燃煤锅炉烟气脱硝监测系统设计
2019-07-17李伟刘财勇齐建家王涛马武学
李伟 刘财勇 齐建家 王涛 马武学
摘要：为了使燃煤锅炉烟气中NOx的含量满足国家标准，在烟气排放前增加了脱硝工艺过程。以选择性非催化还原法（SNCR）作为脱硝工艺，西门子S7-1500 PLC作为控制核心，采用TIA portal的WinCC设计烟气脱硝监测系统，着重探讨了系统主画面、尿素溶液制备画面与设备运行状态画面的组态。系统成功用于生成实践，取得了良好的效果。
Abstract： In order to make the NOx content in the flue gas of coal-fired boilers meet the national standards， the denitration process is added before the flue gas is discharged. Taking selective non-catalytic reduction （SNCR） as denitration process， Siemens S7-1500 PLC as control core， TIA portal WinCC is used to design flue gas denitration monitoring system， focusing on the configuration of the system main screen， urea solution preparation screen and equipment operation status screen. The system was successfully used to generate practices and achieved good results.
关键词：脱硝监测系统;WinCC;SNCR;燃煤锅炉
Key words： denitrification monitoring system;WinCC;SNCR;coal-fired boiler
中图分类号：TH862 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）12-0185-04
0 引言
伴随着我国经济的飞速发展，由此引发的能源损耗导致的大气环境污染问题，得到人们的持续关注。煤在我国的一次能源中占比较高，煤的燃烧会造成严重的空气污染，这对人类健康和大气环境是非常有害的[1，2]。燃煤锅炉排放烟气是大气污染的最主要根源。目前，国内各种工业锅炉达47万台左右，除工业较发达地区的少数工业锅炉实现了“煤改气”之外，大部分工业锅炉仍然以煤炭为主。燃煤锅炉在燃烧过程中会释放大量大气污染物，其中氮氧化物占大部分，氮氧化物中NO和NO2会导致酸雨和光化学烟雾。氮氧化物也会直接刺激肺部，影响人体呼吸系统。根据当前发展情况，预测在2030年氮氧化物排放量可能会有或超过二千万吨。根据2017年国家最新的氮氧化物排放量标准[3]，在用燃煤锅炉氮氧化物排放量不得高于400mg/m3，新建燃煤锅炉不得高于300mg/m3，现有大部分锅炉烟气排放浓度已不满足新的国家环保要求，这必然推进我国烟气脱硝改造工程。
在现有燃煤锅炉烟气的脱硝升级改造建设中，因PLC功能强大，在环境艰苦的工厂中被广泛使用，进行有效的分散控制。同时，由于燃煤锅炉烟气脱硝过程需要具备远程控制、可视画面同步和实时监测等功能，所以组态软件在控制系统中扮演了重要的角色。西门子TIA portal软件是西门子工业自动化集团发布的全集成自动化软件。全集成自动化TIA（Totally Integrated Automation）即统一的组态和编程、统一的数据库管理和统一的通信，是集统一性和开放性于一身的自动化技术[4，5]。采用此新型、统一软件框架，用户能够快速、直观地开发和调试西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置，大大降低连接和组态成本。
1 脱硝工艺方案
本文基于黑龙江贝因美乳业集团2台燃煤蒸汽锅炉烟气排放的环保升级改造项目，锅炉的主要参数为：锅炉额定蒸发量为25t/h;燃烧室温度900～1100℃;煤的含氮量0.93%;烟气NOx含量600mg/m3。利用西门子TIA portal软件开发设计燃煤锅炉烟气脱硝监测系统，实现对现场设备运行状况的监测和控制。
脱硝技术一般分为燃烧前脱硝、燃烧过程脱硝和燃烧后脱硝。燃烧后脱硝即烟气脱硝，与NO的氧化、还原及吸附的特性有关，大致分为干法、半干法和湿法3类，其中干法脱硝技术是目前工业研究、应用的主流和发展方向。干法脱硝主要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）和電子束联合脱硫脱硝法。从建设成本和运行成本的角度看，SNCR比SCR的投入要小得多[6-9]。
根据黑龙江贝因美乳业集团锅炉的实际运营情况，SNCR脱硝方式最适合。因此我们采用SNCR作为脱硝方案。烟气脱硝工艺流程如图1所示。烟气脱硝方案选用尿素为反应剂原料。当尿素溶解罐中的液位计检测到溶液液位较低时，就会启动上料电机，将尿素原料送进尿素溶解罐中，同时启动搅拌器，打开稀释水管道球阀;当尿素溶解罐中的液位计检测到溶液液位过高时，则关闭上料电机，并停止搅拌，启动转存泵，将溶液输送到储存罐。当尿素溶液储存罐中的液位计检测到溶液液位较低时，也将启动转存泵，将尿素溶解罐中的溶液输送到尿素溶液储存罐中。启动运输泵后，锅炉中的四个喷枪借助空压机产生的气压，将尿素溶液输送到锅炉炉膛内，与氮氧化物产生还原反应，生成对环境无污染的N2和H2O，最终排放到大气中。
从以上分析得出，该工艺主要包括尿素溶液制备、溶液混合、溶液输送、分配喷射、压缩空气制备等环节，工艺中省略了伴热热水系统。这些主要环节将体现在触摸屏画面组态设计中。
2 脱硝监测系统硬件方案
脱硝监测系统硬件采用S7-1500系列，模块式结构。其主要组成部分包括：CPU采用1516-3 PN/DP，模拟量输入模块，模拟量输出模块，开关量输入模块，开关量输出模块，KTP700 Basic PN精简系列触摸屏。由于控制系统与现场仪表及执行机构相距较远，系统采用ET200MP分布式I/O模块，通过PROFINET总线方式与S7-1500 PLC本机通信。硬件系统结构原理如图2所示。
3 脱硝监测系统软件实现
3.1 画面总体规划
监测系统使用西门子博图中的WinCC进行设计，根据烟气脱硝系统的工艺流程，人机界面的设计主要包括开机时的用户登录画面，登录后的主画面，尿素溶液制备、溶液混合、溶液输送、分配喷射、压缩空气制备等工艺画面，用户管理画面，报警信息画面，系统设置画面，数据趋势画面等。人机界面系统框图如图3所示。在WinCC中，各画面之间是可以相互切换的。
3.2 主要画面组态
3.2.1 登录画面
登录画面是设备开机所显示的启动画面，设计应简洁、美观。监测系统登录画面如图4所示。在登录画面中有两个区域：上方的固定窗口和用户登录区。
3.2.2 主画面
用户登录后进入主画面，如图5所示。在主画面中涵盖了监测系统的主要功能，包括烟气排放中氮氧化物含量的监测数据，系统运行模式及状态显示，工艺画面切换按钮等。
3.2.3 尿素溶液制备画面
尿素溶液制备画面属于系统中的工艺画面，如图6所示，主要包括上料、搅拌和储存三部分。在画面中需要绘制出尿素溶液制备的主要的工艺流程，工艺设备和管道可以通过使用软件“工具箱”任务卡中的“图形”窗格中的元素来形象表示，工艺参数和状态利用“工具箱”任务卡中的“基本对象”窗格的圆、图形视图和“元素”窗格的I/O域等元素表示。
3.2.4 设备运行状态画面
烟气脱硝系统投入运行后，整个系统的工况参数经常需要在线或离线修改，并显示在人机界面上，从而使整个系统工艺中的设备运行及参数得到全面的控制。这部分工作主要在设备运行状态画面中完成。图7列出了烟气脱硝过程的主要工况参数情况，参数的显示和修改通过软件“工具箱”任务卡中“元素”窗格的输入/输出I/O域元素来表示，并辅以设备的状态指示灯。
4 结语
利用西门子可编程控制器和全集成自动化软件实现燃煤锅炉烟气脱硝监测系统的设计，组态了工艺数据监测、用户管理、设备运行状态等画面。该系统已成功应用于黑龙江贝因美乳业集团锅炉改造项目，其界面友好，运行可靠，取得了良好的效果。
参考文献：
[1]王天泽，楚英豪，郭家秀，尹华强.烟气脱硝技术应用现状与研究进展[J].四川环境，2012（3）.
[2]姜海燕.西门子PLC、组态王在湿法烟气脱硫系统中的应用[J].矿山机械，2010（5）.
[3]dongchang.国家及地方锅炉大气污染物排放标准汇总[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/18/0711/11/253213_769526013.shtml，2018-07-11/2019-02-15.
[4]廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2018.
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