CN214233498U - 一种双pid的循环流化床锅炉sncr控制系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，包括CEMS烟气排放连续监测系统、NOx排放浓度预测模块以及DCS系统；所述DCS系统内嵌入NOx排放浓度预测模块、PID控制器A、PID控制器B以及氨水泵手操器；所述PID控制器A连接NOx排放浓度预测模块，所述PID控制器B连接CEMS烟气排放连续监测系统；所述PID控制器A和PID控制器B共同控制氨水泵手操器，所述氨水泵手操器控制变频氨水泵将氨水送入SNCR脱硝装置。本实用新型使用双PID控制器的超调量要小于单PID控制器，且调节时间比单PID控制器更短，因此使用双PID控制器能提前动作氨水泵，快速稳定NOx排放浓度，同时降低氨水用量；本实用新型可以快速稳定NOx排放浓度，降低喷氨量、降低脱硝成本且不需要增加现场运行设备。

Description

一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统
技术领域
本实用新型属于锅炉技术领域，特别涉及一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统。
背景技术
随着国家环保局对火电厂污染物排放的要求日益严格，越来越多的火电机组氮氧化物(NOx)排放浓度不能达标。为使NOx浓度排放达到超低排放标准，大部分火电机组都完成了超低排放改造，一般脱硝方式有两种选择，一种烟气尾部加装选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)装置，该装置通过喷入氨气或其他合适的还原剂，再利用催化剂将烟气中的NOx转化为氮气和水。而循环流化床锅炉则通常加装选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)装置，该装置在合适的温度内，将还原剂喷入炉膛顶部和水平烟道，把NOx还原成氮气和水。相比SCR，SNCR有以下优点：1)不需要催化剂，在合适的温度窗口内，不需要催化剂的情况下还原剂也可以和NOx反应，大大降低了脱硝成本。2)占地面积小，建设成本低。SNCR不需要单独的占用现场设备面积，只需要几根氨气输送管道以及喷枪就可以实现现场运行改造，建设成本低，系统简单，维护方便。3)SNCR由于没有催化剂，烟气中的SO2不会转换成SO3，而SCR则会形成过多的SO3，过多的SO3会加速空预器腐蚀，增加维修成本。
但循环流化床SNCR脱硝技术存在以下缺陷：
(1)目前，对排放的氮氧化物浓度进行调节的具体方法是：测量脱硫塔入口或烟囱位置的NOx浓度，若超过超低排放浓度标准，则调节氨水或尿素给料量进行调节，以此类推，在进行测量，再调节，通过反复上述步骤后，直到NOx排放浓度符合超低排放标准为止。但SNCR脱硝反应是在炉膛顶部和水平烟道，而其测点由于温度原因只能安装在脱硫塔入口或烟囱位置，存在很大的滞后性，这会限制SNCR脱硝效率和运行的稳定性，对其可靠性也造成了很大的挑战。
(2)SNCR原始脱硝效率较低，仅有40％左右，循环流化床锅炉由于其循环灰的缘故，部分锅炉可达到70％，但相对于SNCR约90％以上的脱硝效率来说，大大增加了还原剂成本。
(3)由于其脱硝效率低，测量迟延大，因此国内循环流化床SNCR控制系统一般处于手动控制方式，而喷氨泵出力也处于大开大合的控制方式，NOx排放浓度瞬时超标和喷氨过度引起浪费、氨逃逸的情况时有发生。
实用新型内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题提供一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，可以有效解决上述SNCR控制存在的问题，尤其是现有技术对NOx排放浓度的控制具有严重的滞后性引起的SNCR控制系统稳定性不佳，可靠性低的问题。
本实用新型包括如下技术方案：一种双PID控制器的循环流化床锅炉SNCR控制系统，包括CEMS烟气排放连续监测系统、NOx排放浓度预测模块以及DCS系统；所述DCS系统内嵌入NOx排放浓度预测模块、PID控制器A、PID控制器B以及氨水泵手操器；所述PID控制器A连接NOx排放浓度预测模块，所述PID控制器B连接CEMS烟气排放连续监测系统；所述PID控制器A和PID控制器B共同控制氨水泵手操器，所述氨水泵手操器控制变频氨水泵将氨水送入SNCR脱硝装置。
进一步的，所述PID控制器A的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择NOx排放浓度预测模块的输出，两者偏差值需乘以0.3。
进一步的，所述PID控制器B的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择CEMS烟气连续排放监测系统所测量的NOx浓度值，两者偏差值需乘以0.7。
进一步的，所述DCS系统连接称重式给煤机，一次风风量计，二次风风量计，烟气流量计，热电偶温度计，氨水流量计，CEMS烟气排放连续监测系统，氨逃逸监测系统以及变频氨水泵。
进一步的，所述NOx排放浓度预测模块通过DCS系统连接称重式给煤机、一次风风量计、二次风风量计、烟气流量计、热电偶温度计、氨水流量计以及氨逃逸监测系统。所述NOx排放浓度预测模块主要是通过实时接收给煤量、一次风量、二次风量、烟气流量、床温和喷氨量来进行机理运算，预测NOx排放浓度精度高。
进一步的，所述NOx排放浓度预测模块能够提前3～5分钟预测NOx排放浓度。
进一步的，所述称重式给煤机可以在全封闭状态下实现连续、均匀输煤，其优点是耐压、节能、环保。该给煤机需要将测得的给煤量传输给DCS系统。
进一步的，所述一次风风量计和二次风风量计均为微差压式变送器，量程为0～2kPa，电源24V DC，输出为4～24mA，其输出经计算后可以得到风量流量。
进一步的，所述氨水流量计为电磁流量计，由于氨水具有腐蚀性，选购时需要特定内衬、防腐。
进一步的，所述热电偶温度计用来测量床温，采用热电偶温度计而不是热电阻温度计的原因是热电阻不能监测500℃以上的温度，而循环流化床床温一般在850℃～950℃之间，因此采用热电偶温度计。
进一步的，所述CEMS烟气排放连续监测系统可以实时监测颗粒物、SO2以及NOx浓度，具有实时性好，监测精确的优点。
本实用新型具有的优点和积极效果：
1、本实用新型使用双PID控制器的超调量要小于单PID控制器，且调节时间比单PID控制器更短，因此使用双PID控制器能快速稳定NOx排放浓度，提前动作氨水泵，稳定NOx排放浓度。
2、本实用新型使用双PID控制器共同控制输出给氨水泵手操器的动作信号，防止NOx排放浓度预测模块出现故障或预测出现较大偏差时引起氨水泵动作异常，有效阻止事故发生。
3、本实用新型可以快速稳定循环流化床锅炉NOx排放浓度，降低喷氨量同时降低脱硝成本，且不需要增加现场运行设备，改造简单，成本低。
附图说明
图1是本实用新型的工作流程图。
图2为双PID控制的阶跃响应图。
图中，1-称重式给煤机，2-一次风风量计，3-二次风风量计，4-烟气流量计，5-热电偶温度计，6-氨水流量计，7-氨逃逸监测系统，8-CEMS烟气排放连续监测系统，9-NOx排放浓度预测模块，10-PID控制器A，11-PID控制器B，12-氨水泵手操器、13-DCS系统，14-变频氨水泵，15-SNCR脱硝装置。
具体实施方式
为能进一步公开本实用新型的实用新型内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。
实施例1：参阅附图1-2，一种双PID控制器的循环流化床锅炉SNCR控制系统，包括CEMS烟气排放连续监测系统8、NOx排放浓度预测模块9以及DCS系统13；所述DCS系统13内嵌入NOx排放浓度预测模块9、PID控制器A10、PID控制器B11以及氨水泵手操器12；所述PID控制器A10连接NOx排放浓度预测模块9，所述PID控制器B11连接CEMS烟气排放连续监测系统8；所述PID控制器A10和PID控制器B11共同控制氨水泵手操器12，所述氨水泵手操器12控制变频氨水泵14将氨水送入SNCR脱硝装置15。
所述PID控制器A10的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择NOx排放浓度预测模块9的输出，两者偏差值需乘以0.3。其目的是防止NOx排放浓度预测模块出现故障或预测出现较大偏差时引起氨水泵动作异常，因此只给PID控制器A10分配0.3比例的调节任务。该偏差乘以0.3后，送入PID控制器A10进行PID运算，其运算结果给氨水泵手操器12一个动作信号，由于预测值会有3～5分钟的超前，因此该动作信号可以使变频氨水泵14提前对需要的氨水进行增加或减小，达到稳定NOx排放浓度和降低氨水溶液流量的目的。
所述PID控制器B11的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择CEMS烟气连续排放监测系统8所测量的NOx浓度值，两者偏差值需乘以0.7。由于PID控制器A10已经承担了0.3比例的调节任务，PID控制器B11则只需要承担0.7比例的调节任务，所以偏差值需乘以0.7，因此在NOx排放浓度预测模块9出现故障或预测出现偏差较大的情况下，整个控制系统大方向上仍以原有的控制方式进行，可以有效阻止事故发生。
如图2所示，PID控制器A10的阶跃超前PID控制器B11的阶跃3min，其阶跃响应反应出使用双PID控制器的超调量要小于单PID控制器，且调节时间比单PID控制器更短。因此使用双PID控制器能快速稳定NOx排放浓度，降低喷氨使用量。
所述DCS系统13连接称重式给煤机1，一次风风量计2，二次风风量计3，烟气流量计4，热电偶温度计5，氨水流量计6，CEMS烟气排放连续监测系统8，氨逃逸监测系统12以及变频氨水泵14。
所述NOx排放浓度预测模块9通过DCS系统13连接称重式给煤机1、一次风风量计2、二次风风量计3、烟气流量计4、热电偶温度计5、氨水流量计6以及氨逃逸监测系统7。所述NOx排放浓度预测模块9主要是通过实时接收给煤量、一次风量、二次风量、烟气流量、床温和喷氨量来进行机理运算，预测NOx排放浓度精度高。所述NOx排放浓度预测模块9能够提前3～5分钟预测NOx排放浓度。
所述称重式给煤机1采用NJGC-30II式称重式给煤机，该给煤机可以在全封闭状态下实现连续、均匀输煤，其优点是耐压、节能、环保。该给煤机需要将测得的给煤量传输给DCS系统13。
所述一次风风量计2和二次风风量计3均为微差压式变送器，量程为0～2kPa，电源24V DC，输出为4～24mA，其输出经计算后可以得到风量流量。
所述氨水流量计6为电磁流量计，由于氨水具有腐蚀性，选购时需要特定内衬、防腐。
所述热电偶温度计5用来测量床温，采用热电偶温度计5而不是热电阻温度计的原因是热电阻不能监测500℃以上的温度，而循环流化床床温一般在850℃～950℃之间，因此采用热电偶温度计5。
所述CEMS烟气排放连续监测系统8选择PS7400型，可以实时监测颗粒物、SO2以及NOx浓度，具有实时性好，监测精确的优点。
本实用新型的NOx排放浓度预测模块通过采集实时的给煤量，一次风量，二次风量，烟气流量，床温，氨水流量，氨逃逸量来进行机理运算，可以得到循环流化床SNCR出口NOx排放浓度。由于上述测点均是锅炉输入，其间燃烧和化学反应需要一定时间，SNCR出口至测点会有一定管道长度，NOx排放浓度到达测点后也需要采样来进行测量，这些因素都会造成NOx排放浓度的测量存在大量滞后的问题，而NOx排放浓度预测模块则未考虑这部分时间，因此其预测结果会比CEMS烟气排放连续监测系统的测量值超前3～5分钟时间，达到预测NOx排放浓度的作用。
本实用新型中NOx排放浓度预测模块的工作原理：NOx排放浓度预测模块通过采集实时的给煤量，一次风量，二次风量，烟气流量，床温，氨水流量，氨逃逸量来进行以下处理：
Figure BDA0002878393190000061
Mc,mx为炉内密相区的焦炭量，kg；Mc为当前时刻给煤量，kg/s；ηc为煤种的收到基碳质量分数，％；Ffl为返料器流量，kg/s；Rc,mx为密相区焦炭的反应消耗量，kg/s；
Figure BDA0002878393190000062
为吹入稀相区的焦炭量，kg/s；Fpz为排渣量，kg/s；ηpz为排渣中碳的质量分数，％。由于返料量和排渣量中碳含量很小，因此上述公式中对两者进行了忽略。
对于密相区的单个焦炭颗粒，其燃烧速率为：
Figure BDA0002878393190000068
式中，rc,mx为密相区单个焦炭颗粒燃烧速率，kg/s；dc为焦炭直径，m；kc为焦炭颗粒的燃烧速率常数；
Figure BDA0002878393190000063
为密相区氧气浓度，kmol/m3；根据LaNauze的实验，焦炭颗粒的燃烧速率常数应着重考虑床温的影响，得到其表达式：
Figure BDA0002878393190000064
其中，T为床温，K。
Figure BDA0002878393190000065
计算方式如下：
Figure BDA0002878393190000066
其中，
Figure BDA0002878393190000067
为氧气浓度与风量之间的关系系数；A1为一次风风量，m3/s。
综上可以得到Rc,mx的计算公式：
Figure BDA0002878393190000071
进入稀相区的焦炭量
Figure BDA0002878393190000072
可以由下式计算：
Figure BDA0002878393190000073
SB为风帽通风截面积，m2。vmf为临界流化速度，m/s，由锅炉资料给出。
焦炭生成的CO和CO2是成比列的，一般是10:1因此密相区生成的CO浓度按照下式进行计算：
Figure BDA0002878393190000074
YCO,mx为密相区CO浓度，kg/m3。稀相区CO浓度与密相区计算方式类似，本处不再赘述。
循环流化床NOx的排放一般指的是是NO，因此本实用新型中NOx排放浓度也按照NO来进行模型推导。密相区NO初始生成由两部分组成，一部分由挥发分直接燃烧生成，生成量与给煤量相关，一部分由焦炭生成，与焦炭燃烧速率相关，总生成量由下式计算：
Figure BDA0002878393190000075
Figure BDA0002878393190000076
为挥发分生成的NO量，kg/s；MNO为NO的摩尔质量，kg/mol；MN为氮原子的摩尔质量，kg/mol；xNO为燃料氮转化率，与挥发分份额有关，本实用新型取0.5。
密相区NOx还原量
Figure BDA0002878393190000077
由下式进行计算：
Figure BDA0002878393190000078
进入稀相区的NO量由密相区中的生成量减去还原量。
稀相区的NO初始浓度需要考密相区虑进入稀相区的NO量以及稀相区焦炭生成的NO量，同时稀相区的CO浓度也需要考虑密相区进入稀相区的CO量和焦炭生成的CO量，NO的还原量与密相区处理方式类似，此处不再赘述，最终SNCR入口的NO量为稀相区的初始量减去还原量。
最终NOx排放浓度由下式计算：
Figure BDA0002878393190000081
其中，Np为脱硝出口NO浓度，mg/m3；
Figure BDA0002878393190000082
为SNCR入口NOx量，kg/s，计算方式上文已经给出，MNO为一氧化氮摩尔质量，kg/mol；
Figure BDA0002878393190000083
为氨水溶液流量，kg/s；
Figure BDA0002878393190000084
为氨水溶液中NH3的含量，％；
Figure BDA0002878393190000085
为NH3的摩尔质量，kg/mol；
Figure BDA0002878393190000086
为氨逃逸量，kg/s。
尽管上面对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，包括CEMS烟气排放连续监测系统、NOx排放浓度预测模块以及DCS系统，其特征在于：所述DCS系统内嵌入NOx排放浓度预测模块、PID控制器A、PID控制器B以及氨水泵手操器；所述PID控制器A连接NOx排放浓度预测模块，所述PID控制器B连接CEMS烟气排放连续监测系统；所述PID控制器A和PID控制器B共同控制氨水泵手操器，所述氨水泵手操器控制变频氨水泵将氨水送入SNCR脱硝装置。
2.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述PID控制器A的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择NOx排放浓度预测模块的输出，两者偏差值需乘以0.3。
3.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述PID控制器B的设定值选择超低排放浓度标准，反馈值选择CEMS烟气连续排放监测系统所测量的NOx浓度值，两者偏差值需乘以0.7。
4.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述DCS系统连接称重式给煤机，一次风风量计，二次风风量计，烟气流量计，热电偶温度计，氨水流量计，CEMS烟气排放连续监测系统，氨逃逸监测系统以及变频氨水泵。
5.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述NOx排放浓度预测模块通过DCS系统连接称重式给煤机、一次风风量计、二次风风量计、烟气流量计、热电偶温度计、氨水流量计以及氨逃逸监测系统。
6.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述NOx排放浓度预测模块能够提前3~5分钟预测NOx排放浓度。
7.根据权利要求4或5任一所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述一次风风量计和二次风风量计均为微差压式变送器，量程为0~2kPa，电源24VDC，输出为4~24 mA。
8.根据权利要求4或5任一所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述氨水流量计为电磁流量计。
9.根据权利要求4或5任一所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述称重式给煤机在全封闭状态下连续均匀输煤并将测得的给煤量传输给DCS系统。
10.根据权利要求1所述的一种双PID的循环流化床锅炉SNCR控制系统，其特征在于：所述CEMS烟气排放连续监测系统可以实时监测颗粒物、SO2以及NOx浓度。
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