基于 PLC的循环流化床锅炉选择性非催化还原法脱硝（ SNCR）控制系统

基于 PLC的循环流化床锅炉选择性非催化还原法脱硝（ SNCR）控制系统

侯伟民 方磊

浙江百能科技有限公司 浙江杭州

摘要：随着工业化的不断推进，PLC控制技术在各行各业得到了大力推广和应用，尤其在电力和化工行业。本文介绍了通过PLC控制技术完成循环流化床锅炉SNCR脱硝系统的自动运行的原理、方法、控制逻辑等。

关键词：SNCR脱硝；控制系统；PID；调节阀；NO_X浓度

根据《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2011、《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》及地方相关环保政策，某公司新建2台75t/h循环流化床锅炉，同期配套要2套锅炉烟气处理脱硝装置。脱硝装置采用选择性非催化还原法（SNCR）工艺路线，确保SNCR出口NO_X浓度低于100mg/Nm³（干态，6%氧气）、氨逃逸量控制在8mg/m³以下。

SNCR系统概述

整套SNCR脱硝装置主要包括还原剂储存系统、稀释水系统、计量喷射系统和在线监测系统等。

还原剂储存系统包括氨水储罐、氨水卸载泵、氨水输送泵及配套仪表等。

稀释水系统包括稀释水罐、稀释水泵、补水阀及配套仪表等。

计量喷射系统包括气动调节阀、关断阀、喷枪等及配套仪表。

在线监测系统包括：氮氧化物分析仪、氨逃逸分析仪等。

工艺流程图如下图1：

图1

控制系统

控制系统概述

脱硝控制系统采用西门子S7-1500系列PLC，两台炉共用一套PLC系统。配套1台工程师站（兼操作员站）、1台操作员站。控制系统可在无需现场就地人员配合的条件下实现自动控制。 控制系统主要功能包括：数据采集处理、模拟量控制、顺序控制、显示、报警、历史记录等。

控制系统软硬件采用面向对象的模块化设计，安全可靠。层次设计，共三层：

一层----现场温度、液位、流量等传感器及阀门执行机器

二层----现场设备控制柜

三层----人机交互界面

PLC控制系统

PLC控制系统网络及模块配置图如下图2：

图2

其中电源模块（PS01）采用6EP1 333-2BA20,24VDC/5A；主控制器（CPU01）采用6ES7513-1AL01-0AB0；接口模块（IM01）采用6ES7 155-6AU01-0BN0。模拟量输入模块（AI01～07）采用6ES7 134-6GF00-0AA1；模拟量输出模块（AO01～02）采用6ES7 135-6HD00-0BA1；数字量输入模块（DI01～04）采用6ES7 131-6BH01-0BA0；数字量输出模块（DO01～02）采用6ES7 132-6BH01-0BA0。

仪表系统

根据工艺和测量要求，烟气在线监测系统采用某公司的SCS-900C型烟气排放连续监测系统；氨逃逸分析仪采用LDS-200H型号产品；调节阀采用气动薄膜单座调节阀；氨水流量测量采用电磁流量计;稀释水流量计采用金属浮子流量计。

控制逻辑

SNCR脱硝控制系统的主要控制逻辑在计量喷射系统。该系统主要是将20%浓度氨水和稀释水（除盐水）通过调节阀混合成不同浓度的低浓度氨水，再经过喷枪喷射雾化后进入烟道与烟气进行反应。

设定值（可修改）

NO_X浓度30分钟设定值 100mg/Nm³ (限值100-200） 压缩空气压力低 0.3MPa

NO_X浓度24小时设定值 100mg/Nm³ (限值100-200） 压缩空气压力高 0.8MPa

启动SNCR炉膛温度设定值 830℃ 混合溶液压力低 0.3MPa

启动SNCR锅炉负荷设定值 20t/h 混合溶液压力高 0.8MPa

氨水流量最小值 30kg/h 氨水流量低 40kg/h

氨水流量最大值 300kg/h 氨水流量高 250kg/h

氨水流量基准值 80kg/h 混合液总量设定值 240kg/h

氨水调节阀最大开度设定值

氨水调节阀最小开度设定值

显示值

NO_X标氧浓度 ---mg/Nm³ 压缩空气压力 ---MPa

O_实氧 ---% 氨水压力 ---MPa

NH₃逃逸 ---mg/m³ 氨水流量 ---kg/h

锅炉温度 ---℃

锅炉负荷 ---t/h

NO_X浓度30分钟平均值 ---mg/Nm³

NO_X浓度24小时平均值 ---mg/Nm³

计量喷射系统启动/退出

计量喷射系统启动条件

炉膛温度高于启动SNCR炉膛温度设定值；

锅炉负荷高于启动SNCR锅炉负荷设定值；

任一台氨水输送泵、稀释水泵运行，无故障；

压缩空气压力无报警。

系统启动初期，氨水按流量基准值进行喷射。阀门开启采用渐开方式，阀门动作幅度5%开度/1s，按基准值喷射时间为4min。

计量喷射系统退出条件

炉膛温度低于启动SNCR炉膛温度设定值，延时10s；

锅炉负荷低于启动SNCR锅炉负荷设定值，延时20s；

压缩空气压力低或混合溶液压力低，延时20s；

所有氨水输送泵或稀释水泵处于停止状态；

任一台氨水输送泵运行，且氨水流量低；延时3min报警；

脱硝系统退出运行后，延时5S，氨水调节阀关闭。

计量喷射系统PID控制

计量喷射系统PID控制采用2级PID串级调节：NO_X浓度与氨水流量PID调节（外环：NO_X浓度环）；输出的氨水流量与氨水调节阀PID调节（内环：氨水流量环）。

为提高系统的稳定性，减少氨逃逸量，对外环输出的氨水流量值和内环输出的阀门开度值进行限幅。

以锅炉负荷、O₂含量作为前馈，用以消除程序控制的延时。

计量喷射系统氨水和稀释水溶液总用量（混合液总量设定值）为定值，稀释水流量计算值=混合液总量设定值-氨水流量。稀释水流量与稀释水调节阀PID调节达到稀释水流量计算值。

NO_X浓度折算公式

烟气在线监测系统（CEMS）测量的NO_X浓度为NO浓度（CEMS内置NO₂/NO转换器），需换算成标氧（6%含氧）状态下NO₂浓度。NO_X的换算公式如下：

NO_X标氧= NO_测*（46/30）*[（21%- O_2标氧）/（21%- O_2实氧）]

NO_X标氧：6%标氧下的NO₂浓度，单位为mg/Nm³；NO_测：NO测量值，单位为mg/m³； O_实氧：氧含量测量值，百分比数；O_2标氧：标准氧含量，为6%；NO分子量：30；NO₂分子量：46。

结论

目前该项目运行期间锅炉SNCR出口NO_X浓度维持在100mg/Nm³（干态，6%氧气）以下，NH₃逃逸量控制在5mg/m³以下。脱硝系统稳定连续运行，工艺参数满足设计要求。

综上所述，采用PLC控制技术实现的循环流化床锅炉SNCR脱硝自动控制系统运行稳定、配置简单、可操作性强、自动化程度高，适合SNCR脱硝系统的应用。

参考文献：

[1]《燃煤锅炉SNCR脱硝工艺关键技术》，董陈、赵树春等，《热力发电》；

[2]《循环流化床锅炉SNCR脱硝技术研究现状》， 赵凯、康利生等《节能技术》；

[3]《基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现》，任俊杰、李勇霞等，《制造业自动化》；

[4]《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性非催化还原法》HJ563-2010，环境保护部；

[5]《TIA 博途与SIMATIC S7-1500可编程控制器》、《SIMATIC ET 200 分布式 I/O》，西门子工业自动化集团与驱动技术集团；

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