端单元）模式。本文采用的RTU（远程终端单元）模式，具体的数据格式如表1所示。

表1　RTU 方式的数据格式

2.4系统实验平台

图11为具体的小型SCR控制系统实验平台，其中，包括了上位机触摸屏控制系统、一块底层模块控制器、线性可调阀门、电动开关阀门、模拟信号输入等设备。

图11　小型SCR喷氨控制系统

3　系统软件设计

设计完系统的硬件结构以后，系统需要相应的软件支撑，具体的软件流程如图10所示。主控触摸屏开机以后首先进行系统的自我检查与参数的初始化流程，确认无误后等待命令。当系统启动命令到来之后，首先对系统运行参数进行初始化，获取整个系统运行的具体各个参数初始值，然后调研右侧的主从机通信子程序；然后向从机发送查询命令，获得各个从机的运行状态和监测数据；主机综合各个从机的数据之后，进行SCR具体的控制参数计算，并将这些计算结果进行数据更新与从机的控制，如果数据出现报警或者超限，得运行报警处理程序，否则将继续进行从机的数据查询循环程序。

图10　系统软件流程图与从机查询子程序

图12　喷氨控制子程序

喷氨控制子程序如图12所示，首先进行计算参数的

【】【】初始化，然后获取实际设定的目标NOX，并将根据目标NOX浓度数据传到下层控制模块中，通过一段时间的等待，再次获取下层控制模块测量的NOX浓度，判断各个底层模块是否达到控制要求，如果没有达到控制要求，将重新调整底层控制模块的相应的喷氨头的开度，直到整个实际的NOX浓度浓度在目标NOX浓度范围之内。一旦整个SCR脱硝系统受到锅炉燃料的影响出现偏差，得SCR控制器将及时调整喷氨系统以满足控制要求。

4　系统仿真实验

为验证本文设计的控制方法的性能，以喷氨脱硝系统为对象进行了阶跃响应仿真实验，如图13所示，入口烟气NOX浓度发生了12%的突变，SCR控制系统产生控制效果，可以看出来出口烟气的NOX浓度出现5%左右的跳板，然后经过了3S时间的调节，将出口烟气的NOX浓度控制在3%以下。因此，本系统设计的控制方法可以在较短的时间内，对入口烟气的NOX浓度进行有效的控制。

图13　小型SCR控制系统控制仿真结果

5　结论

本文根据小型燃煤锅炉的运行特性与排放要求，提出了一种微机自动控制系统的设计方案。首先，对SCR脱硝微机系统进行了软硬件方面的设计，采用触摸屏设计了上位机监控软件、采用高性能单片机设计了下层控制模块、采用Modbus通信协议设计了主从通信方式，并完成了实验平台的搭建与测试。最好采用软件仿真的方式，对提出的控制方案就行了仿真实验，结果表明了提出方案的可行性和正确性。本文提出的小型锅炉脱硝微机自动控制系统可以有效的完成NOX排放浓度的控制，减少氨气的使用量，降低脱硝运行成本，具有较好的实际研究意义与推广应用价值。

［1］黄少中，左源，赵立志.关于脱硝电价政策的研究和建议［R］.北京:国家电力监管委员会，2012.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准［S］.北京:中国环境科学出版社，2012.

［3］环境保护部.HJ562-2010火电厂烟气脱硝工程技术规范（选择性催化还原法）［S］.北京:中国环境科学出版社，2010.

［4］王斌.SCR脱硝技术及其在燃煤电厂中的应用［J］.电力科学与工程，2003，（3）:61-63.

［5］贾双燕，路涛，李晓芸，宁献武.选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究［J］.电力环境保护，2004，20（3）:9-21.

［6］赵国庆，何畅.大型燃煤电站脱硝过程自动控制的特点和实践［J］.浙江电力，2007，26（3）:34-36.

［7］廖永进，徐程宏，余岳溪，湛志钢，温智勇，廖宏楷.火电厂SCR烟气脱硝装置的运行优化研究［J］.锅炉技术，2008，39（5）:60-63.

［8］尤慧芳.用MODBUS实现触摸屏与单片机的通信［J］.工业控制计算机，2008，21（12）:63-64.

［9］彭庆海，胡小强.Modbus协议及其在MCU与PLC通信中的应用［J］.机电工程，2010，27（4）:52-54.

An small SCR flue gas denitration automatic control system study based on the microcomputer

WEI Juan1，ZAN Xiao-shu2

TM352