CN114870626A - 一种喷氨脱硝控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷氨脱硝控制系统及方法,属于烧结生产技术领域,包括实时数据显示模块、喷氨模型计算模块、历史数据模块、预警信息设置模块、后台服务写入模块。本发明从OPC直接获取实时数据,降低了内存的压力,实时曲线以及历史曲线的选择都是从时序数据库中读取,高并发写入,降低网络开销,节省存储空间;采用基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,主要根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,前后端结合使模型进一步优化;以计算机数据处理技术为依托,精确度高,速度快,检测效率高,能够实时处理,并将数据存入数据库中,方便查找,并且无物料的消耗,极大的减少了人力物力的消耗,降低了操作人员过于对经验的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及烧结生产技术领域,具体涉及一种喷氨脱硝控制系统及方法。
背景技术
烧结工序烟气排放的SO2和NOx分别占钢铁企业排放总量的70%和48%。为了达到国家对烟气SO2和NOx的排放标准,必须对烧结烟气进行脱硫和脱硝处理。目前广泛采用的烧结烟气脱硫和脱硝工艺为活性炭烟气净化系统,工艺装备主要包括活性炭吸附塔和解析塔。活性炭吸附塔用于从烧结烟气中吸附包括硫氧化物、氮氧化物和二噁英在内的污染物,而解析塔用于活性炭的热再生。活性炭法脱硫具有脱硫率高,可同时实现脱硫、脱硝、除尘和不产生废水废渣等优点,是极有前景的烟气净化方法。
在吸附塔喷入一定量的氨气,氨气与氮氧化物在一定温度下进行化学反应,产生氮气和水,从而达到脱硝的目的。为了达到系统脱硝标准以及烟气出口的氨气逃逸值符合国家的环保标准,需对系统喷氨量进行合理控制。目前是由操作人员根据自身经验手动调节喷氨量的大小,具体为操作人员凭经验手动多次修改喷氨量目标值,直到脱硝效果达到环保要求为止。手动调节对操作人员的个人素质如经验或责任心要求较高,因此可靠性较差,系统操作人员很难调节到最佳喷氨量从而导致无法达到理想的脱硝效果,喷氨量过多造成氨的浪费,增加运行成本,甚至带入空气引起二次污染,而喷氨量不够则无法达到预期的脱硝效果。上述问题亟待解决,为此,提出一种喷氨脱硝控制系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:如何解决当前喷氨控制对操作人员过于依赖经验、容错率低的问题,提供了一种喷氨脱硝控制系统,通过喷氨量多参数计算模型,计算出喷氨量目标值,喷氨量的调节由计算机自动控制比传统方式更加及时、科学和合理,达到减少液氨使用量3-5%的要求,实现控制出口NOx浓度在50mg/m3以内的目标。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的,本发明包括实时数据显示模块、喷氨模型计算模块、历史数据模块、预警信息设置模块、后台服务写入模块;
所述实时数据显示模块,用于展现从OPC读取的实时数据;
所述喷氨模型计算模块,用于通过喷氨模型计算出最佳氨气流量、最佳氨气阀门开度、出口NOx浓度计算值;
所述历史数据模块,用于查看各类变量的历史曲线,包括入口NOx浓度、氨气阀门开度、出口NOx浓度、烟气流量、烧结机速等变量的历史曲线;
所述预警信息设置模块用于设置预警信息的上下限,当喷氨模型监测到变量不在预警信息设置的上下限时提出预警;
所述后台服务写入模块,用于将喷氨模型计算模块计算得出的值写入OPC和时序数据库。
更进一步地,在所述实时数据显示模块中,OPC读取的实时数据入口NO浓度、入口NO2浓度、入口O2浓度、出口NO浓度、出口NO2浓度、出口O2浓度、烟气流量、烟气温度、空氨混合气氨气浓度等数据。
更进一步地,在所述喷氨模型计算模块中,根据入口NO浓度、入口NO2浓度、烟气流量、烟气温度、喷氨点烟气温度、空氨混合气氨气浓度等历史数据与出口烟气中NOx浓度历史数据的关系,通过后馈的吸附塔的出口NOx浓度,计算喷氨量修正值q1,得到喷氨量实际值:
Q=Q1+q1
其中,Q为喷氨量实际值,Q1表示喷氨量理论值;
更进一步地,在所述喷氨模型计算模块中,所述喷氨模型为基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
SO2+NH3+H2O→NH4HSO3
SO2+2NH3+H2O→(NH4)2SO3。
更进一步地,所述喷氨脱硝控制系统的入口烟气NOx浓度、入口烟气SO2浓度、入口烟气O2浓度、入口烟气含水率、入口烟气标况流量、入口烟气温度、入口烟气压力的历史数据进行基于SCR脱硝反应的建模分析,得到:
2*X/3*NH3+NOx→(1/3+1/2)*N2+X*H2O
其中,1≤X<2,X为入口烟气中NOx的含氧系数。
更进一步地,所述喷氨脱硝控制系统对吸附塔的出口NOx浓度计算时将实测值和折算值进行换算,所述控制系统的监测目标以折算值为准,实测值和折算值的计算关系为:
其中,C基是大气污染物基准排放浓度,单位是mg/m3;O实是实测的干烟气中含氧量百分率,单位是%;C实是实际排气筒中大气污染物排放浓度,单位是mg/m3。
更进一步地,所述喷氨脱硝控制系统根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO计算得出每小时氨气的反应量为:
PA44=PA25*PA30/100
PA45=PA52*(PA25*PA30/100-30/46*PA33*PA40/100)
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA33是出口NOx浓度,单位是mg/m3;
PA40是出口标况流量,单位是Nm3/h;
PA44是入口烟气NO的总量,单位是mg/m3;
PA45是入口烟气中NO消耗的总量,单位是mg/m3。
再根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO2计算得出每小时氨气的反应量:
PA46=(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
PA48=17/23*(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA26是入口烟气NO2的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA46是入口烟气NO2的总量,单位是mg/m3;
PA48是入口烟气中NO2消耗的总量,单位是mg/m3。
所述喷氨脱硝控制系统根据得到的每小时氨气的反应量计算得到NOx的脱除率:
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA33是出口烟气中NOx的浓度,即出口NOx浓度,单位是mg/m3;
PA71是NOx的脱除率,单位是%。
更进一步地,在所述喷氨模型计算模块中,保持空气阀门最大,控制氨气阀门变化,可以尽可能的节省资源;其中氨气阀门开度是基于喷氨量变化而变化:
PA06=k*(Q-Q0)+q0
其中,PA06是阀门开度,Q为喷氨量实际值,Q0表示上一次记录的喷氨量,k为喷氨系数,q0为计算阀门开度修正值;阀门开度是2分钟计算一次,而数据采集是10秒一次,所以采集数据选择每两分钟选取一次均值。
更进一步地,在本控制系统中,将实时数据以及计算得出的数据同时显示在界面中,通过曲线图,对实时数据的波动有详细的了解。其中左侧主要显示的是实时数据,上侧主要将计算值和实测值进行比较。计算值是根据实测值不断变化的,需要对实测值首先进行降噪处理,异常值分析等数值分析,再建立模型输入相应变量,得出输出值,再对模型输出值进行控制,得出最后的计算值。右侧按钮点击可以打开历史数据的界面,选择任意参数查看任意时间段的曲线。所有模块都是实时更新的,用户可以选择对应模块区域了解想要知道的内容。
更进一步地,在所述预警信息设置模块中,预警信息可以根据不同的入料、不同的要求进行修改,其中主要修改的变量分为:氨气阀门开度计算值上限、氨气阀门开度计算值下限、氨气缓冲罐压力上限、氨气缓冲罐压力下限、氨空比上限、氨气切断阀不处于开状态限值、鼓风机电流C401a/C401b下限、烧结机机速下限和氨空混合气流量下限这9个重要变量。
更进一步地,所述控制系统还包括异常告警信息模块,异常告警信息分为网络异常、死机断网等不可控现象和预警信息中变量超过或者低于设定值的两种情况;针对网络异常、死机断网这类不可控现象,采用一个心跳点的变量当心跳点不变之时,就表明出现此类问题,针对预警信息中变量超过或者低于设定值这类情况,在系统右上角会以红色字体显示出告警信息,并且在主界面显示出告警信息。
本发明还公开了一种喷氨脱硝控制方法,利用上述的控制系统实现喷氨脱硝控制,具体包括以下步骤:
S1:从OPC读取实时数据,并将实时数据显示在界面中;
S2:通过SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,得出喷氨量的理论值;
S3:基于出口氧气浓度,将出口烟气中NOx浓度的实测值转化成折算值;
S4:对喷氨量的理论值进行修正,得出实际值;
S5:保持空气阀门全开的情况下,基于喷氨量实际值的变化而改变氨气阀门开度。
本发明相比现有技术具有以下优点:该喷氨脱硝控制系统及方法,从OPC直接获取实时数据,降低了内存的压力,实时曲线以及历史曲线的选择都是从时序数据库中读取,高并发写入,降低网络开销,节省存储空间;采用基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,主要根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,前后端结合使模型进一步优化;以计算机数据处理技术为依托,精确度高,速度快,检测效率高,能够实时处理,并将数据存入数据库中,方便查找,并且无物料的消耗,极大的减少了人力物力的消耗,降低了操作人员过于对经验的依赖,方便人员对现场喷氨脱硝情况的了解,提高了经济效应;界面显示和设置处于前台,操作人员可以直接查看以及设置范围,而模型输出值写入处于后台,并不占用前台的内存,使界面更加流畅。
附图说明
图1是本发明实施例一中喷氨脱硝控制方法的流程示意图;
图2a是本发明实施例二中L1控制按钮界面(心跳点为True);
图2b是本发明实施例二中L1控制按钮界面(心跳点为False);
图3是本发明实施例二中出口NOx浓度折算值的设置界面;
图4是本发明实施例二中系统告警参数设置界面;
图5是本发明实施例二中曲线时间跨度界面。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供一种技术方案:一种喷氨脱硝控制系统,包括实时数据显示模块、喷氨模型计算模块、历史数据模块、预警信息设置模块、后台服务写入模块;其中,实时数据显示模块和历史数据模块属于前台显示,可以直观的把实时数据和历史数据以曲线的形式展现在界面中;预警信息设置模块属于前台设置,用于设置各种变量预警的范围,并不局限一个定值;喷氨模型计算模块、后台服务写入模块作用于后台,本系统采用的是前后台分离的方法,将OPC的实时数据和时序数据库的历史数据采集处理后,保存在SQLServer数据库,并通过服务的形式写入基于OPC技术传输到PLC,喷氨模型计算模块同样也是本系统的核心所在。
在本实施例中,喷氨脱硝控制系统是主要基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,主要根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
SO2+NH3+H2O→NH4HSO3
SO2+2NH3+H2O→(NH4)2SO3。
在本实施例中,喷氨脱硝控制系统根据氨气管道参数,计算输送的氨气摩尔量:
P*V=n*R*T
MNH3=2188*P*V/(t+273.15)
其中,MNH3是氨气质量,单位是kg;P是氨气管道压力,单位是Mpa;V是氨气管道流量,单位是Nm3/h;t是氨气温度,单位是℃。
更进一步的,对入口烟气NOx浓度、入口烟气SO2浓度、入口烟气O2浓度、入口烟气含水率、入口烟气标况流量、入口烟气温度、入口烟气压力等变量的历史数据进行基于SCR脱硝反应的建模分析,得到:
2*X/3*NH3+NOx→(1/3+1/2)*N2+X*H2O
其中,X为入口烟气中NOx的含氧系数,一般烟气中主要以NO为主,混有一定的NO2,一般现场情况是,1≤X<2,入口烟气中95%为NO,约5%的NO2,可以认为一个相对固定的数据。
在本实施例中,出口NOx浓度计算需要将实测值和折算值进行换算,监测目标最终的排放要求以折算值为准,实测值和折算值的计算关系为:
其中,C基是大气污染物基准排放浓度,单位是mg/m3;O实是实测的干烟气中含氧量百分率,单位是%;C实是实际排气筒中大气污染物排放浓度,单位是mg/m3。
需要说明的是,由于NO2相对于NO更易反应,含量差别更加的大,可以忽视出口NOx中少量的NO2,将出口NOx浓度看成出口NO浓度。
在本实施例中,所述喷氨脱硝控制系统根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO计算得出每小时氨气的反应量为:
PA44=PA25*PA30/100
PA45=PA52*(PA25*PA30/100-30/46*PA33*PA40/100)
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA33是出口NOx浓度,单位是mg/m3;
PA40是出口标况流量,单位是Nm3/h;
PA44是入口烟气NO的总量,单位是mg/m3;
PA45是入口烟气中NO消耗的总量,单位是mg/m3。
根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO2计算得出每小时氨气的反应量为:
PA46=(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
PA48=17/23*(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA26是入口烟气NO2的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA46是入口烟气NO2的总量,单位是mg/m3;
PA48是入口烟气中NO2消耗的总量,单位是mg/m3。
在本实施例中,喷氨脱硝控制系统根据计算得到的上述数据可以计算得到NOx的脱除率:
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA33是出口烟气中NOx的浓度,单位是mg/m3;
PA71是NOx的脱除率,单位是%。
在本实施例中,喷氨脱硝控制系统预警是通过心跳点和模型异常状态码。其中心跳点每秒回发生一次变化从时序数据库中读取,若出现断网、后台服务死机、服务器死机等情况时,便在读取时序数据库时失败,心跳点此时停止不会发生变化,借此可以知晓出现异常。而模型异常状态码分为10种情况,第一类是正常;第二类是告警,但不退出模型,有三种情况,分别是:鼓风机电流C401a/C401b都低于设定值,烧结机机速低于下限,氨空混合气流量低于下限;第三类是告警,并退出模型,有6种情况,分别是:氨气阀门开度计算值超上限,氨气阀门开度计算值低下限,氨气缓冲罐压力超出上限,氨气缓冲罐压力低于下限,氨空比大于上限,氨气切断阀不处于开状态。
如图1所示,本实施例还提供了一种喷氨脱硝控制方法,利用上述的控制系统实现喷氨脱硝控制,具体包括以下步骤:
S1:从OPC读取实时数据,并将实时数据显示在界面中;
S2:通过SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,得出喷氨量的理论值;
S3:基于出口氧气浓度,将出口烟气中NOx浓度的实测值转化成折算值;
S4:对喷氨量的理论值进行修正,得出实际值;
S5:保持空气阀门全开的情况下,基于喷氨量实际值的变化而改变氨气阀门开度。
实施例二
本实施例对实施一中喷氨模型的相关内容进行简单说明
(1)模型启动
操作工具有最高的控制权限,可以通过L1画面进行模型的切入切出操作控制。
模型的启动是由操作工点击L1画面按钮进入,且当模型判断没有异常状态时,模型投入使用。此时控制按钮由“一级控制”(红色底色)变为“二级控制”(绿色底色),心跳状态灯进行闪烁(绿色圆点),而在界面中,心跳点则是true(绿色底色)和false(白色底色)每隔一秒转换一次,如图2所示。
(2)模型参数设置画面
模型参数主要有两种设置方式,一是出口NOx浓度折算值的设定。一是告警参数的设定。
设定出口NOx浓度折算值,作为烟气排放的要求控制范围和系统计算的边界条件。在相应的输入框中输入正确的数据,并点击“确认”,完成参数设置操作,如图3所示。
告警参数设定,在L2界面中的“基础设置”下方有“设置参数”点击出现弹窗界面。按照提示输入正确的参数值,作为系统告警范围,点击“确认”完成操作,如图4所示。
(3)模型关闭
模型有两种关闭情况:一是,现场操作工点击L1控制按钮,主动关闭模型运行。
二是,模型判断现场条件不具备投入模型的环境,出现相应的参数超出系统设定范围之外的情况,此时模型会保持提供L1锁定最后的阀门开度值,并进行相应的弹窗告警。
(5)模型时间跨度设置
为了方便观察各数据最近1h、2h、4h、8h曲线,添加了单选框供选择适合的时间段,默认显示为1h,如图5所示。
综上所述,上述实施例的喷氨脱硝控制系统及方法,从OPC直接获取实时数据,降低了内存的压力,实时曲线以及历史曲线的选择都是从时序数据库中读取,高并发写入,降低网络开销,节省存储空间;采用基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,主要根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,前后端结合使模型进一步优化;以计算机数据处理技术为依托,精确度高,速度快,检测效率高,能够实时处理,并将数据存入数据库中,方便查找,并且无物料的消耗,极大的减少了人力物力的消耗,降低了操作人员过于对经验的依赖,方便人员对现场喷氨脱硝情况的了解,提高了经济效应;界面显示和设置处于前台,操作人员可以直接查看以及设置范围,而模型输出值写入处于后台,并不占用前台的内存,使界面更加流畅。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于,包括:实时数据显示模块、喷氨模型计算模块、历史数据模块、预警信息设置模块、后台服务写入模块;
所述实时数据显示模块,用于展现从OPC读取的实时数据;
所述喷氨模型计算模块,用于通过喷氨模型计算出最佳氨气流量、最佳氨气阀门开度、出口NOx浓度计算值;
所述历史数据模块,用于查看各类变量的历史曲线;
所述预警信息设置模块用于设置预警信息的上下限,当喷氨模型监测到变量不在预警信息设置的上下限时提出预警;
所述后台服务写入模块,用于将喷氨模型计算模块计算得出的值写入OPC和时序数据库。
2.根据权利要求1所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:在所述实时数据显示模块中,OPC读取实时数据,主要包括入口NO浓度、入口NO2浓度、入口O2浓度、出口NO浓度、出口NO2浓度、出口O2浓度、烟气流量、烟气温度、空氨混合气氨气浓度数据。
3.根据权利要求2所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:在所述喷氨模型计算模块中,根据入口NO浓度、入口NO2浓度、烟气流量、烟气温度、喷氨点烟气温度、空氨混合气氨气浓度的历史数据与出口NOx浓度的历史数据的关系,通过后馈的吸附塔的出口NOx浓度,得到喷氨量实际值:
Q=Q1+q1
其中,Q为喷氨量实际值,Q1表示喷氨量理论值,计算喷氨量修正值q1。
4.根据权利要求3所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:在所述喷氨模型计算模块中,所述喷氨模型为基于前馈理论计算,结合后馈辅助修正的模型,根据SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
SO2+NH3+H2O→NH4HSO3
SO2+2NH3+H2O→(NH4)2SO3。
7.根据权利要求6所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:所述喷氨脱硝控制系统根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO计算得出每小时氨气的反应量为:
PA44=PA25*PA30/100
PA45=PA52*(PA25*PA30/100-30/46*PA33*PA40/100)
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA33是出口NOx浓度,单位是mg/m3;
PA40是出口标况流量,单位是Nm3/h;
PA44是入口烟气NO的总量,单位是mg/m3;
PA45是入口烟气中NO消耗的总量,单位是mg/m3。
再根据氨气管道的每小时氨投入量,针对入口中NO2计算得出每小时氨气的反应量:
PA46=(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
PA48=17/23*(PA26-46/30*PA25)*PA30/100
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA26是入口烟气NO2的浓度,单位是mg/m3;
PA30是入口烟气标况流量,单位是Nm3/h;
PA46是入口烟气NO2的总量,单位是mg/m3;
PA48是入口烟气中NO2消耗的总量,单位是mg/m3。
所述喷氨脱硝控制系统根据得到的每小时氨气的反应量计算得到NOx的脱除率:
其中,PA25是入口烟气NO的浓度,单位是mg/m3;
PA33是出口烟气中NOx的浓度,即出口NOx浓度,单位是mg/m3;
PA71是NOx的脱除率,单位是%。
8.根据权利要求7所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:在所述喷氨模型计算模块中,保持空气阀门最大,控制氨气阀门变化;其中氨气阀门开度是基于喷氨量变化而变化:
PA06=k*(Q-Q0)+q0
其中,PA06是阀门开度,Q为喷氨量实际值,Q0表示上一次记录的喷氨量,k为喷氨系数,q0为计算阀门开度修正值。
9.根据权利要求1或8所述的一种喷氨脱硝控制系统,其特征在于:所述控制系统还包括异常告警信息模块,用于对异常告警信息进行报警,其中异常告警信息分为网络异常/死机断网和预警信息中变量超过或者低于设定值的两种类型。
10.一种喷氨脱硝控制方法,其特征在于,利用如权利要求1~9任一项的控制系统实现喷氨脱硝控制,具体包括以下步骤:
S1:从OPC读取实时数据,并将实时数据显示在界面中;
S2:通过SCR脱硝反应及硫铵合成反应进行理论建模,得出喷氨量的理论值;
S3:基于出口氧气浓度,将出口烟气中NOx浓度的实测值转化成折算值;
S4:对喷氨量的理论值进行修正,得出实际值;
S5:保持空气阀门全开的情况下,基于喷氨量实际值的变化而改变氨气阀门开度。
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