《燃煤工業鍋爐煙氣凈化控制系統的設計與應用》論文發表期刊：《自動化技術與應用》；發表周期：2021年03期

《燃煤工業鍋爐煙氣凈化控制系統的設計與應用》論文作者信息：崔東鋒(1982-），男，碩士，副研究員，從事水處理和大氣污染治理方面自動化控制的研究和設計。

　　摘要：介紹了某煤礦燃煤工業鍋爐煙氣凈化處理工藝流程，根據不同工藝段的工藝運行要求，詳細分析了工藝過程中布袋除塵器、脫硝反應單元、脫硫脫硝單元、濕電除塵單元等系統的控制策略。構建了一套由上位機和PLC組成的控制系統，闡述控制系統的各單元PLC硬件設計和上位機、PLC、觸摸屏等軟件設計。該控制系統經過一年多的應用表明，能夠滿足預期的工藝控制要求，且運行穩定可靠。

　　關鍵詞：控制系統;PLC;鍋爐煙氣;煙氣凈化

　　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，我國在用工業鍋爐約62萬臺，其中燃煤工業鍋爐約47萬臺，占工業鍋爐總數的80%以上，年消耗標準煤約4億噸，約占全國煤炭消耗總量的四分之一左右。因此，燃煤工業鍋爐在工業鍋爐中占主導地位的局面，短期內不會發生改變-，煤炭在燃燒過程中會產生大量的污染物，如SO，NOx等，是造成大氣環境污染的主要原因之一，因此，對燃燒后的鍋爐煙氣進行凈化處理是控制其污染物排放的有效途徑"。

　　某煤礦的供熱和供暖系統采用三臺蒸發量為15t/h的鏈條爐排鍋爐，為了使煙氣凈化處理后能夠達到國家《鍋爐大氣污染排放標準》(2014)和地方政府的大氣污染物排放控制要求，采用了除塵+脫硝+脫硫的聯合處理工藝，為了保證煙氣凈化系統的穩定運行，有必要根據工藝控制的要求，構建一套適用于工藝流程的煙氣凈化控制系統，以滿足工藝控制的要求和自動化控制的目的。

　　2煙氣凈化工藝流程

　　某煤礦燃煤工業鍋爐出口煙氣首先進入采用布袋除塵的除塵單元，去除煙氣中的固體顆粒物后，然后經引風機通過煙道送入脫硝反應單元，脫硝反應單元利用臭氧的強氧化性將煙氣中的低價態NOx轉換為高價態的NOx，再將煙氣送到脫硫脫硝吸收塔，在吸收塔內煙氣自下往上流動，先與噴淋層噴出的石灰石漿液進行逆流接觸反應，將煙氣中的SO2、高價態NOx、剩余的細塵等充分吸收，轉化為相應的化合物，同步脫除煙氣中的SO2和NOx，最后煙氣經過除霧器脫水除霧后進入濕電除塵器，進一步去除煙氣中的細小顆粒物和氣溶膠后至煙囪達標排放。其中，吸收塔中的石灰石漿液在經過一段時間的循環和反應后，將失去作用，此時便會排出吸收塔底部的部分石灰石漿液去壓濾單元，并利用石灰石漿液單元補充新的石灰石漿液到吸收塔，以保證反應的連續進行和脫硫脫硝的效果。燃煤工業鍋爐煙氣凈化處理工藝流程如圖1所示。

　　3工藝系統控制策略分析

　　控制系統是為整個燃煤工業鍋爐煙氣凈化處理系統的正常穩定運行服務的，因此，首先要明確工藝系統的控制策略，通過對煙氣凈化處理工藝過程進行分析，工藝系統的主要控制策略包括：除塵單元的運行參數監測、清灰和卸灰控制，脫硝反應單元的氧氣制備、臭氧制備和投加及反應系統的控制，脫硫脫硝單元的吸收塔石灰石漿液池液位、除霧器沖洗、石灰石漿液循環及排出、漿液制備和漿液補充的控制，濕電除塵系統的控制-。

　　3.1 布袋除塵器的控制策略分析每套布袋除塵器有兩個過濾室和兩個灰斗，每個過慮室設有11組布袋，每組13條，配備一套清灰裝置，每套清灰裝置上設置11個脈沖閥，利用壓縮空氣對每組的13條布袋進行清灰，清理的灰渣落入底部的灰斗，通過卸灰機排出系統。因此，布袋除塵器的運行控制主要包括運行參數監測、清灰控制和卸灰控制。

　　(1)運行參數監測主要包括進口煙氣溫度、進口煙氣流量、除塵器總壓差、灰斗料位、氣源壓力等。其中，進口煙氣溫度監測目的是防止低溫煙氣進入產生凝露和高溫煙氣進入損壞布袋，高低溫報警設定值分別為170℃和75℃

　　進口煙氣流量監測的目的控制進口閥門調節煙氣流量。

　　(2)清灰控制根據工藝需要，設有四種清灰模式，分別是定時清灰、壓差清灰、單循環清灰和手動清灰。定時清灰通過設定清灰周期，當清灰周期時間到后，自動依次開啟每組的脈沖閥，利用空氣炮中的空氣進行清灰;壓差清灰是根據檢測到的除塵器總壓差和設定壓差進行比較，當檢測值大于設定值1200Pa時，自動依次開啟每組的脈沖閥進行清灰，完成后直到下次條件滿足;單循環清灰是通過按鈕實現單次的每組的脈沖閥依次開啟清灰;手動清灰是通過設置在操作面板上的按鈕自由選擇對應倉室的脈沖閥進行清灰。

　　(3)卸料控制是通過在每個布袋除塵器的灰斗設置超高、高、低、超低料位檢測儀表，實時監測灰斗料位情況，當料位達到高限報警時，自動開啟灰斗底部的星型卸灰機進行卸灰，直到灰斗料位達到低限或超低限;當料位達到超高限報警時，應立即對卸灰系統進行檢查和排除故障。

　　3.2脫硝反應單元的控制策略分析脫硝反應單元主要包括氧氣制備系統、臭氧制備系統、投加及反應系統三部分，其中氧氣制備系統用于為臭氧制備系統提供純度大于90%的氧氣氣源，臭氧制備系統用于制備質量分數濃度為10%臭氧氣體;投加及反應系統是利用臭氧將煙氣中低價態NOx全部氧化為高價態NOx。

　　(1)氧氣制備系統的控制，在冷卻水壓、密封水液位、儀表氣源等開機調節具備的情況下，順序控制和調節閥門、水泵、風機、氧壓機等的運行狀態和運行方式，監測運行參數，進行各類故障信號的預警，實現氧氣制備系統自動化運行。

　　(2)臭氧制備系統的控制，根據設定的臭氧質量分數濃度，順序控制內循環水泵、外循環水泵、冷卻風機、臭氧發生器等設備，實時進行設備運行狀態和工藝參數的監測和調整，對各類故障進行預警，實現臭氧制備系統自動化運行。

　　(3)投加及反應系統的控制，通過監測煙氣流量和煙氣中NO的含量，實時計算臭氧的投加量，采用PID調節的方式，調節臭氧的投加量，實現臭氧對煙氣中低價態氮氧化物的全部氧化。

　　3.3脫硫脫硝單元的控制策略分析脫硫脫硝單元利用石灰石漿液作為吸收劑，對煙氣中的SO，和NO，進行吸收，將其分別轉換為溶于水的化合物，達到去除的目的。該單元主要包括吸收塔漿液池液位控制、除霧器沖洗、漿液循環及排出單元、漿液制備單元、漿液補充單元等。

　　(1)吸收塔石灰石漿液池液位的控制，正常情況下，液位控制在2.5-3.5m之間，當液位<2.5m時，通過除霧器沖洗系統進行補水，直到液位>3.5m，同時，設置4.0m和2.0m分別為高限和低限報警液位，高限報警持續不解除將進行溢流，低限報警與漿液循環泵和漿液攪拌機進行聯鎖。

　　(2)吸收塔除霧器沖洗的控制，除霧器沖洗采用定時控制和差壓控制相結合的方式，當沖洗間隔時間到或除霧器前后壓力差大于設定值時，自動進行一個循環的除霧器沖洗。除霧器自動沖洗間隔時間為2h，前后壓力差設定值為200Pa，當滿足沖洗條件時，每個沖洗過程為依次開啟每個沖洗閥門305。除霧器沖洗過程中，實時監測沖洗水流量，當沖洗水流量<20m/h發出報警。(3)石灰石漿液循環及排出單元的控制，通過監測每個噴淋層的漿液實時流量，調節漿液循環泵的運行頻率，保證各噴淋層的漿液流量滿足工藝要求;同時，通過監測循環漿液的密度值"，當漿液密度值>1150kg/m時，開啟漿液循環泵后的電動閥門，排出石灰石漿液到壓濾系統進行處理，直到漿液密度<1180kg/m時為止。(4)漿液制備單元的控制，通過實時監測制備好的石灰石漿液密度值是否達到設定值要求，自動調節石灰石漿液攪拌罐的石灰石粉與工藝水進料比例，石灰石粉的進料量通過控制雙級螺旋稱重給料機的轉速進行調節，工藝水的量通過流量計監測值調節進水閥門大小來實現，最終制備出滿足工藝要求的石灰石漿液。

　　(5)漿液補充單元主要是對吸收塔漿液池中漿液pH值進行區間控制，通過實時監測吸收塔漿液池中漿液pH值"，當漿液的pH值<5.3時，開啟漿液泵，補充石灰石漿液到吸收塔漿液池，直到pH值>5.8為止。

　　3.4濕電除塵單元的控制策略分析濕電除塵單元的控制主要包括高壓系統、水系統、熱風吹掃系統等。高壓系統采用整流變壓器或高頻電源，運行過程中實時監測設備運行參數，水系統主要是根據噴淋清洗水壓要求，采用變頻恒壓供水的方式實現，還包括補水、排水、循環水、加堿處理等環節的自動控制;熱風吹掃系統根據設定的溫度要求，按照邏輯順序控制風機、閥門、加熱器完成。

　　4控制系統的設計

　　根據前面分析的燃煤工業鍋爐煙氣凈化控制策略，構建一套與工藝相適應的控制系統，保證煙氣凈化系統的穩定可靠運行�？刂葡到y采用上位機+PLC為主的控制方式，主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。

　　4.1 硬件設計

　　結合現場工藝設備和動力設備電控中心的布置，控制系統采用PLC主站+PLC遠程站+PLC控制子站相結合的方式。其中，在動力設備電控中心設置PLC主站，采用西門子公司的S7-1500大中規模高性能系列PLC;在漿液循環泵房、漿液制備單元、工藝水單元、吸收塔單元均設置PLC遠程站，采用西門子公司的ET200SP遠程1/0分布式架構;布袋除塵器單元、氧氣制備單元、臭氧制備單元、壓濾系統均采用PLC子站的方式，采用西門子公司的S7-1200中小規模系列PLC，同時，各PLC遠程站和PLC子站均配套觸摸屏，完成各單元的就地一體化控制。

　　在控制中心設置上位機系統，作為整個系統的人機交互界面。各PLC單元之間通過工業以太網交換機構建的工業以太網實現相互之間的通訊，同時與上位機系統進行通訊，從而實現對設備的控制和工藝參數以及設備工況狀態的監視�？刂葡到y的PLC硬件結構如圖2所示。

　　4.2軟件設計

　　根據控制系統的硬件設計，其軟件設計主要有三方面，即PLC程序設計、觸摸屏程序設計以及上位機監控程序設計。

　　(1)PLC程序設計

　　PLC程序采用西門子博途V15編程軟件進行設計，在同一個項目中分別進行PLC主站、PLC遠程站和PLC子站的編程，采用模塊化的編程方式，按照相應的控制策略編寫控制程序，實現工藝過程的數據采集、設備自動控制、參數調整和數據通訊等。

　　(2)觸摸屏程序的設計

　　根據各PLC遠程站和PLC子站的控制對象，分別模擬工藝流程開發相關畫面，實現設備的就地一體化控制。各系統開發的畫面包括：工藝流程畫面、工藝參數顯示畫面、參數設置畫面、報警畫面和設備控制畫面等。

　　(3)上位機監控程序設計

　　上位機監控系統作為整個控制系統的中心，完成整個煙氣凈化系統的運行參數和設備狀態的監視、設備控制、歷史記錄、故障報警、趨勢曲線等。上位機監控系統采用組態王V6.6進行軟件開發，與PLC系統采用工業以太網進行數據通訊，主要包括以下人機交互畫面：藝流程圖、實時數據、歷史數據、數據報表、故障報警、設備控制、參數設置等9。

　　5結束語

　　對燃煤工業鍋爐煙氣凈化處理工藝過程中布袋除塵器、脫硝反應單元、脫硫脫硝單元、濕電除塵單元等系統的控制策略進行了詳細分析，為了實現各系統的控制策略，構建了一套由上位機和PLC組成的控制系統，進行了各單元PLC硬件設計和上位機、PLC、觸摸屏等軟件設計。該控制系統經過一年多的應用表明，能夠滿足預期的工藝控制要求，且運行穩定可靠。

　　參考文獻：

　　[1]劉建航，我國燃煤工業鍋爐現狀及分析J.潔凈煤技術，2017，23(4)：107-113.

　　[2]余潔，中國燃煤工業鍋爐現狀[].潔凈煤技術，2012，18(3)：89-91.

　　[3]趙欽新，楊文君，孫一睿，等.燃煤工業鍋爐污染物協同治理關鍵技術[J].工業鍋爐，2015(6)：1-9.

　　[4]張建，董天源，基于PCS7的濕法煙氣脫硫控制系統設計[J].工礦自動化，2007(3)：73-76.

　　[5]段宇，馬敏陽，李冀靜.火電廠煙氣脫硫控制系統的分析與設計J.能源與環境，2015(2)：70-72.

　　[6]陳志強，傅鉤，劉衛華，劉曉玲，煙氣脫硫系統控制策略[J].水電力機械，2007(6)：9-11，15.

　　[7]何濤.300MW機組煙氣脫硫控制系統設計[J].自動化技用，2011，30(6)：98-100，104.

　　[8]吳明永，李菊生，王國偉，張銳，煙氣脫硫控制系統的設計及應用[J].工業儀表與自動化裝置，2017(5)：44-47，96.