小型SCR煙氣脫硝微機自動控制系統研究

韋　娟，昝小舒

（1.江蘇財經職業技術學院，淮安 223003；2.中國礦業大學，徐州 221008）

小型SCR煙氣脫硝微機自動控制系統研究

韋娟1，昝小舒2

（1.江蘇財經職業技術學院，淮安 223003；2.中國礦業大學，徐州 221008）

隨著環境問題的日益嚴重，國家對各種鍋爐的排放要求越來越高。針對小型燃煤鍋爐，提出一種SCR煙氣脫硝微機自動控制系統的設計方案和具體的實驗平臺。首先對SCR煙氣脫硝微機自動控制系統的硬件系統進行了設計，其中具體有系統的上位機觸摸屏監控系統的設計、下層單片機控制模塊的設計、Modbus通信方式的設計以及整個實驗平臺的設計；其次，對SCR煙氣脫硝微機自動控制系統的軟件系統進行了設計，主要包括系統的主流程、通信系統子程序、噴氨控制子程序等設計；最后采用仿真的方式，對系統提出的控制方案進行了脫硝仿真實驗，實驗結果驗證了提出方案的可行性。提出的控制系統的軟硬件設計方法可以有效的完成NOx排放濃度的控制，減少氨氣的使用量，降低脫硝運行成本，具有較好的實際研究意義與推廣應用價值。

SCR；自動控制系統；觸摸屏監控；Modbus

0　引言

近年來，隨著霧霾越發頻繁，人們對環境污染問題越來越重視，國家也頒布了多項法令政策來嚴格控制有害污染物的排放［1］。NOX是大氣中的主要污染物之一，超過大半的NOX都是人為排放的，尤其是各類化石燃料的燃燒引起的。火電廠是燃煤大戶，隨著經濟的發展，各行各業對電力的要求越來越高，火電廠的排放也越來越多。因此，國家首先對大型火電廠的NOX排放提出排放要求，大型火電廠對NOX的控制越來越重視，通過各種途徑來減少NOX的排放［2，3］。目前的得到應用的脫硝技術主要有二種：一是采用低NOX燃燒技術，降低爐內的NOX生成量；二是在煙道尾部加裝脫硝裝置，把排放中的NOX轉變為無害的氮氣或有機肥料。前者對降低NOX功能有限，一般只能降低20%左右，且會影響鍋爐的熱效率，使得不完全燃燒熱損失增加。目前大部分火電廠中主要采取的脫硝技術是選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）方法。SCR技術主要通過在煙氣尾部加裝脫硝裝置，利用還原劑NH3與NOX反應生成無害的N2和H2O，其脫硝效率可以達到百分之八十以上，其改造成本低和脫硝成效好，對于目前的各類火電廠都適應［4，5］。目前，普遍應用的SCR技術仍存在著以下一些不足：首先，目前的SCR脫硝控制主要都是針對大型火電企業的改造技術，其規模大、成本高、整套系統復雜程度高［6］，基本可以與火電廠DCS相互連接，而對于目前數量仍然不少的中小型火電或者各種功能的燃煤鍋爐來說，并沒有十分合適的脫硝控制設備，隨著國家對排放的要求越來越嚴格，這些小型鍋爐的排放如果不達標，在不久的將來必定會被淘汰，因此小型鍋爐的高性價比的脫硝控制是十分必要的；其次，目前大型火電廠的脫硝技術不一定適合小型鍋爐的脫硝控制，大型鍋爐主要通過DCS的數據采集、處理和控制，其過程復雜、技術難度高，而對于小型鍋爐來說，小型化、低成本、高成效的脫硝控制技術是其必然的選擇。

本文從實際應用出發，針對目前數量眾多的沒有完善脫硝手段的小型燃煤鍋爐，參考大型鍋爐的SCR脫硝技術，采用高性價比的微處理器和觸摸屏對小型SCR煙氣脫硝計算機自動控制系統進行了研究。

1　SCR脫硝原理

SCR脫硝技術的原理是采用適當的催化劑，在一定溫度下，利用NH3將煙氣中NOX還原成N2和H2O，具體的反應公式如式（1）和式（2）所示［5，7］。

SCR脫硝系統的具體流程如圖1所示，整個系統由液氨存儲罐、液氨氣化器、液氨調節閥、風機、氨氣混合器、氨氣調節閥、噴氨器、SCR反應器、催化劑等部分組成。液氨存儲罐里面的液氨經過液氨氣化器變成純氨氣，然后通過調節閥調節其流出的流量大小；純氨氣在氨氣混合器里面和空氣充分混合形成一定濃度的氨氣，通過氨氣調節閥調節其流出的濃度，并送入SCR反應器里面的噴氨器，然后將氨氣噴出；鍋爐燃燒產生的煙氣通過省煤器然后進入到SCR反應器的入口，煙氣在SCR和氨氣混合流經催化劑的時候產生化學反應，并生成了無害的N2和H2O，最后煙氣通過出口排出。從過程原理圖可以知道，SCR脫硝技術的關鍵是控制煙氣與氨氣混合氣體的比例，隨著煙氣流量的變化，必須控制氨氣相應的變化，使得氨氣和煙氣反應始終保持一致，這就對SCR脫硝控制系統的控制方法和控制精度提出了較高的要求。如果氨氣的流量不夠，煙氣中的NOX去除就不完全，脫硝效果達不到；如果氨氣的濃度過大，雖然煙氣中的NOX可以完全反應掉，但是在出口煙氣中會殘留氨氣導致二次污染，同時過量的氨氣會同煙氣中的SO3反應生成硫酸氫氨和硫酸氨，會堵塞催化劑的表面，降低催化劑活性。

圖1　SCR脫硝的過程原理圖

2　系統硬件設計

本文設計的SCR脫硝微機自動控制系統主要為中小型鍋爐而設計，而中小型鍋爐目前一般都沒脫硝裝置，一個很大的原因就是因為目前的脫硝系統主要為大型火電廠而設計，一般都采用DCS系統，其結構復雜、價格昂貴［6］。本文從實際小型鍋爐出發，采用低成本、高性價比的監控系統，意在開發出一套行之有效的小型SCR脫硝微機自動控制系統。

因此，經過綜合比較了PLC、DCS等多種控制系統之后，決定采用高性能的STC15系列單片機作為底層控制模塊的處理器；同時相對于價格較為昂貴的工控機，本系統采用目前較為流行的工控觸摸屏作為上位機處理系統。SCR控制系統原理框圖如圖2所示，上位機采用觸摸屏系統，通過485通信模塊與底層的微機控制模塊相聯系，根據系統的復雜程度，可以增加或者減少底層微機控制模塊的數量。上位機觸摸屏系統負責完成整個監控系統的狀態顯示，與下位機微機控制模塊進行通信，對鍋爐各個位置的狀態參數進行實時監控，完成數據的動態波形顯示、各個參數的高低限值設定與報警功能、各個閥門的自動調節與控制等功能；微機控制模塊主要接受上層觸摸屏發來的各種命令，并完成各種數據的采集與分析、控制各種閥門的狀態、在故障或者超限情況下進行報警等功能。

圖2　SCR脫硝控制系統框圖

2.1觸摸屏系統設計

本文中上位機觸摸屏系統采用的是威綸通公司的TK6070IP型號的7寸觸摸屏。該觸摸屏采用分辨率達到800×480的TFT LCD、4線模擬電阻式觸控面板、Flash為128M、內存64M、處理器為32Bit RISC CPU 400MHz、具有232和485通信接口、功能強能耗低，通過專門的EB8000軟件可以完成各種工控監控系統的開發。通過EB8000軟件開發的小型脫硝計算機自動監控主界面如圖3所示。其中包括了整個SCR控制系統的結構示意圖，各個部分參數的顯示，各個閥門開度的顯示等功能。

圖3　小型脫硝自動控制系統監控主界面

圖4所示為氨氣調節單獨控制界面，SCR運行的時候既可以自動根據煙氣的流量和濃度對液氨以及氨氣的濃度和流量進行調節，也可以手動對液氨以及氨氣的濃度和流量進行調節。本設計中可以對液氨流量、氨氣流量和空氣流量分別進行調節閥的控制，以獲取適合SCR反應的氨氣流量和濃度。

圖4　氨氣流量調節閥控制界面

圖5為SCR系統中各個運行參數的實時顯示界面，從下層控制模塊傳來的各個流量、溫度、壓力等系統運行參數可以在圖5中的顯示模塊中顯示。該顯示模塊可以調節時間軸，可以記錄不同時間軸的參數變化情況，方便運行監控人員對主要運行參數的實時監控以及歷史數據的回看。

圖5　各運行參數狀態顯示界面

圖6為系統控制的輸入輸出IO口的監控與測試界面，底層控制模塊除了各個傳感器的AD輸入數據采集和DA輸出控制之外，還可以進行開關量的輸入輸出控制，其中界面左側是輸入IO接口，對于各個開關量進行輸入狀態的顯示，右側是輸出開關量的實時顯示和測試界面，可以手動進行測試。

圖6　輸入輸出IO口監控測試界面

2.2底層微機控制模塊設計

底層微機控制模塊是整個SCR監控系統的控制基礎，觸摸屏顯示的各個參數的狀態和發出的各個指令都需要底層微機控制模塊的準確響應。本系統中從高性價比出發，采用STC15系統單片機作為底層控制模塊的處理器。其中STC15系列單片機是宏晶科技公司出品的一款1T時鐘的8051單片機，其運行速度快、具有大容量的存儲空間和SRAM空間，具有8路10位高速AD接口和三路PWM輸出接口，6個定時器、看門狗等擴展功能，其性能強大價格低廉，十分適合作為SCR控制系統的底層控制模塊的核心處理器。底層微機控制模塊具體的原理結構如圖7所示，單片機的AD接口可以處理SCR現場各種傳感器的信號，如：流量信號、壓力信號、溫度信號等；單片機的PWM接口可以輸出線性可調的0～5V的輸出電壓，通過轉換可以變成0～10V的標準輸出電壓信號，可以對線性調節閥進行控制；單片機的普通IO口通過光電轉換可以控制輸入輸出繼電器，對各種外設的開關信號進行檢測和對各種開關閥門進行控制。單片機的串口采用485模塊可以與上層觸摸屏控制系進行互聯。

圖7　底層微機控制模塊原理圖

圖8為底層控制模塊的實物圖，其左邊是輸入接口包括AD輸入和IO開關量輸入，右邊是輸出接口包括DA輸出和IO開關量輸出，下面是通信接口，普通的IO接口都設計有LED顯示，方便使用者觀察。

圖8　底層微機控制模塊實物圖

2.3Modbus通信接口設計

Modbus協議是一種目前被大部分數據采集與監控系統支持的通信協議，是一種通用工業標準［8，9］。Modbus通信協議一般只有一個主設備，其余的為從設備。主設備發起通信，從設備進行應答，不同的從設備都有相應的地址，以方便區分。Modbus的主從通信過程如圖9所示。首先主設備發起通信，輸出需要查詢的從設備的地址，然后輸出功能代碼確定需要執行的命令，然后輸出想要的命令數據，最后進行數據的校驗以保證通信的正確性；從機同樣查詢命令如果主機查詢的是本從機則進行應答，輸出設備地址，輸出功能代碼以及數據，最后進行驗證，主機收到從機的數據本次通信結束。

圖9　Modbus通信主從查詢應答方式

標準的Modbus通信協議一般有兩種數據傳輸模式：ASCII（美國標準信息交換代碼）模式和RTU（遠程終端單元）模式。本文采用的RTU（遠程終端單元）模式，具體的數據格式如表1所示。

表1　RTU 方式的數據格式

2.4系統實驗平臺

圖11為具體的小型SCR控制系統實驗平臺，其中，包括了上位機觸摸屏控制系統、一塊底層模塊控制器、線性可調閥門、電動開關閥門、模擬信號輸入等設備。

圖11　小型SCR噴氨控制系統

3　系統軟件設計

設計完系統的硬件結構以后，系統需要相應的軟件支撐，具體的軟件流程如圖10所示。主控觸摸屏開機以后首先進行系統的自我檢查與參數的初始化流程，確認無誤后等待命令。當系統啟動命令到來之后，首先對系統運行參數進行初始化，獲取整個系統運行的具體各個參數初始值，然后調研右側的主從機通信子程序；然后向從機發送查詢命令，獲得各個從機的運行狀態和監測數據；主機綜合各個從機的數據之后，進行SCR具體的控制參數計算，并將這些計算結果進行數據更新與從機的控制，如果數據出現報警或者超限，得運行報警處理程序，否則將繼續進行從機的數據查詢循環程序。

圖10　系統軟件流程圖與從機查詢子程序

圖12　噴氨控制子程序

噴氨控制子程序如圖12所示，首先進行計算參數的

【】【】初始化，然后獲取實際設定的目標NOX，并將根據目標NOX濃度數據傳到下層控制模塊中，通過一段時間的等待，再次獲取下層控制模塊測量的NOX濃度，判斷各個底層模塊是否達到控制要求，如果沒有達到控制要求，將重新調整底層控制模塊的相應的噴氨頭的開度，直到整個實際的NOX濃度濃度在目標NOX濃度范圍之內。一旦整個SCR脫硝系統受到鍋爐燃料的影響出現偏差，得SCR控制器將及時調整噴氨系統以滿足控制要求。

4　系統仿真實驗

為驗證本文設計的控制方法的性能，以噴氨脫硝系統為對象進行了階躍響應仿真實驗，如圖13所示，入口煙氣NOX濃度發生了12%的突變，SCR控制系統產生控制效果，可以看出來出口煙氣的NOX濃度出現5%左右的跳板，然后經過了3S時間的調節，將出口煙氣的NOX濃度控制在3%以下。因此，本系統設計的控制方法可以在較短的時間內，對入口煙氣的NOX濃度進行有效的控制。

圖13　小型SCR控制系統控制仿真結果

5　結論

本文根據小型燃煤鍋爐的運行特性與排放要求，提出了一種微機自動控制系統的設計方案。首先，對SCR脫硝微機系統進行了軟硬件方面的設計，采用觸摸屏設計了上位機監控軟件、采用高性能單片機設計了下層控制模塊、采用Modbus通信協議設計了主從通信方式，并完成了實驗平臺的搭建與測試。最好采用軟件仿真的方式，對提出的控制方案就行了仿真實驗，結果表明了提出方案的可行性和正確性。本文提出的小型鍋爐脫硝微機自動控制系統可以有效的完成NOX排放濃度的控制，減少氨氣的使用量，降低脫硝運行成本，具有較好的實際研究意義與推廣應用價值。

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An small SCR flue gas denitration automatic control system study based on the microcomputer

WEI Juan1，ZAN Xiao-shu2

TM352

A

1009-0134（2016）09-0004-06

2016-04-07

韋娟（1981 -），女，講師，工程師，碩士，主要從事計算機仿真和教學研究工作。