小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李計(jì)珍

（北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司，北京 100142）

環(huán)境污染已成為全球矚目的問(wèn)題，嚴(yán)重威脅到人類的生活，沒(méi)有經(jīng)過(guò)達(dá)標(biāo)排放的污染物排放到大氣中是引起大氣污染最主要的原因之一。SO2和NOx未經(jīng)過(guò)達(dá)標(biāo)排放是造成環(huán)境污染的重要因素，使得我國(guó)的生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。我國(guó)目前燃煤煙氣脫除SO2和NOx的技術(shù)已經(jīng)逐步走向運(yùn)行經(jīng)濟(jì)和高效發(fā)展的成熟階段實(shí)現(xiàn)了眾多企業(yè)超低排放目標(biāo)。但在環(huán)保政策的驅(qū)動(dòng)下，需對(duì)脫硫脫硝工藝技術(shù)路線不斷創(chuàng)新，對(duì)工藝系統(tǒng)智能控制的應(yīng)用不斷加強(qiáng)與完善，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中把污染排放降至更低的要求。常規(guī)的脫硫脫硝系統(tǒng)控制中，SO2和NOx的脫除方式一般將其進(jìn)行分開(kāi)處理。本一體化裝置在工藝流程系統(tǒng)中SO2和NOx的脫除方式是在混合器中同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)控制循環(huán)物料的給定量和不同區(qū)間段的反應(yīng)溫度來(lái)達(dá)到污染物的脫除效率。

1 小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置系統(tǒng)工藝流程

1.1 工藝系統(tǒng)組成

小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置系統(tǒng)主要由原煙氣增壓風(fēng)機(jī)煙氣流量輸入調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；煙氣電加熱溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；物料提升、儲(chǔ)倉(cāng)攪拌機(jī)及螺旋給料輸送系統(tǒng)；除塵回收雙螺帶混合及螺旋稱重給料輸送系統(tǒng)；物料研磨混合器系統(tǒng)，物料輸送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；氨水霧化流量輸入控制系統(tǒng)；混合反應(yīng)器催化反應(yīng)控制系統(tǒng)；煙氣降溫除塵器系統(tǒng)，降溫除塵器冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)；煙氣布袋除塵系統(tǒng)；凈煙氣引風(fēng)機(jī)煙氣流量輸出調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；氨逃逸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；CEMS分析在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；遠(yuǎn)傳儀表數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)述

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中低溫原煙氣通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)煙氣流量輸入變頻調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的標(biāo)況流量；通過(guò)煙氣電加熱溫度PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)所需要的物料催化反應(yīng)溫度。與此同時(shí)通過(guò)物料提升、儲(chǔ)倉(cāng)攪拌機(jī)及螺旋給料輸送系統(tǒng)；除塵回收雙螺帶混合及螺旋稱重給料輸送系統(tǒng)；將系統(tǒng)催化反應(yīng)所需物料送入物料研磨混合器系統(tǒng)；物料經(jīng)過(guò)研磨混合器系統(tǒng)粒徑大小的輸出控制，將系統(tǒng)所需物料通過(guò)物料輸送風(fēng)機(jī)設(shè)定的給定量均勻送入混合反應(yīng)器控制系統(tǒng)。與此同時(shí)氨水霧化流量輸入控制系統(tǒng)；通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需霧化氨水量與進(jìn)入的煙氣混合，混合后的煙氣與物料同時(shí)進(jìn)入混合反應(yīng)器控制系統(tǒng)；進(jìn)行低溫催化反應(yīng)。經(jīng)過(guò)催化反應(yīng)后，煙氣中的污染物得到了高效脫除，導(dǎo)致混合反應(yīng)器出口煙氣溫度升高，進(jìn)一步通過(guò)煙氣降溫除塵器系統(tǒng)，降溫除塵器冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)；將催化反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有反應(yīng)的物料進(jìn)行回收，進(jìn)一步通過(guò)煙氣布袋除塵系統(tǒng)；將煙氣中攜帶的粉塵物料進(jìn)行回收。除塵回收后的物料與霧化氨水通過(guò)雙螺帶混合系統(tǒng)進(jìn)行混合，混合后的物料最終送入物料研磨混合器系統(tǒng)。進(jìn)一步通過(guò)凈煙氣引風(fēng)機(jī)煙氣流量輸出變頻調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；使得布袋除塵器中的布袋壓差在合理的區(qū)間上運(yùn)行，使得系統(tǒng)阻力在安全的范圍內(nèi)運(yùn)行。氨逃逸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)監(jiān)測(cè)出口凈煙氣中NH3的含量來(lái)控制氨水霧化的流量。CEMS分析在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)監(jiān)測(cè)出口凈煙氣中SO2、NOx、O2含量來(lái)計(jì)算分析煙氣中污染物的脫除效率，通過(guò)實(shí)時(shí)分析出口煙氣中的污染物數(shù)據(jù)是否滿足超低排放的要求。遠(yuǎn)傳儀表數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)整個(gè)裝置系統(tǒng)中的流量、溫度和壓力等運(yùn)行參數(shù)來(lái)確保工藝系統(tǒng)中設(shè)備穩(wěn)定、可靠且高效運(yùn)行。

1.3 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程圖（圖1）

圖1 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程圖

2 小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統(tǒng)

2.1 智能控制系統(tǒng)組成

小型低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統(tǒng)主要由集中監(jiān)控中心和智能終端控制單元構(gòu)成，集中監(jiān)控中心通過(guò)實(shí)時(shí)冗余工業(yè)以太網(wǎng)與各個(gè)智能終端控制單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

集中監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器系統(tǒng)、工程師兼遠(yuǎn)程操作站系統(tǒng)、操作員站系統(tǒng)、打印機(jī)、Web遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng)、防火墻系統(tǒng)和云端操作系統(tǒng)構(gòu)成。

智能終端控制單元由增壓、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制單元；入、出口流量系統(tǒng)計(jì)算單元；電加熱器系統(tǒng)控制單元；物料、冷卻及回收系統(tǒng)控制單元；氨逃逸、CEMS系統(tǒng)采集單元；遠(yuǎn)傳儀表系統(tǒng)采集單元構(gòu)成。

2.2 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接流程圖（圖2）

圖2 低溫催化脫硫脫硝一體化裝置智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接流程圖

2.3 集中監(jiān)控中心系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)控中心系統(tǒng)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，匹配相應(yīng)的操作系統(tǒng)和服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)各部分協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)共享，共同完成各種自動(dòng)控制和信息管理功能。系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從上至下分別是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)ENet、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)IoT、控制網(wǎng)絡(luò)TCP，不同網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)不同層次和不同規(guī)模的控制和管理任務(wù)。這種分層結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和效率，使系統(tǒng)配置更為靈活，更適用于各種控制和管理場(chǎng)合。同時(shí)集控系統(tǒng)支持云端物聯(lián)網(wǎng)，可以與其他系統(tǒng)一起組成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)體系。

內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是控制系統(tǒng)連接工程師兼遠(yuǎn)程操作站、操作員站和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器等節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)是基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)，為設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供監(jiān)控業(yè)務(wù)、平臺(tái)和技術(shù)方案，輕松應(yīng)對(duì)設(shè)備協(xié)議復(fù)雜多樣性、業(yè)務(wù)的多態(tài)性、需求的多變性，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的全面感知、動(dòng)態(tài)傳輸和實(shí)時(shí)分析，形成科學(xué)決策與智能控制。

控制網(wǎng)絡(luò)是控制站內(nèi)部使用的冗余實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制站內(nèi)部的I/O模件和控制模件之間的互聯(lián)和信息傳遞。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站及其相互之間的數(shù)據(jù)傳遞，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。

2.4 集中監(jiān)控中心組態(tài)部分設(shè)計(jì)

為了能夠方便操作人員更加直觀、準(zhǔn)確地完成低溫催化脫硫脫硝一體化裝置工藝流程控制，讓操作人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行中的每個(gè)控制環(huán)節(jié)，在界面設(shè)計(jì)中，采用分布式組態(tài)切換模式，將其應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境、維護(hù)升級(jí)改造融為一體。

在開(kāi)發(fā)界面設(shè)計(jì)及布局中，著重地設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)運(yùn)行工藝流程畫(huà)面，各個(gè)智能終端控制單元設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面，數(shù)據(jù)報(bào)表記錄畫(huà)面，歷時(shí)曲線畫(huà)面，報(bào)警記錄等畫(huà)面。

2.5 智能終端控制單元設(shè)計(jì)

2.5.1 增壓、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制單元

增壓（F-1）、引風(fēng)機(jī)（F-2）系統(tǒng)控制單元由PLC控制器與風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行Modbus通訊連接，通過(guò)HMI組態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率。

步驟一：初始化參數(shù)設(shè)置，奇偶校驗(yàn)應(yīng)設(shè)置為與Modbus從站設(shè)備的奇偶校驗(yàn)相匹配，所有設(shè)置使用一個(gè)起始位和一個(gè)停止位。

步驟二：設(shè)置Modbus從站設(shè)備的地址，從站設(shè)備為變頻器，設(shè)置通訊地址允許范圍為0至247。

步驟三：變頻器與PLC經(jīng)過(guò)Modbus通訊連接完成后，通過(guò)HMI組態(tài)系統(tǒng)寫(xiě)入控制變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、頻率設(shè)定指令，通過(guò)讀取指令采集變頻器的運(yùn)行頻率、電流、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

2.5.2 入、出口流量系統(tǒng)計(jì)算單元

入、出口流量系統(tǒng)計(jì)算單元由PLC控制器采集模塊與原煙氣入口、凈煙氣出口管道上安裝的遠(yuǎn)傳溫度變送器（TI）、壓力變送器（PI）、差壓變送器（FI）經(jīng)過(guò)4～20 mA信號(hào)連接，PLC控制器將采集數(shù)據(jù)代入流量計(jì)算公式，所得出的標(biāo)況流量通過(guò)HMI組態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、記錄和分析。

入口煙氣流量設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下

標(biāo)況流量為

式中：ρs為入口煙氣工況下濕煙氣密度，kg/Nm3；ρn為入口煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕煙氣密度，kg/Nm3；Vs1為入口煙氣平均流速，m/s；Qsn為入口煙氣標(biāo)況流量，Nm3/h；Kv為速度場(chǎng)系數(shù)；F為入口煙道截面積，m2；FI1為入口煙氣流量差壓測(cè)量變送器，Pa；Ba為當(dāng)?shù)卮髿鈮褐?，Pa；TI1為入口煙氣溫度測(cè)量變送器，℃；PI1為入口煙氣壓力測(cè)量變送器，Pa；Xws為煙氣濕度，%；本計(jì)算模型中，Kv=1，ρn=1.229 kg/Nm3，Xws=6%。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》；HJ/T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》。

2.5.3 電加熱系統(tǒng)控制單元

電加熱系統(tǒng)控制單元由三相全隔離一體化交流調(diào)壓模塊通過(guò)模擬PID進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，調(diào)壓模塊采用集成電路設(shè)計(jì)，內(nèi)部集三相移相觸發(fā)電路、單向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體，可自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)以改變負(fù)載上的電壓，從而調(diào)節(jié)三相輸出功率。即在輸入控制作用下，產(chǎn)生三相可改變導(dǎo)通角的強(qiáng)觸發(fā)脈沖信號(hào)再去分別控制內(nèi)部可控硅，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載電壓從零伏到全電壓的無(wú)級(jí)可調(diào)。

在電加熱控制系統(tǒng)中，最常用的控制規(guī)律是PID控制。工作原理如圖3所示，電加熱器溫度給定值N0（T）與實(shí)際溫度反饋值N（T）進(jìn)行比較，其差值E（T）=N0（T）-N（T），經(jīng)過(guò)PID控制模塊調(diào)整后輸出電流控制信號(hào)I（T），I（T）通過(guò)電流信號(hào)控制交流調(diào)壓模塊輸出功率P（T），P（T）驅(qū)動(dòng)電加熱器工作來(lái)改變系統(tǒng)溫度。

圖3 電加熱器溫度控制系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)本智能終端控制系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試完成后，進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析與校核，進(jìn)而確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足控制的要求，通過(guò)對(duì)比手動(dòng)數(shù)據(jù)分析計(jì)算與系統(tǒng)在線自動(dòng)分析計(jì)算，證明控制邏輯流程及輸出數(shù)據(jù)符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文按照控制的邏輯順序?qū)煔獾蜏卮呋摿蛎撓跻惑w化裝置系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，闡述了系統(tǒng)的工藝流程、控制過(guò)程及控制架構(gòu)，介紹了系統(tǒng)中各個(gè)智能終端控制單元的作用，在滿足系統(tǒng)設(shè)備操作要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的無(wú)縫切換。還有一些問(wèn)題需要在以后的技術(shù)升級(jí)改造中逐步完善和優(yōu)化，流量、溫度都是通過(guò)PID算法進(jìn)行精度控制，另外在組態(tài)界面中增加三維立體動(dòng)態(tài)模擬仿真畫(huà)面，提供更加清晰直觀的監(jiān)控效果。

本一體化裝置控制系統(tǒng)，通過(guò)低溫?zé)煔馀c物料的混合催化反應(yīng)，充分保證氣固反應(yīng)的停留時(shí)間，對(duì)原煙氣中的污染物進(jìn)行了徹底處理，對(duì)催化物料的給定量進(jìn)行精確控制，同時(shí)節(jié)約資源且避免了二次污染物的產(chǎn)生。