垃圾焚燒發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 達(dá)

(國核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

0 引言

城市固體廢棄物主要由生活垃圾、商業(yè)和服務(wù)業(yè)垃圾、建筑垃圾等組成，其成分十分復(fù)雜，且受到當(dāng)?shù)鼐用衿骄钏健⒛茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)建設(shè)、自然條件、傳統(tǒng)習(xí)慣以及季節(jié)變化等因素的影響[1-2]。

垃圾發(fā)電是城市固體廢棄物無害化和資源化處理的一種有效手段。根據(jù)處理方法的不同，常用的垃圾發(fā)電方式有以下3種[3-4]。

①垃圾填埋場氣體發(fā)電：將垃圾填埋場中的有機(jī)物經(jīng)降解后產(chǎn)生的填埋氣(富含甲烷)作為燃料進(jìn)行發(fā)電的方式。

②垃圾氣化發(fā)電：直接將垃圾制成可燃?xì)怏w作為燃料進(jìn)行發(fā)電的方式。

③垃圾焚燒發(fā)電：利用垃圾在焚燒鍋爐中燃燒放出的熱量將水加熱獲得過熱蒸汽，由過熱蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電(或同時(shí)供熱)的方式。

其中，垃圾焚燒發(fā)電較為常見。垃圾發(fā)電廠通常由以下幾個(gè)部分構(gòu)成。

①主機(jī)系統(tǒng)：包括垃圾焚燒爐、余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組。

②輔機(jī)系統(tǒng)：包括垃圾上料系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、汽機(jī)旁路系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)。

③輔助車間系統(tǒng)：包括機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)供水系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、汽水取樣與化學(xué)加藥系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)以及燃?xì)庀到y(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、煙氣處理和飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)等工藝單元。

1 垃圾發(fā)電廠的自動控制解決方案

1.1 垃圾發(fā)電廠控制的主要特點(diǎn)

垃圾發(fā)電廠的基本功能是處理城市固體廢棄物，使之無害化、減量化和資源化。因此，垃圾發(fā)電廠的首要功能是處理城市固態(tài)垃圾，其次才是利用余熱發(fā)電。

垃圾發(fā)電廠的基本功能決定了其控制特點(diǎn)與其他工藝過程有所不同[5]。

①I/O點(diǎn)數(shù)有限，投資較小，趨向于采用一體化的控制系統(tǒng)，即：主機(jī)系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)、輔助車間系統(tǒng)，均接入同一套分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)。有時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組會單獨(dú)配置控制系統(tǒng)。

②由于控制系統(tǒng)規(guī)模相對小于火力發(fā)電廠，一般采用集中監(jiān)控方式，故獨(dú)立工藝單元或單體設(shè)備的控制子系統(tǒng)多為可編程邏輯控制器(programmer logic controller,PLC)，需要借助通信的方式接入DCS，通信協(xié)議和接入方式呈多樣化。

③為了改善焚燒爐的燃燒狀況，提高熱量輸出，盡可能地適應(yīng)蒸氣負(fù)荷的變化，往往配置自動燃燒系統(tǒng)(automatic combustion control,ACC)系統(tǒng)。

④由于發(fā)電量遠(yuǎn)小于常規(guī)火電廠，熱源又不太穩(wěn)定，垃圾發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機(jī)組一般不參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻，故數(shù)字電液控制(digital electric hydraulic,DEH)的控制方式相對簡單。

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)垃圾發(fā)電廠的工藝特點(diǎn)，其自動控制解決方案應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

①先進(jìn)性。選擇適合流程工業(yè)的DCS作為主控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯、圖形化的人機(jī)界面和集中式監(jiān)控。

②可靠性。為了確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性，DCS的控制器、電源模塊和通信鏈路均應(yīng)采用冗余配置。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可以自動切換，可確?？刂葡到y(tǒng)的安全運(yùn)行。

③集成性。將主機(jī)系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)和輔助車間系統(tǒng)的測控點(diǎn)盡可能地接入DCS，構(gòu)成高度集成化的控制與監(jiān)控平臺，以提高控制系統(tǒng)的總體水平、降低運(yùn)維成本。

④開放性。DCS應(yīng)具有開放架構(gòu)，可以使用Modbus RTU、Modbus TCP、Profibus-DP或Profibus-PA等現(xiàn)場總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的數(shù)據(jù)交換，也可以借助OPC協(xié)議上傳過程數(shù)據(jù)。

⑤可擴(kuò)展性。DCS要留有一定的擴(kuò)展余地，I/O通道一般預(yù)留20%，還要有增加I/O卡件的空間，以適應(yīng)控制系統(tǒng)規(guī)模的有限擴(kuò)充。

1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的規(guī)劃

DCS的典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以采用兩層網(wǎng)絡(luò)、三網(wǎng)配置。兩層網(wǎng)絡(luò)是指操作層網(wǎng)絡(luò)和I/O層網(wǎng)絡(luò)。前者主要提供了操作員站、工程師以及其他工作站與控制器之間的通信鏈路，采用工業(yè)以太網(wǎng)，使用TCP/IP協(xié)議；后者提供了I/O卡(或I/O站)與控制器之間的通信鏈路，采用Modbus、Profibus或CAN現(xiàn)場總線。三網(wǎng)配置是指操作層網(wǎng)絡(luò)可細(xì)分兩條冗余的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)——用于過程監(jiān)控；一條無冗余的通信網(wǎng)絡(luò)——用于與安全儀表系統(tǒng)(sefety instrumented system,SIS)系統(tǒng)或管理信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，是可選項(xiàng)[6]。

為了保證DCS通信的可靠性，操作層的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)和I/O層網(wǎng)絡(luò)均采用冗余配置，即網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和通信鏈路均為冗余。

2 典型的復(fù)雜控制方案

2.1 垃圾焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)

垃圾焚燒爐是垃圾發(fā)電廠的關(guān)鍵設(shè)備，其燃燒狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)垃圾處理和發(fā)電過程的運(yùn)行狀況。垃圾焚燒爐的工藝參數(shù)較多，相互關(guān)聯(lián)，且呈現(xiàn)一定的非線性，為了保證垃圾焚燒爐的良好燃燒狀態(tài)，需要借助ACC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[7-8]。

ACC系統(tǒng)的基本功能是維持垃圾的平穩(wěn)、持續(xù)和高效地燃燒，使鍋爐主蒸汽產(chǎn)生量和垃圾供應(yīng)穩(wěn)定化、爐渣熱灼減率最小化，并盡可能地降低污染物的排放。由于機(jī)械式爐排爐的種類較多、結(jié)構(gòu)各異，故ACC系統(tǒng)的組成也有差異[9-10]。典型的ACC系統(tǒng)包括主蒸汽流量控制、垃圾料層厚度控制、熱灼減率最小化控制、焚燒爐內(nèi)溫度控制、煙氣氧量濃度控制5個(gè)子系統(tǒng)。ACC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是：根據(jù)鍋爐主蒸汽流量估算出垃圾需求量和總空氣需求量(包括一次風(fēng)和二次風(fēng))，并據(jù)此進(jìn)行綜合控制。此外，垃圾料層厚度的估算也比較重要。

①鍋爐主蒸汽流量控制——ACC系統(tǒng)的核心控制回路。鍋爐主蒸汽流量通過調(diào)節(jié)進(jìn)入焚燒爐的垃圾量和進(jìn)入燃燒爐排的一次風(fēng)流量，保持厚度的穩(wěn)定。

②垃圾料層厚度控制——借助垃圾層的壓差(燃燒爐排上部垃圾與燃燒爐排下部空氣壓力之間的差值)和進(jìn)入燃燒爐排的一次風(fēng)流量來估算垃圾層厚度。通過調(diào)節(jié)推料器速度和干燥爐排速度、燃燒爐排速度和燃燼爐排速度(兩者為輔助手段)，保持其穩(wěn)定。

③爐渣熱灼減率最小化控制——爐渣熱灼減率反映了垃圾的燃燒效果。借助燃燼爐排上部的溫度來監(jiān)測燃燼爐排上未燃燒的垃圾量，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燼爐排的空氣流量以及燃燼爐排的速度，使得熱灼減率最小化。

④焚燒爐內(nèi)溫度控制——借助熱電偶測量爐溫，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)流量，將爐溫維持在一定范圍內(nèi)(大于850 ℃)。溫度檢測點(diǎn)的位置要適當(dāng)，應(yīng)選擇垃圾在爐內(nèi)已經(jīng)歷2 s以上停留時(shí)間之處，即2 s爐溫。

⑤煙氣氧量濃度控制——測量余熱鍋爐省煤器出口處或煙囪處的氧氣濃度，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)流量，保持氧氣濃度在限值之間。

從控制工程的角度看，ACC系統(tǒng)屬于基于計(jì)算參數(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，其各個(gè)子系統(tǒng)或采用單回路控制方案，或采用具有多個(gè)調(diào)節(jié)變量的多重控制方案。

2.2 余熱鍋爐汽包水位三沖量控制方案

余熱鍋爐汽包水位三沖量控制方案如圖1所示。

圖1 余熱鍋爐汽包水位三沖量控制方案Fig.1 Three-element control scheme for drum water level of heat recovery steam generator

垃圾發(fā)電廠余熱鍋爐屬于中溫中壓的亞臨界鍋爐，而汽包是其實(shí)現(xiàn)汽液分離與蒸氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備。為了防止因蒸氣負(fù)荷變化導(dǎo)致“假液位”，可能造成液位過高蒸汽帶液或液位過低損壞鍋爐的情況，汽包水位需要采用三沖量控制方案(參見圖1)。三沖量控制方案，本質(zhì)上是一個(gè)前饋-串級控制方案。其中：主參數(shù)為汽包水位；副參數(shù)為給水流量；前饋參數(shù)為蒸汽流量；調(diào)節(jié)參數(shù)為給水流量；主調(diào)節(jié)器為比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)控制器；副調(diào)節(jié)器為PI控制器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器(或調(diào)節(jié)閥)。

2.3 DEH的負(fù)荷控制系統(tǒng)

DEH是發(fā)電廠控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于汽輪機(jī)的控制、保護(hù)與監(jiān)測，如負(fù)荷控制、壓力控制、超速保護(hù)等。

對于垃圾發(fā)電廠而言，汽輪發(fā)電機(jī)組屬于低參數(shù)的小型機(jī)組(典型值1.5 MPa，350 ℃)，一般不參與一次和二次調(diào)頻，其控制方案較常規(guī)火電廠相對簡化。由于不使用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordinated control system,CCS)，故汽輪機(jī)的負(fù)荷控制采用操作員自動控制模式，即：DEH根據(jù)操作員設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷和負(fù)荷變化率自動地將機(jī)組負(fù)荷調(diào)整到操作員設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷值。具體而言，采用兩個(gè)切換使用的單回路控制方案；并網(wǎng)前采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并網(wǎng)后采用定功率調(diào)節(jié)。汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制方案如圖2所示。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷控制方案Fig.2 Load control scheme of turbine generator set

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

西南某垃圾發(fā)電廠，城市生活垃圾焚燒處理量為1 000 t/d，選用2臺Von-Roll 機(jī)械式爐排爐，2臺中溫中壓臥式余熱鍋爐，2套12 MW、中溫中壓、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，并配套相應(yīng)的輔機(jī)系統(tǒng)和輔助車間系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)配置與架構(gòu)

該項(xiàng)目采用國核自儀系統(tǒng)工程有限公司提供的NuCON-P600 DCS作為主控系統(tǒng)，選擇南京科遠(yuǎn)的NT-6000 DEH作為汽輪發(fā)電機(jī)組控制平臺。主控系統(tǒng)共有20個(gè)控制柜、2個(gè)擴(kuò)展柜和1個(gè)遠(yuǎn)程I/O柜，分布在5個(gè)電子設(shè)備間，有1個(gè)中控室和4個(gè)分控室，I/O點(diǎn)數(shù)總計(jì)7 500左右。此外，還有14套控制單體設(shè)備和獨(dú)立工藝單元的PLC子系統(tǒng)。DCS的主要特點(diǎn)為如下。

①DCS的關(guān)鍵部分采用冗余結(jié)構(gòu)，即控制器、電源模塊、通信設(shè)備和鏈路均采用冗余配置，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

②NuCON-P600系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即操作層網(wǎng)絡(luò)(SNet)和I/O層網(wǎng)絡(luò)(CNet)。前者為冗余的100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)，后者為冗余的1 Mbit/s CANBus網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，操作層網(wǎng)絡(luò)還配置了一條無冗余的100 MB工業(yè)以太網(wǎng)，用于上傳過程數(shù)據(jù)。

③NuCON-P600系統(tǒng)的SNet屬于對等網(wǎng)絡(luò)，操作員站與控制器之間的通信可以直接進(jìn)行，無需借助通信服務(wù)器。這不僅消除了一個(gè)通信瓶頸、提高了通信的可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備成本。

④監(jiān)控人機(jī)界面使用NuCON Tech軟件平臺來開發(fā)。該軟件不僅可以生成流程圖、實(shí)時(shí)、歷史趨勢、報(bào)警和運(yùn)行報(bào)表等形式人機(jī)界面，還擁有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，用以提供長周期的歷史數(shù)據(jù)。

⑤基于DCS平臺實(shí)現(xiàn)了ACC系統(tǒng)，改善了ACC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和易操作性。

DCS總體架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 DCS總體架構(gòu)圖Fig.3 Overall structure diagram of the DCS

3.3 運(yùn)行效果

本文所探討的垃圾發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)，已于2019年8月投入試運(yùn)行，功能先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好，可保證垃圾發(fā)電廠的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

作為一種使城市固體廢棄物無害化、減量化和資源化的手段，垃圾焚燒發(fā)電已成為影響城市固體垃圾處理的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，隨著城市環(huán)境保護(hù)要求的不斷提升，垃圾發(fā)電廠的數(shù)量日益增多，垃圾發(fā)電的自動控制解決方案也在實(shí)踐中不斷充實(shí)和完善，有助于垃圾發(fā)電廠的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。