曹 通

(蒙城環(huán)蒙再生能源有限公司，安徽 亳州 233500)

常規(guī)城市垃圾焚燒發(fā)電項目煙氣處理工藝只有采用“SNCR(選擇性非催化還原)+半干法+活性炭吸附+袋式除塵”才可達到國家要求的排放標準。由上述工藝流程可見SNCR爐內(nèi)非催化還原為NOx指標控制的常用手段，SNCR系統(tǒng)的自動投入率直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。本文通過DCS(分散控制系統(tǒng))進行邏輯優(yōu)化后，無需增加基礎(chǔ)硬件，可實現(xiàn)DCS NOx自動控制，以降低人員勞動力成本及物料的消耗。

1 SNCR現(xiàn)有技術(shù)背景

1.1 SNCR控制技術(shù)原理

SNCR技術(shù)常規(guī)采用氨水或者溶解的尿素作為還原劑，根據(jù)實際工況混合適量的除鹽水進行稀釋后通過分配器經(jīng)噴槍噴射至爐內(nèi)，在合適的溫度窗口區(qū)間與煙氣進行反應，利用還原劑的氨基元素將煙氣中的NO分解為N2和H2O[1]，當反應區(qū)溫度較高則會將氨基氧化還原為NOx[1]。通常把尿素溶液作為還原劑使用的最佳窗口溫度為850～1 050 ℃[2]。

常用氨基作為還原劑的化學還原公式為

1.2 現(xiàn)有技術(shù)分析

常規(guī)控制過程中還原劑的用量，反應區(qū)的窗口溫度、煙氣滯留時間等多重因素直接影響指標的穩(wěn)定性，還原劑使用量不足容易導致煙氣參數(shù)超標，而過量的使用又會造成還原劑浪費及氨逃逸，進而造成尾部煙道內(nèi)設(shè)備的腐蝕及環(huán)境的二次污染。

常規(guī)項目SNCR控制系統(tǒng)普遍采用PLC(可編程邏輯控制器)對就地設(shè)備進行控制，將數(shù)據(jù)通過DP通信方式傳輸至DCS系統(tǒng)供操作人員進行監(jiān)視及操作。PLC控制便于廠商技術(shù)保留，但不利于使用方后期正常生產(chǎn)運行的維護及修改。常規(guī)SNCR控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)SNCR控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

垃圾成分不同，發(fā)酵時間周期不同，運行工況方式不同，且常規(guī)煙氣分析設(shè)備在尾部煙囪內(nèi)與爐膛反應區(qū)域較遠，這些因素造成NOx指標波動性較大、延遲性加大、控制效果較差。在PLC內(nèi)設(shè)置單純以NOx實測值為過程變量的自動控制方案，很難精準控制還原劑的使用量，極易導致指標異常、氨逃逸大的情況發(fā)生。通常情況下，操作人員只能通過人工干預方法進行調(diào)整。

2 SNCR系統(tǒng)的DCS優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化目的

針對現(xiàn)有問題，上海環(huán)境集團蒙城環(huán)蒙再生能源有限公司(以下簡稱“蒙城能源”)利用DCS控制邏輯進行優(yōu)化。該項目配置為2×350 t/d機械式爐排焚燒爐，配套15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機組，煙氣處理采用“爐內(nèi)SNCR+半干法+碳酸氫鈉噴射+活性炭吸附+布袋除塵器”，在煙囪內(nèi)設(shè)置煙氣在線監(jiān)測裝置。

蒙城能源SNCR控制系統(tǒng)采用S7-300 PLC控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)為北京和利時股份有限公司的MACSV平臺。SNCR系統(tǒng)通過DP通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至DCS系統(tǒng)，供運行人員進行參數(shù)監(jiān)控及設(shè)備操作。

原控制方案：PLC內(nèi)NOx控制采用單回路PID控制，稀釋水自動控制。因垃圾焚燒工況多變，煙氣在線監(jiān)測設(shè)備離反應區(qū)域距離較遠，導致參數(shù)滯后性較大，只通過設(shè)定值與過程值的偏差進行的PID調(diào)節(jié)，不能滿足現(xiàn)場實際工況運行的要求[3]。且PLC程序加密，廠家的技術(shù)保留導致PLC內(nèi)邏輯無法進行修改，給生產(chǎn)期間的維護帶來了不便。

為節(jié)省改造成本，在原有控制系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下，對蒙城能源項目的DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的自動控制程序進行技術(shù)優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化內(nèi)容及步驟

蒙城能源項目根據(jù)現(xiàn)場實際工況及歷史記錄，針對物料消耗及工況分析制定出一套基于DCS系統(tǒng)的SNCR系統(tǒng)自動控制方法。該方法是針對現(xiàn)場實際已投用的SNCR系統(tǒng)無法進行NOx自動控制的技術(shù)改進，其主要構(gòu)成有SNCR系統(tǒng)硬件及自動控制系統(tǒng)、測量儀表、爐內(nèi)噴槍、改造后的DCS系統(tǒng)NOx控制技術(shù)、稀釋水自動配比，以及自動控制前饋量的分析運算。

為實現(xiàn)上述控制方法需進行以下步驟。

2.2.1 增加NOx自動控制方案

現(xiàn)場專業(yè)人員確認SNCR系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)通信正常，且所有SNCR系統(tǒng)設(shè)備均可在DCS內(nèi)進行單獨操作。

退出SNCR系統(tǒng)中PLC程序的自動運行方式，對原邏輯方案進行備份后，刪除DCS內(nèi)相關(guān)的邏輯及畫面，避免改造后因畫面不同導致運行人員誤操作情況的發(fā)生。

進行DCS內(nèi)邏輯組態(tài)，增加NOx控制自動邏輯方案，采用以NOx實時值為主的PID調(diào)節(jié)器的過程輸入值，與設(shè)定值SP1進行偏差比較，通過PID調(diào)節(jié)器運算后得出合適的輸出指令作為尿素溶液計量泵的頻率給定，并對輸出進行高低限制。具體方案如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)NOx自控控制方案圖

使用鍋爐蒸發(fā)量作為前饋信號。因NOx實測值滯后性較大，當負荷變化時NOx實測值具有一定的延遲，往往鍋爐負荷的變動會提前反映出NOx指標的變化趨勢。對現(xiàn)場試驗進行觀察，當焚燒爐負荷在額定蒸發(fā)量的85%時，NOx含量生成較為穩(wěn)定，故以額定蒸發(fā)量85%這個點為中間點，經(jīng)折線函數(shù)F(x)計算出補償頻率，將其作為主PID調(diào)節(jié)器的前饋信號進行正負補償。同時增加補償值的高低限制及變化率限制[4]。

增加超馳控制邏輯。當NOx實時值大于250 mg/Nm3，延時1 min后將輸出下限限制為40 Hz，當NOx實時值低于50 mg/Nm3，延時1 min后將輸出上限限制為25 Hz，從而使系統(tǒng)能夠快速反應并恢復至正?？刂品秶鷥?nèi)，避免因瞬間參數(shù)驟變使PID調(diào)節(jié)器第一時間無法進行調(diào)節(jié)，導致參數(shù)失控的情況發(fā)生。

增加切強制手動邏輯。當NOx實測值與設(shè)定值偏差的絕對值大于100 mg/Nm3時，切除自動控制并發(fā)出聲光警報，方便運行人員第一時間進行調(diào)整。

增加自動跟蹤邏輯。在正常運行過程中進行CEMS維護時，PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值自動跟蹤為當前過程值，則PID保持上一周期運算結(jié)果輸出。當CEMS維護結(jié)束時自動跟蹤退出，PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值根據(jù)NOx實時值與原設(shè)定值SP1進行計算，此方案可避免每周一次CEMS維護造成的自動退出。

2.2.2 增加稀釋水流量自動控制方案

SNCR系統(tǒng)稀釋水采用除鹽水，其作用為稀釋尿素溶液濃度，以稀釋水為載體混合尿素溶液對爐內(nèi)進行噴射。另外，稀釋水還有一定的控制氨逃逸的作用。當氨逃逸濃度較大時，增加稀釋水流量可減小氨逃逸濃度。根據(jù)廠家提供的資料并結(jié)合現(xiàn)場使用情況，增加稀釋水自動控制邏輯方案如下[5]：

采用PID控制運算，過程值為稀釋水流量[6]，設(shè)定值為NOx自動控制系統(tǒng)中還原劑的流量值與參考資料給的比例相乘后得到的需求值SP1，通過反應區(qū)溫度測點優(yōu)選后得出的平均值經(jīng)函數(shù)F(x)折算出的值為SP2，SP1與SP2必選后取MAX作為稀釋水PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，并對該值進行高低限制，現(xiàn)場高限值設(shè)置為350 L/h、低限值為230 L/h。

稀釋水自動投入跟隨NOx主PID調(diào)節(jié)器自動投入狀態(tài)。當NOx主PID調(diào)節(jié)器自動投入后，觸發(fā)稀釋水PID調(diào)節(jié)器自動投入，反之NOx主PID調(diào)節(jié)器自動切除后，稀釋水PID調(diào)節(jié)器隨之切除，詳見圖3。

圖3 DCS系統(tǒng)稀釋水流量自動控制方案圖

3 優(yōu)化后控制效果

蒙城能源項目中，對DCS優(yōu)化后的SNCR控制方案可滿足實際生產(chǎn)多種工況變化下的穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場控制過程調(diào)試對NOx控制PID采用PI調(diào)節(jié)，設(shè)置PID調(diào)節(jié)器參數(shù)(Kp=800、Ti=1400、Td=0)。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，改進后的NOx自動控制可在鍋爐蒸發(fā)量出現(xiàn)變化、煙氣參數(shù)還未發(fā)生的第一時間進行補償頻率輸出，在提前控制尿素溶液量的同時折算出稀釋水流量的需求值。稀釋水控制方案采用單回路PI控制，通過改變閥門開度進行稀釋水流量的控制，稀釋水PID調(diào)節(jié)器參數(shù)(Kp=240、Ti=360、Td=0)改進后，日稀釋水使用量大幅度下降，爐溫低時相對負荷也較低，產(chǎn)生的NOx含量也較低，自動控制模式下，自動關(guān)小稀釋水開度及溶液計量泵頻率可大大降低生產(chǎn)成本。

通過20天的連續(xù)運行觀察可知，設(shè)定控制NOx指標在140 mg/Nm3時，自動投入率達95%以上，各種指標控制穩(wěn)定，氨逃逸濃度降低，尿素溶液消耗量明顯下降，與優(yōu)化前對比可減少尿素使用量約0.1～0.15 t/d，且大幅度減輕了運行人員的勞動強度，增加了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改造前后數(shù)據(jù)對比

上述數(shù)據(jù)僅為參考數(shù)據(jù)，因運行方式不同、工況不同、垃圾成分不同，可能存在實際效果上的差異。

4 結(jié)語

針對SNCR系統(tǒng)具有流程長、大延遲、大慣性、擾動因素多的特點，蒙城能源項目對其進行自動控制需要考慮的因素進行了深入研究，從而制訂了上述方案。該方案在原有技術(shù)平臺上完成，不需額外增加現(xiàn)場硬件設(shè)備，投入成本低，見效快。NOx自動控制和稀釋水自動控制2套方案配合使用時，既能根據(jù)NOx實時值控制尿素溶液的使用量，又可根據(jù)實時尿素溶液量的使用控制稀釋水的消耗量。采用以上邏輯對SNCR自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化后，SNCR自動控制系統(tǒng)的適用范圍更寬，幾乎在垃圾焚燒爐各負荷階段均能穩(wěn)定運行，使執(zhí)行機構(gòu)動作頻率減小，減少了系統(tǒng)磨損，延長了設(shè)備的使用壽命。NOx小時均值既能很好地控制在環(huán)保指標以下，又能根據(jù)目標值設(shè)定運行，減少尿素溶液的用量，實現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的目標。