張炳偉

（天津天保熱電有限公司，天津 300308）

我國是世界上幾個一次能源以煤為主的國家之一[1]，每年煤消費量約40億噸，其中80%通過燃燒被利用。煤炭的大量消耗，排放出的SO2、氮氧化物等對大氣污染十分嚴(yán)重。2015年12月國務(wù)院發(fā)布《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工程工作方案》，方案要求具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放（即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2、氮氧化物排放濃度分別不高于 10、35、50mg/m3）。

在國家煤炭節(jié)能減排的政策推動下，熱電企業(yè)不斷更新鍋爐設(shè)備及工藝。循環(huán)流化床鍋爐是一個分布參數(shù)、非線性、實變、多變量耦合緊密的控制對象，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[2]。隨著鍋爐與其連接的設(shè)備的不斷更新，同時對添加和更新節(jié)能降耗裝置其控制的算法和控制系統(tǒng)提出更高的要求。DCS綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，能夠很好地應(yīng)用于模擬量回路控制較多的工藝中[3]。針對循環(huán)流化床鍋爐特性，設(shè)計穩(wěn)定、有效的節(jié)能減排自動控制系統(tǒng)，降低耗煤量，控制SO2、氮氧化物等大氣污染物排放濃度，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 流化床鍋爐脫硝脫硫工藝設(shè)計

1.1 SNCR+SCR脫硝工藝

煤的燃燒產(chǎn)生大量的NOX，為了充分脫硝，采用選擇性非催化還原法SNCR和選擇性催化還原法SCR相結(jié)合技術(shù)進(jìn)行脫硝。SNCR技術(shù)用于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)脫硝，而SCR技術(shù)用于鍋爐出口處的煙氣脫硝。

1.1.1 SNCR脫硝工藝

SNCR脫硝是把含有NHX基的還原劑噴入爐膛溫度為800℃～1100℃的區(qū)域，不使用催化劑，該還原劑迅速受熱分解成NH3及副產(chǎn)物[4]。選用氨水作為還原劑，將高濃度氨水與稀釋水在噴嘴處融合稀釋后，經(jīng)布置在鍋爐四周的霧化噴嘴噴入爐膛。該還原劑迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOX反應(yīng)生成N2和水。原理如圖1中所示。

圖1 SNCR脫硝流程Fig.1 Flow chart of SNCR denitration process

SNCR還原NO的反應(yīng)對于溫度條件敏感，理想的溫度范圍為850℃～1100℃。當(dāng)反應(yīng)溫度過低時，由于停留時間的限制，容易引起化學(xué)反應(yīng)程度較低反應(yīng)不夠徹底，從而造成NO的還原率較低，同時未參與反應(yīng)的NH3增加也會造成氨氣泄漏。而當(dāng)反應(yīng)溫度高于溫度窗口時，NH3的氧化反應(yīng)開始起主導(dǎo)作用：4NH3+5O2→4NO+6H2O，從而 NH3的作用為氧化并生成NO，而不是還原NO為N2。為了充分脫硝，在鍋爐出口處對煙氣加入SCR脫硝處理。

1.1.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝裝置在鍋爐出口處，是爐外脫硝，如圖2所示。SCR脫硝技術(shù)原理與SNCR原理一樣，不同之處在于反應(yīng)條件和效率。SCR脫硝工藝，在溫度280℃～420℃和催化劑作用下，通過向煙氣中噴入氨水實現(xiàn)脫硝的目的[5]，應(yīng)用該工藝脫硝率最高可達(dá)90%。

圖2 SCR脫硝流程Fig.2 Flow chart of SCR denitration process

1.2 氧化鎂濕法脫硫工藝

脫硫工藝系統(tǒng)主要包括脫硫劑制備系統(tǒng)、脫硫吸收系統(tǒng)、空氣氧化系統(tǒng)、漿液循環(huán)系統(tǒng)、漿液排出系統(tǒng)。圖3為氧化鎂濕法脫硫的工藝流程。

圖3 濕法脫硫流程Fig.3 Flow chart of desulfuration by wet processes

1.2.1 脫硫劑制備

該工藝以輕燒MgO粉為脫硫劑，MgO經(jīng)螺旋給料機送至熟化罐，用溫水消化處理。再由脫硫劑輸送泵打入脫硫劑漿液罐，產(chǎn)生Mg（OH）2乳濁液經(jīng)脫硫劑供給泵送入脫硫吸收塔。

1.2.2 脫硫吸收

脫硫塔是煙氣脫硫工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[6]。由于進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣仍含有少量粉塵，脫硫劑也含有硅、鈣鹽等雜質(zhì)。為避免長期運行可能出現(xiàn)的結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，采用4級噴淋塔工藝，煙氣進(jìn)入吸收塔，自下而上流動，脫硫劑自上而下噴射。設(shè)計的噴嘴組能夠保證反應(yīng)中的劇烈氣液逆流接觸，充分傳質(zhì)、傳熱，確保脫硫效率。吸收了硫分的吸收液落入吸收塔底，吸收塔底部主要為氧化、循環(huán)過程。

1.2.3 空氣氧化

由曝氣鼓風(fēng)機向塔底漿液內(nèi)強制提供大量壓縮空氣，使得造成化學(xué)需氧量的MgSO3氧化成MgSO4。

1.2.4 漿液循環(huán)

塔內(nèi)經(jīng)充分氣液接觸、傳質(zhì)反應(yīng)的脫硫漿液中含 MgSO3、MgSO4及未反應(yīng)完全的 Mg（OH）2等物質(zhì)。這些未完全反應(yīng)的脫硫劑漿液經(jīng)循環(huán)泵再次循環(huán)噴淋，與煙氣多次反應(yīng)，使整個反應(yīng)的當(dāng)量比接近于1。如增加噴淋量，可以進(jìn)一步提高脫硫效率。經(jīng)多次循環(huán)的脫硫漿液，pH值下降，MgSO3、MgSO4含量逐漸增加，脫硫能力逐漸降低。塔底吸收液pH由自動噴注的氫氧化鎂漿液調(diào)整，而且與酸堿計連鎖控制。當(dāng)塔底漿液pH低于設(shè)定值時，脫硫劑漿液閥將打開，氫氧化鎂漿液通過輸送泵自動補充到吸收塔底，在塔底攪拌器的作用下使?jié){液混合均勻，至pH達(dá)到設(shè)定值時停止補充氫氧化鎂漿液。而脫硫能力逐漸降低的混合漿液將在其濃度達(dá)到設(shè)定數(shù)值后外排。

1.2.5 漿液循環(huán)漿液排出

從脫硫塔內(nèi)排出的失去脫硫能力的漿液中，脫硫副產(chǎn)物為含有 MgSO3、少量 MgSO4及其它雜質(zhì)（主要來源于煙氣中的煙塵及氧化鎂脫硫劑中的雜質(zhì)）的物料體系。脫硫后的漿液經(jīng)沉淀壓縮后，固體排出進(jìn)行再回收利用，液體進(jìn)入脫硫塔底部與底部漿液攪拌，循環(huán)利用。

2 自控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

本文中設(shè)計的DCS系統(tǒng)采用自主研發(fā)的控制機柜，自行開發(fā)系統(tǒng)組態(tài)軟件包作為人機界面應(yīng)用軟件，實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時采集顯示、實時采集數(shù)據(jù)，顯示鍋爐工藝畫面，操作指導(dǎo)、集中操作、歷史數(shù)據(jù)記錄、定時報表打印、控制回路組態(tài)和參數(shù)修改、故障報告和處理、超限語音報警等功能。應(yīng)用自行開發(fā)的脫硝、脫硫優(yōu)化控制軟件包，通過系統(tǒng)人機界面組態(tài)畫面，可以實時監(jiān)視、控制脫硝、脫硫工藝流程的參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。本系統(tǒng)采用上層的軟硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)整個監(jiān)控過程的自動化。

2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

DCS控制系統(tǒng)一般由4個基本部分組成，即過程控制機柜、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、操作員站和工程師站[7]，圖4為循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能減排自控系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of DCS system

2.2.1 過程控制機柜

過程控制柜的機柜內(nèi)部應(yīng)裝有多層機架，以供安裝電源及各種模件之用。其外殼采用金屬材料，活動部分有良好的電氣連接，能夠為內(nèi)部電子設(shè)備提供完善的電磁屏障?？刂茩C柜內(nèi)有電源模塊、分散處理單元（DPU）、通訊模塊、I/O模塊、繼電器，端子等。電源模塊、分散處理單元（DPU）、通訊模塊應(yīng)是冗余的，以備一路處理器發(fā)生故障，系統(tǒng)能自動切換到另一路處理器，保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

2.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

通訊網(wǎng)絡(luò)使用與以太網(wǎng)兼容的工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)基于以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，能夠解決現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)多、傳輸速率低、支持應(yīng)用有限以及互聯(lián)網(wǎng)集成等諸多問題?？梢赃B接自動化系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、外部互聯(lián)網(wǎng)及因特網(wǎng)，實現(xiàn)管理PC與現(xiàn)場設(shè)備控制DCS/PLC間的數(shù)據(jù)共享。

2.2.3 操作員站

操作員站的主要功能是匯集和顯示運行信息，輔助運行人員根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對機組運行情況進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2.2.4 工程師站

工程師站采用工業(yè)計算機，用于程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷、控制系統(tǒng)組態(tài)和數(shù)據(jù)庫以及畫面的編輯及修改。使用工程師站可任意調(diào)出已生成的系統(tǒng)顯示畫面和趨勢圖等，并能夠通過通訊總線加載到操作員站。

2.3 系統(tǒng)組態(tài)

組態(tài)是DCS里一個重要的概念，組態(tài)技術(shù)是DCS實施中的重要環(huán)節(jié)。組態(tài)就是將各類書面文件（圖形、報表等）轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀挥嬎銠C接收并執(zhí)行的軟件過程[8]。組態(tài)過程需要系統(tǒng)內(nèi)各種應(yīng)用軟件包的支持，主要涉及數(shù)據(jù)庫建立、圖形建造、報表制作和服務(wù)器、控制器算法編程等內(nèi)容，把功能塊連接起來形成控制方案，然后編譯下載程序至工程師站、操作員站來執(zhí)行控制。

系統(tǒng)組態(tài)主要邏輯：

新建工程在正式進(jìn)行應(yīng)用工程的組態(tài)之前，針對該應(yīng)用工程建立一個工程名，新建工程后便新建起了該工程的數(shù)據(jù)目錄。

硬件組態(tài)在新建的工程中，搭建與實際工程中相同的模塊型號，并進(jìn)行硬件屬性的配置。

數(shù)據(jù)庫建立定義和編輯工程中應(yīng)用到的各站的點信息；數(shù)據(jù)庫基本編譯：在設(shè)備組態(tài)編譯成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的基本編譯。

服務(wù)器邏輯算法組態(tài)根據(jù)控制系統(tǒng)功能，分別對泵和閥門的設(shè)備、采集模擬數(shù)據(jù)，PID控制算法、連鎖保護(hù)算法等多種功能進(jìn)行編程，形成許多功能塊，供主程序調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

控制器算法工程生成在服務(wù)器邏輯算法組態(tài)和數(shù)據(jù)庫基本編譯成功之后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫聯(lián)編，生成控制器算法工程。

服務(wù)器與人機界面軟件組態(tài)服務(wù)器與上位機人機界面軟件進(jìn)行搭建，使其連通，把服務(wù)器上的點的數(shù)據(jù)庫傳遞到上位機軟件上。

繪制圖形（圖形組態(tài)）運用人機界面軟件繪制工藝流程圖并綁定數(shù)據(jù)點。

制作報表制作反映現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)的報表。

完善其他功能設(shè)置報警畫面，儲存歷史數(shù)據(jù)等。

2.4 軟件系統(tǒng)

DCS控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 DCS軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of DCS soft system

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集所需要的數(shù)據(jù)并存儲到實時數(shù)據(jù)庫中。

實時數(shù)據(jù)庫存儲和傳輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫包括物料流模擬模型庫和能流模擬模型庫，用于存儲和傳輸優(yōu)化所需數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果。

能流優(yōu)化模型庫存儲生產(chǎn)過程中的能流優(yōu)化結(jié)果。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 組態(tài)與畫面的實現(xiàn)

針對循環(huán)流化床的系統(tǒng)控制，利用自行開發(fā)的硬件和軟件，以DCS為控制平臺，實現(xiàn)了鍋爐DCS控制系統(tǒng)及相關(guān)的控制回路和操作畫面?？刂葡到y(tǒng)連續(xù)采集和處理所有與鍋爐有關(guān)的重要測點信號及設(shè)備狀態(tài)信號，功能包括操作顯示、報警顯示、歷史記錄、事故記錄等。

循環(huán)流化床鍋爐控制系統(tǒng)主要包括鍋爐燃燒系統(tǒng)、鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐點火控制系統(tǒng)、鍋爐冷渣水系統(tǒng)、減溫減壓控制系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、MFT控制邏輯等。系統(tǒng)主要流程畫面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主要界面Fig.6 Interfaces of the system

3.2 脫硝、脫硫優(yōu)化控制

3.2.1 脫硝優(yōu)化控制

通過開發(fā)脫硝控制系統(tǒng)及組態(tài)畫面，實時監(jiān)視NOX的排放濃度，并通過脫硝工藝參數(shù)設(shè)置控制現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥、泵、噴嘴等，操作便捷。系統(tǒng)畫面顯示NOX排放濃度，氧氣濃度、SO2的濃度、泵的PID控制畫面和調(diào)節(jié)狀態(tài)畫面等。系統(tǒng)參數(shù)包括氨水母管的壓力、壓縮空氣的壓力，稀釋水的液位，氨水儲罐的壓力、溫度和流量等參數(shù)。系統(tǒng)畫面如圖7所示。

圖7 脫硝控制系統(tǒng)畫面Fig.7 Interfaces of denitration system

3.2.2 脫硫優(yōu)化控制

通過開發(fā)脫硫控制系統(tǒng)及組態(tài)畫面，實時監(jiān)視SO2的排放濃度，通過控制脫硫工藝參數(shù)設(shè)置控制現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥、泵等。當(dāng)鍋爐排煙中SO2超標(biāo)，系統(tǒng)自動報警，操作員可立即采取控制措施，排除故障，有效控制SO2的排放量。系統(tǒng)畫面顯示SO2排放濃度、O2含量、NOX排放量、脫硫塔內(nèi)部數(shù)據(jù)、二級控制畫面顯示調(diào)節(jié)閥和沖洗泵的狀態(tài)、報警記錄、數(shù)據(jù)曲線圖等，如圖8所示。

圖8 脫硫控制系統(tǒng)畫面Fig.8 Interfaces of desulfuration system

3.3 運行結(jié)果分析

根據(jù)實際運行單位2017年11月NOX和SO2的排放量濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1中所示，滿足循環(huán)流化床鍋爐設(shè)施類型的火電廠大氣污染物排放濃度國家標(biāo)準(zhǔn)[9]。

表1 2017年11月份排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.1 Emissions statistics for november 2017

4 結(jié)語

基于DCS技術(shù)，對循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能減排自控系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。投入運行情況表明，采用本DCS系統(tǒng)脫硝脫硫控制效果良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。2017年運行數(shù)據(jù)表明，根據(jù)脫硫、脫硝工藝開發(fā)的脫硝和脫硫優(yōu)化控制軟件包對SO2、NOX的排放量的控制有顯著效果。系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐的煙氣脫硝、脫硫控制，保證發(fā)電項目的順利進(jìn)行。

[1]韓志遠(yuǎn).煤礦中人員角色與不安全行為的動態(tài)灰色關(guān)聯(lián)分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（3）：171-175.

[2]孟祥寶.DCS系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐控制中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[3]柴慶凱.循環(huán)流化床鍋爐DCS系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[4]李穹.循環(huán)流化床鍋爐SNCR脫硝關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[5]馬平，王凱宸，梁薇.基于前饋有約束DMC的鍋爐煙氣脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計[J].熱力發(fā)電，2013，30（7）：213-217.

[6]孫承朗.燃煤工業(yè)鍋爐臭氧化結(jié)合鎂基濕法聯(lián)合脫硫脫硝工藝研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

[7]帕孜來·馬合木提，楊華偉.基于DCS的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（3）：82-85.

[8]于永茂.基于DCS的鍋爐優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].青島：青島科技大學(xué)，2013.

[9]GB/T 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.