《燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用》論文發(fā)表期刊：《自動化技術(shù)與應(yīng)用》；發(fā)表周期：2021年03期

《燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用》論文作者信息：崔東鋒(1982-），男，碩士，副研究員，從事水處理和大氣污染治理方面自動化控制的研究和設(shè)計。

　　摘要：介紹了某煤礦燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化處理工藝流程，根據(jù)不同工藝段的工藝運(yùn)行要求，詳細(xì)分析了工藝過程中布袋除塵器、脫硝反應(yīng)單元、脫硫脫硝單元、濕電除塵單元等系統(tǒng)的控制策略。構(gòu)建了一套由上位機(jī)和PLC組成的控制系統(tǒng)，闡述控制系統(tǒng)的各單元PLC硬件設(shè)計和上位機(jī)、PLC、觸摸屏等軟件設(shè)計。該控制系統(tǒng)經(jīng)過一年多的應(yīng)用表明，能夠滿足預(yù)期的工藝控制要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

　　關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng);PLC;鍋爐煙氣;煙氣凈化

　　Abstract: This paper introduces the process flow of flue gas purification treatment of a coal-fired industrial boiler in a coal mine. Ac cording to the process operation requirements of different process sections, the control of the bag filter, denitration reac tion unit, desulfurization and denitration unit wet electric dust removal unit and other systems are analyzed in detail Strat egy. This article builts a set of control system composed of host computer and PLC. elaborates the PLC hardware design of each unit of the control system and software design of host computer, PLC, touch screen and so on. After more than a year of application, the control system can meet the expected process control requirements, and it is stable and reliable.

　　Key words: control system; PLC; boiler flue gas; flue gas purification

　　1引言

　　目前，我國在用工業(yè)鍋爐約62萬臺，其中燃煤工業(yè)鍋爐約47萬臺，占工業(yè)鍋爐總數(shù)的80%以上，年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4億噸，約占全國煤炭消耗總量的四分之一左右。因此，燃煤工業(yè)鍋爐在工業(yè)鍋爐中占主導(dǎo)地位的局面，短期內(nèi)不會發(fā)生改變-，煤炭在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的污染物，如SO，NOx等，是造成大氣環(huán)境污染的主要原因之一，因此，對燃燒后的鍋爐煙氣進(jìn)行凈化處理是控制其污染物排放的有效途徑"。

　　某煤礦的供熱和供暖系統(tǒng)采用三臺蒸發(fā)量為15t/h的鏈條爐排鍋爐，為了使煙氣凈化處理后能夠達(dá)到國家《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(2014)和地方政府的大氣污染物排放控制要求，采用了除塵+脫硝+脫硫的聯(lián)合處理工藝，為了保證煙氣凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，有必要根據(jù)工藝控制的要求，構(gòu)建一套適用于工藝流程的煙氣凈化控制系統(tǒng)，以滿足工藝控制的要求和自動化控制的目的。

　　2煙氣凈化工藝流程

　　某煤礦燃煤工業(yè)鍋爐出口煙氣首先進(jìn)入采用布袋除塵的除塵單元，去除煙氣中的固體顆粒物后，然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)通過煙道送入脫硝反應(yīng)單元，脫硝反應(yīng)單元利用臭氧的強(qiáng)氧化性將煙氣中的低價態(tài)NOx轉(zhuǎn)換為高價態(tài)的NOx，再將煙氣送到脫硫脫硝吸收塔，在吸收塔內(nèi)煙氣自下往上流動，先與噴淋層噴出的石灰石漿液進(jìn)行逆流接觸反應(yīng)，將煙氣中的SO2、高價態(tài)NOx、剩余的細(xì)塵等充分吸收，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的化合物，同步脫除煙氣中的SO2和NOx，最后煙氣經(jīng)過除霧器脫水除霧后進(jìn)入濕電除塵器，進(jìn)一步去除煙氣中的細(xì)小顆粒物和氣溶膠后至煙囪達(dá)標(biāo)排放。其中，吸收塔中的石灰石漿液在經(jīng)過一段時間的循環(huán)和反應(yīng)后，將失去作用，此時便會排出吸收塔底部的部分石灰石漿液去壓濾單元，并利用石灰石漿液單元補(bǔ)充新的石灰石漿液到吸收塔，以保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行和脫硫脫硝的效果。燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化處理工藝流程如圖1所示。

　　3工藝系統(tǒng)控制策略分析

　　控制系統(tǒng)是為整個燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化處理系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行服務(wù)的，因此，首先要明確工藝系統(tǒng)的控制策略，通過對煙氣凈化處理工藝過程進(jìn)行分析，工藝系統(tǒng)的主要控制策略包括：除塵單元的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、清灰和卸灰控制，脫硝反應(yīng)單元的氧氣制備、臭氧制備和投加及反應(yīng)系統(tǒng)的控制，脫硫脫硝單元的吸收塔石灰石漿液池液位、除霧器沖洗、石灰石漿液循環(huán)及排出、漿液制備和漿液補(bǔ)充的控制，濕電除塵系統(tǒng)的控制-。

　　3.1 布袋除塵器的控制策略分析每套布袋除塵器有兩個過濾室和兩個灰斗，每個過慮室設(shè)有11組布袋，每組13條，配備一套清灰裝置，每套清灰裝置上設(shè)置11個脈沖閥，利用壓縮空氣對每組的13條布袋進(jìn)行清灰，清理的灰渣落入底部的灰斗，通過卸灰機(jī)排出系統(tǒng)。因此，布袋除塵器的運(yùn)行控制主要包括運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、清灰控制和卸灰控制。

　　(1)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測主要包括進(jìn)口煙氣溫度、進(jìn)口煙氣流量、除塵器總壓差、灰斗料位、氣源壓力等。其中，進(jìn)口煙氣溫度監(jiān)測目的是防止低溫?zé)煔膺M(jìn)入產(chǎn)生凝露和高溫?zé)煔膺M(jìn)入損壞布袋，高低溫報警設(shè)定值分別為170℃和75℃

　　進(jìn)口煙氣流量監(jiān)測的目的控制進(jìn)口閥門調(diào)節(jié)煙氣流量。

　　(2)清灰控制根據(jù)工藝需要，設(shè)有四種清灰模式，分別是定時清灰、壓差清灰、單循環(huán)清灰和手動清灰。定時清灰通過設(shè)定清灰周期，當(dāng)清灰周期時間到后，自動依次開啟每組的脈沖閥，利用空氣炮中的空氣進(jìn)行清灰;壓差清灰是根據(jù)檢測到的除塵器總壓差和設(shè)定壓差進(jìn)行比較，當(dāng)檢測值大于設(shè)定值1200Pa時，自動依次開啟每組的脈沖閥進(jìn)行清灰，完成后直到下次條件滿足;單循環(huán)清灰是通過按鈕實現(xiàn)單次的每組的脈沖閥依次開啟清灰;手動清灰是通過設(shè)置在操作面板上的按鈕自由選擇對應(yīng)倉室的脈沖閥進(jìn)行清灰。

　　(3)卸料控制是通過在每個布袋除塵器的灰斗設(shè)置超高、高、低、超低料位檢測儀表，實時監(jiān)測灰斗料位情況，當(dāng)料位達(dá)到高限報警時，自動開啟灰斗底部的星型卸灰機(jī)進(jìn)行卸灰，直到灰斗料位達(dá)到低限或超低限;當(dāng)料位達(dá)到超高限報警時，應(yīng)立即對卸灰系統(tǒng)進(jìn)行檢查和排除故障。

　　3.2脫硝反應(yīng)單元的控制策略分析脫硝反應(yīng)單元主要包括氧氣制備系統(tǒng)、臭氧制備系統(tǒng)、投加及反應(yīng)系統(tǒng)三部分，其中氧氣制備系統(tǒng)用于為臭氧制備系統(tǒng)提供純度大于90%的氧氣氣源，臭氧制備系統(tǒng)用于制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度為10%臭氧氣體;投加及反應(yīng)系統(tǒng)是利用臭氧將煙氣中低價態(tài)NOx全部氧化為高價態(tài)NOx。

　　(1)氧氣制備系統(tǒng)的控制，在冷卻水壓、密封水液位、儀表氣源等開機(jī)調(diào)節(jié)具備的情況下，順序控制和調(diào)節(jié)閥門、水泵、風(fēng)機(jī)、氧壓機(jī)等的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方式，監(jiān)測運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行各類故障信號的預(yù)警，實現(xiàn)氧氣制備系統(tǒng)自動化運(yùn)行。

　　(2)臭氧制備系統(tǒng)的控制，根據(jù)設(shè)定的臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度，順序控制內(nèi)循環(huán)水泵、外循環(huán)水泵、冷卻風(fēng)機(jī)、臭氧發(fā)生器等設(shè)備，實時進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)整，對各類故障進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)臭氧制備系統(tǒng)自動化運(yùn)行。

　　(3)投加及反應(yīng)系統(tǒng)的控制，通過監(jiān)測煙氣流量和煙氣中NO的含量，實時計算臭氧的投加量，采用PID調(diào)節(jié)的方式，調(diào)節(jié)臭氧的投加量，實現(xiàn)臭氧對煙氣中低價態(tài)氮氧化物的全部氧化。

　　3.3脫硫脫硝單元的控制策略分析脫硫脫硝單元利用石灰石漿液作為吸收劑，對煙氣中的SO，和NO，進(jìn)行吸收，將其分別轉(zhuǎn)換為溶于水的化合物，達(dá)到去除的目的。該單元主要包括吸收塔漿液池液位控制、除霧器沖洗、漿液循環(huán)及排出單元、漿液制備單元、漿液補(bǔ)充單元等。

　　(1)吸收塔石灰石漿液池液位的控制，正常情況下，液位控制在2.5-3.5m之間，當(dāng)液位<2.5m時，通過除霧器沖洗系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水，直到液位>3.5m，同時，設(shè)置4.0m和2.0m分別為高限和低限報警液位，高限報警持續(xù)不解除將進(jìn)行溢流，低限報警與漿液循環(huán)泵和漿液攪拌機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖。

　　(2)吸收塔除霧器沖洗的控制，除霧器沖洗采用定時控制和差壓控制相結(jié)合的方式，當(dāng)沖洗間隔時間到或除霧器前后壓力差大于設(shè)定值時，自動進(jìn)行一個循環(huán)的除霧器沖洗。除霧器自動沖洗間隔時間為2h，前后壓力差設(shè)定值為200Pa，當(dāng)滿足沖洗條件時，每個沖洗過程為依次開啟每個沖洗閥門305。除霧器沖洗過程中，實時監(jiān)測沖洗水流量，當(dāng)沖洗水流量<20m/h發(fā)出報警。(3)石灰石漿液循環(huán)及排出單元的控制，通過監(jiān)測每個噴淋層的漿液實時流量，調(diào)節(jié)漿液循環(huán)泵的運(yùn)行頻率，保證各噴淋層的漿液流量滿足工藝要求;同時，通過監(jiān)測循環(huán)漿液的密度值"，當(dāng)漿液密度值>1150kg/m時，開啟漿液循環(huán)泵后的電動閥門，排出石灰石漿液到壓濾系統(tǒng)進(jìn)行處理，直到漿液密度<1180kg/m時為止。(4)漿液制備單元的控制，通過實時監(jiān)測制備好的石灰石漿液密度值是否達(dá)到設(shè)定值要求，自動調(diào)節(jié)石灰石漿液攪拌罐的石灰石粉與工藝水進(jìn)料比例，石灰石粉的進(jìn)料量通過控制雙級螺旋稱重給料機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，工藝水的量通過流量計監(jiān)測值調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門大小來實現(xiàn)，最終制備出滿足工藝要求的石灰石漿液。

　　(5)漿液補(bǔ)充單元主要是對吸收塔漿液池中漿液pH值進(jìn)行區(qū)間控制，通過實時監(jiān)測吸收塔漿液池中漿液pH值"，當(dāng)漿液的pH值<5.3時，開啟漿液泵，補(bǔ)充石灰石漿液到吸收塔漿液池，直到pH值>5.8為止。

　　3.4濕電除塵單元的控制策略分析濕電除塵單元的控制主要包括高壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)等。高壓系統(tǒng)采用整流變壓器或高頻電源，運(yùn)行過程中實時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，水系統(tǒng)主要是根據(jù)噴淋清洗水壓要求，采用變頻恒壓供水的方式實現(xiàn)，還包括補(bǔ)水、排水、循環(huán)水、加堿處理等環(huán)節(jié)的自動控制;熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的溫度要求，按照邏輯順序控制風(fēng)機(jī)、閥門、加熱器完成。

　　4控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　根據(jù)前面分析的燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化控制策略，構(gòu)建一套與工藝相適應(yīng)的控制系統(tǒng)，保證煙氣凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。控制系統(tǒng)采用上位機(jī)+PLC為主的控制方式，主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。

　　4.1 硬件設(shè)計

　　結(jié)合現(xiàn)場工藝設(shè)備和動力設(shè)備電控中心的布置，控制系統(tǒng)采用PLC主站+PLC遠(yuǎn)程站+PLC控制子站相結(jié)合的方式。其中，在動力設(shè)備電控中心設(shè)置PLC主站，采用西門子公司的S7-1500大中規(guī)模高性能系列PLC;在漿液循環(huán)泵房、漿液制備單元、工藝水單元、吸收塔單元均設(shè)置PLC遠(yuǎn)程站，采用西門子公司的ET200SP遠(yuǎn)程1/0分布式架構(gòu);布袋除塵器單元、氧氣制備單元、臭氧制備單元、壓濾系統(tǒng)均采用PLC子站的方式，采用西門子公司的S7-1200中小規(guī)模系列PLC，同時，各PLC遠(yuǎn)程站和PLC子站均配套觸摸屏，完成各單元的就地一體化控制。

　　在控制中心設(shè)置上位機(jī)系統(tǒng)，作為整個系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。各PLC單元之間通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)相互之間的通訊，同時與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，從而實現(xiàn)對設(shè)備的控制和工藝參數(shù)以及設(shè)備工況狀態(tài)的監(jiān)視。控制系統(tǒng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　4.2軟件設(shè)計

　　根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其軟件設(shè)計主要有三方面，即PLC程序設(shè)計、觸摸屏程序設(shè)計以及上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計。

　　(1)PLC程序設(shè)計

　　PLC程序采用西門子博途V15編程軟件進(jìn)行設(shè)計，在同一個項目中分別進(jìn)行PLC主站、PLC遠(yuǎn)程站和PLC子站的編程，采用模塊化的編程方式，按照相應(yīng)的控制策略編寫控制程序，實現(xiàn)工藝過程的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備自動控制、參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)通訊等。

　　(2)觸摸屏程序的設(shè)計

　　根據(jù)各PLC遠(yuǎn)程站和PLC子站的控制對象，分別模擬工藝流程開發(fā)相關(guān)畫面，實現(xiàn)設(shè)備的就地一體化控制。各系統(tǒng)開發(fā)的畫面包括：工藝流程畫面、工藝參數(shù)顯示畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警畫面和設(shè)備控制畫面等。

　　(3)上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計

　　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為整個控制系統(tǒng)的中心，完成整個煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、設(shè)備控制、歷史記錄、故障報警、趨勢曲線等。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王V6.6進(jìn)行軟件開發(fā)，與PLC系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，主要包括以下人機(jī)交互畫面：藝流程圖、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、故障報警、設(shè)備控制、參數(shù)設(shè)置等9。

　　5結(jié)束語

　　對燃煤工業(yè)鍋爐煙氣凈化處理工藝過程中布袋除塵器、脫硝反應(yīng)單元、脫硫脫硝單元、濕電除塵單元等系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，為了實現(xiàn)各系統(tǒng)的控制策略，構(gòu)建了一套由上位機(jī)和PLC組成的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了各單元PLC硬件設(shè)計和上位機(jī)、PLC、觸摸屏等軟件設(shè)計。該控制系統(tǒng)經(jīng)過一年多的應(yīng)用表明，能夠滿足預(yù)期的工藝控制要求，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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