燃煤工业锅炉烟气净化控制系统的设计与应用

《燃煤工业锅炉烟气净化控制系统的设计与应用》论文发表期刊：《自动化技术与应用》；发表周期：2021年03期

《燃煤工业锅炉烟气净化控制系统的设计与应用》论文作者信息：崔东锋(1982-），男，硕士，副研究员，从事水处理和大气污染治理方面自动化控制的研究和设计。

　　摘要：介绍了某煤矿燃煤工业锅炉烟气净化处理工艺流程，根据不同工艺段的工艺运行要求，详细分析了工艺过程中布袋除尘器、脱硝反应单元、脱硫脱硝单元、湿电除尘单元等系统的控制策略。构建了一套由上位机和PLC组成的控制系统，阐述控制系统的各单元PLC硬件设计和上位机、PLC、触摸屏等软件设计。该控制系统经过一年多的应用表明，能够满足预期的工艺控制要求，且运行稳定可靠。

　　关键词：控制系统;PLC;锅炉烟气;烟气净化

　　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，我国在用工业锅炉约62万台，其中燃煤工业锅炉约47万台，占工业锅炉总数的80%以上，年消耗标准煤约4亿吨，约占全国煤炭消耗总量的四分之一左右。因此，燃煤工业锅炉在工业锅炉中占主导地位的局面，短期内不会发生改变-，煤炭在燃烧过程中会产生大量的污染物，如SO，NOx等，是造成大气环境污染的主要原因之一，因此，对燃烧后的锅炉烟气进行净化处理是控制其污染物排放的有效途径"。

　　某煤矿的供热和供暖系统采用三台蒸发量为15t/h的链条炉排锅炉，为了使烟气净化处理后能够达到国家《锅炉大气污染排放标准》(2014)和地方政府的大气污染物排放控制要求，采用了除尘+脱硝+脱硫的联合处理工艺，为了保证烟气净化系统的稳定运行，有必要根据工艺控制的要求，构建一套适用于工艺流程的烟气净化控制系统，以满足工艺控制的要求和自动化控制的目的。

　　2烟气净化工艺流程

　　某煤矿燃煤工业锅炉出口烟气首先进入采用布袋除尘的除尘单元，去除烟气中的固体颗粒物后，然后经引风机通过烟道送入脱硝反应单元，脱硝反应单元利用臭氧的强氧化性将烟气中的低价态NOx转换为高价态的NOx，再将烟气送到脱硫脱硝吸收塔，在吸收塔内烟气自下往上流动，先与喷淋层喷出的石灰石浆液进行逆流接触反应，将烟气中的SO2、高价态NOx、剩余的细尘等充分吸收，转化为相应的化合物，同步脱除烟气中的SO2和NOx，最后烟气经过除雾器脱水除雾后进入湿电除尘器，进一步去除烟气中的细小颗粒物和气溶胶后至烟囱达标排放。其中，吸收塔中的石灰石浆液在经过一段时间的循环和反应后，将失去作用，此时便会排出吸收塔底部的部分石灰石浆液去压滤单元，并利用石灰石浆液单元补充新的石灰石浆液到吸收塔，以保证反应的连续进行和脱硫脱硝的效果。燃煤工业锅炉烟气净化处理工艺流程如图1所示。

　　3工艺系统控制策略分析

　　控制系统是为整个燃煤工业锅炉烟气净化处理系统的正常稳定运行服务的，因此，首先要明确工艺系统的控制策略，通过对烟气净化处理工艺过程进行分析，工艺系统的主要控制策略包括：除尘单元的运行参数监测、清灰和卸灰控制，脱硝反应单元的氧气制备、臭氧制备和投加及反应系统的控制，脱硫脱硝单元的吸收塔石灰石浆液池液位、除雾器冲洗、石灰石浆液循环及排出、浆液制备和浆液补充的控制，湿电除尘系统的控制-。

　　3.1 布袋除尘器的控制策略分析每套布袋除尘器有两个过滤室和两个灰斗，每个过虑室设有11组布袋，每组13条，配备一套清灰装置，每套清灰装置上设置11个脉冲阀，利用压缩空气对每组的13条布袋进行清灰，清理的灰渣落入底部的灰斗，通过卸灰机排出系统。因此，布袋除尘器的运行控制主要包括运行参数监测、清灰控制和卸灰控制。

　　(1)运行参数监测主要包括进口烟气温度、进口烟气流量、除尘器总压差、灰斗料位、气源压力等。其中，进口烟气温度监测目的是防止低温烟气进入产生凝露和高温烟气进入损坏布袋，高低温报警设定值分别为170℃和75℃

　　进口烟气流量监测的目的控制进口阀门调节烟气流量。

　　(2)清灰控制根据工艺需要，设有四种清灰模式，分别是定时清灰、压差清灰、单循环清灰和手动清灰。定时清灰通过设定清灰周期，当清灰周期时间到后，自动依次开启每组的脉冲阀，利用空气炮中的空气进行清灰;压差清灰是根据检测到的除尘器总压差和设定压差进行比较，当检测值大于设定值1200Pa时，自动依次开启每组的脉冲阀进行清灰，完成后直到下次条件满足;单循环清灰是通过按钮实现单次的每组的脉冲阀依次开启清灰;手动清灰是通过设置在操作面板上的按钮自由选择对应仓室的脉沖阀进行清灰。

　　(3)卸料控制是通过在每个布袋除尘器的灰斗设置超高、高、低、超低料位检测仪表，实时监测灰斗料位情况，当料位达到高限报警时，自动开启灰斗底部的星型卸灰机进行卸灰，直到灰斗料位达到低限或超低限;当料位达到超高限报警时，应立即对卸灰系统进行检查和排除故障。

　　3.2脱硝反应单元的控制策略分析脱硝反应单元主要包括氧气制备系统、臭氧制备系统、投加及反应系统三部分，其中氧气制备系统用于为臭氧制备系统提供纯度大于90%的氧气气源，臭氧制备系统用于制备质量分数浓度为10%臭氧气体;投加及反应系统是利用臭氧将烟气中低价态NOx全部氧化为高价态NOx。

　　(1)氧气制备系统的控制，在冷却水压、密封水液位、仪表气源等开机调节具备的情况下，顺序控制和调节阀门、水泵、风机、氧压机等的运行状态和运行方式，监测运行参数，进行各类故障信号的预警，实现氧气制备系统自动化运行。

　　(2)臭氧制备系统的控制，根据设定的臭氧质量分数浓度，顺序控制内循环水泵、外循环水泵、冷却风机、臭氧发生器等设备，实时进行设备运行状态和工艺参数的监测和调整，对各类故障进行预警，实现臭氧制备系统自动化运行。

　　(3)投加及反应系统的控制，通过监测烟气流量和烟气中NO的含量，实时计算臭氧的投加量，采用PID调节的方式，调节臭氧的投加量，实现臭氧对烟气中低价态氮氧化物的全部氧化。

　　3.3脱硫脱硝单元的控制策略分析脱硫脱硝单元利用石灰石浆液作为吸收剂，对烟气中的SO，和NO，进行吸收，将其分别转换为溶于水的化合物，达到去除的目的。该单元主要包括吸收塔浆液池液位控制、除雾器冲洗、浆液循环及排出单元、浆液制备单元、浆液补充单元等。

　　(1)吸收塔石灰石浆液池液位的控制，正常情况下，液位控制在2.5-3.5m之间，当液位<2.5m时，通过除雾器冲洗系统进行补水，直到液位>3.5m，同时，设置4.0m和2.0m分别为高限和低限报警液位，高限报警持续不解除将进行溢流，低限报警与浆液循环泵和浆液搅拌机进行联锁。

　　(2)吸收塔除雾器冲洗的控制，除雾器冲洗采用定时控制和差压控制相结合的方式，当冲洗间隔时间到或除雾器前后压力差大于设定值时，自动进行一个循环的除雾器冲洗。除雾器自动冲洗间隔时间为2h，前后压力差设定值为200Pa，当满足冲洗条件时，每个冲洗过程为依次开启每个冲洗阀门305。除雾器冲洗过程中，实时监测冲洗水流量，当冲洗水流量<20m/h发出报警。(3)石灰石浆液循环及排出单元的控制，通过监测每个喷淋层的浆液实时流量，调节浆液循环泵的运行频率，保证各喷淋层的浆液流量满足工艺要求;同时，通过监测循环浆液的密度值"，当浆液密度值>1150kg/m时，开启浆液循环泵后的电动阀门，排出石灰石浆液到压滤系统进行处理，直到浆液密度<1180kg/m时为止。(4)浆液制备单元的控制，通过实时监测制备好的石灰石浆液密度值是否达到设定值要求，自动调节石灰石浆液搅拌罐的石灰石粉与工艺水进料比例，石灰石粉的进料量通过控制双级螺旋称重给料机的转速进行调节，工艺水的量通过流量计监测值调节进水阀门大小来实现，最终制备出满足工艺要求的石灰石浆液。

　　(5)浆液补充单元主要是对吸收塔浆液池中浆液pH值进行区间控制，通过实时监测吸收塔浆液池中浆液pH值"，当浆液的pH值<5.3时，开启浆液泵，补充石灰石浆液到吸收塔浆液池，直到pH值>5.8为止。

　　3.4湿电除尘单元的控制策略分析湿电除尘单元的控制主要包括高压系统、水系统、热风吹扫系统等。高压系统采用整流变压器或高频电源，运行过程中实时监测设备运行参数，水系统主要是根据喷淋清洗水压要求，采用变频恒压供水的方式实现，还包括补水、排水、循环水、加碱处理等环节的自动控制;热风吹扫系统根据设定的温度要求，按照逻辑顺序控制风机、阀门、加热器完成。

　　4控制系统的设计

　　根据前面分析的燃煤工业锅炉烟气净化控制策略，构建一套与工艺相适应的控制系统，保证烟气净化系统的稳定可靠运行。控制系统采用上位机+PLC为主的控制方式，主要包括硬件设计和软件设计两部分。

　　4.1 硬件设计

　　结合现场工艺设备和动力设备电控中心的布置，控制系统采用PLC主站+PLC远程站+PLC控制子站相结合的方式。其中，在动力设备电控中心设置PLC主站，采用西门子公司的S7-1500大中规模高性能系列PLC;在浆液循环泵房、浆液制备单元、工艺水单元、吸收塔单元均设置PLC远程站，采用西门子公司的ET200SP远程1/0分布式架构;布袋除尘器单元、氧气制备单元、臭氧制备单元、压滤系统均采用PLC子站的方式，采用西门子公司的S7-1200中小规模系列PLC，同时，各PLC远程站和PLC子站均配套触摸屏，完成各单元的就地一体化控制。

　　在控制中心设置上位机系统，作为整个系统的人机交互界面。各PLC单元之间通过工业以太网交换机构建的工业以太网实现相互之间的通讯，同时与上位机系统进行通讯，从而实现对设备的控制和工艺参数以及设备工况状态的监视。控制系统的PLC硬件结构如图2所示。

　　4.2软件设计

　　根据控制系统的硬件设计，其软件设计主要有三方面，即PLC程序设计、触摸屏程序设计以及上位机监控程序设计。

　　(1)PLC程序设计

　　PLC程序采用西门子博途V15编程软件进行设计，在同一个项目中分别进行PLC主站、PLC远程站和PLC子站的编程，采用模块化的编程方式，按照相应的控制策略编写控制程序，实现工艺过程的数据采集、设备自动控制、参数调整和数据通讯等。

　　(2)触摸屏程序的设计

　　根据各PLC远程站和PLC子站的控制对象，分别模拟工艺流程开发相关画面，实现设备的就地一体化控制。各系统开发的画面包括：工艺流程画面、工艺参数显示画面、参数设置画面、报警画面和设备控制画面等。

　　(3)上位机监控程序设计

　　上位机监控系统作为整个控制系统的中心，完成整个烟气净化系统的运行参数和设备状态的监视、设备控制、历史记录、故障报警、趋势曲线等。上位机监控系统采用组态王V6.6进行软件开发，与PLC系统采用工业以太网进行数据通讯，主要包括以下人机交互画面：艺流程图、实时数据、历史数据、数据报表、故障报警、设备控制、参数设置等9。

　　5结束语

　　对燃煤工业锅炉烟气净化处理工艺过程中布袋除尘器、脱硝反应单元、脱硫脱硝单元、湿电除尘单元等系统的控制策略进行了详细分析，为了实现各系统的控制策略，构建了一套由上位机和PLC组成的控制系统，进行了各单元PLC硬件设计和上位机、PLC、触摸屏等软件设计。该控制系统经过一年多的应用表明，能够满足预期的工艺控制要求，且运行稳定可靠。

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