城市垃圾焚燒發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)研究

孟 麗

（中國電力工程顧問集團 華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063）

0 引言

垃圾焚燒發(fā)電是“減量化、無害化、資源化”處置生活垃圾的主要方式[1]。目前，國內(nèi)外通常的設(shè)計思路是大量采用隨主設(shè)備廠商配套的PLC 來完成不同系統(tǒng)工藝設(shè)備的控制，這樣造成了系統(tǒng)之間的接口眾多，系統(tǒng)之間復(fù)雜的模擬量控制難以實現(xiàn)，給系統(tǒng)通訊和信號交互造成了困難。

集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）以其可靠性、穩(wěn)定性、開放性特點在城市垃圾焚燒發(fā)電廠（以下簡稱垃圾發(fā)電廠）中的應(yīng)用，可實現(xiàn)全廠機、爐、電及輔助控制系統(tǒng)一體化集中監(jiān)控。本文以安徽合肥長豐垃圾發(fā)電廠作為工程實例，采用全廠集中監(jiān)控與分散控制相結(jié)合的系統(tǒng)運行模式，對垃圾焚燒發(fā)電廠的控制要求、控制系統(tǒng)的配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，機、爐、煙氣凈化以及配套輔助系統(tǒng)的控制方式等方面進行了詳細(xì)論述，系統(tǒng)研究垃圾發(fā)電廠DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 工程概況

城市垃圾焚燒主要采用的工藝為逆推式爐排，其技術(shù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 逆推式爐排工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of reverse push grate

合肥長豐垃圾發(fā)電廠采用德國SITY2000 型逆推式爐排焚燒爐，國產(chǎn)單汽包自然循環(huán)垃圾焚燒余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組。機爐配置為二爐二機、兩套煙氣凈化處理系統(tǒng)。每臺焚燒爐的日垃圾處理能力為500t，汽輪發(fā)電機組裝機容量為2×10MW。

2 熱工自動化控制要求

垃圾焚燒發(fā)電廠以發(fā)電為輔、垃圾燃燒為主，垃圾作為燃料熱值低，控制對象的慣性和純滯后性大，燃料成分中非可控性因素多[2]，其控制系統(tǒng)與常規(guī)小型燃煤火力發(fā)電廠相似，但是由于垃圾發(fā)電廠的自動化程度要求高于小型燃煤火力發(fā)電廠，因此其控制方式、控制手段和控制規(guī)模更為復(fù)雜。

DCS 能根據(jù)其特殊的工藝要求，全自動、全過程地完成全廠的數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制和鍋爐（焚燒爐、余熱爐）爐膛安全系統(tǒng)、汽機本體參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)、汽機緊急跳閘系統(tǒng)、鍋爐主燃料跳閘系統(tǒng)，設(shè)置獨立于主控系統(tǒng)的緊急停機按鈕，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常重大故障時確保機組緊急安全停機。

3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

合肥長豐垃圾發(fā)電廠的控制系統(tǒng)采用國產(chǎn) NT-6000 DCS 控制系統(tǒng)，DEH 采用與DCS 一體化硬件配置，全廠主、輔系統(tǒng)的控制由一套DCS 實現(xiàn)，實際IO 點數(shù)接近5000 點，全廠設(shè)一個集中控制室進行集中監(jiān)控，完成對兩臺焚燒余熱鍋爐和兩套汽輪發(fā)電機組及其輔助公用系統(tǒng)的監(jiān)控。

3.1 IO點數(shù)分配表

見表1（表中不含15%的備用量）。

表1 全廠各系統(tǒng)IO點數(shù)分配表Table 1 Distribution table of IO points for each system of the whole plant

3.2 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2.1 上位機設(shè)計

集中控制室布置8 臺操作員站、1 臺值長站；工程師室布置1 臺工程師站、1 臺歷史數(shù)據(jù)站及打印機。8 臺操作員站具有功能劃分，分別用于2 臺鍋爐、2 臺汽機、2 臺電氣系統(tǒng)、1 臺輔助系統(tǒng)和1 臺機組公用系統(tǒng)。

輔助車間監(jiān)控采用1 臺上位機，其中鍋爐補給水控制室放置1 臺，供現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試和監(jiān)控用。

3.2.2 控制站設(shè)計

合肥長豐垃圾發(fā)電廠采用22 套DCS I/O 控制站完成對現(xiàn)場信號采集DAS、聯(lián)鎖控制SCS、機組保護功能。通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到操作員站及工程師站，完成正常運行的全部操作和異常工況的緊急及事故處理。分散處理單元 （DPU）的配置如下：2 臺鍋爐，共4 對（按每臺鍋爐2 對配置，其中燃燒系統(tǒng)1 對，汽水1 對）；2 臺汽機，共4 對（按每臺汽機2 對配置，其中主蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、回?zé)岢槠到y(tǒng)1 對，油系統(tǒng)和真空系統(tǒng)l對）；公用系統(tǒng)部分，2 對（減溫減壓、除氧 給水各配置l對）； 煙氣凈化2 對，鍋爐補給水1 對，遠(yuǎn)程綜合水泵房及循環(huán)水系統(tǒng)1 對，除灰渣1 對。

3.2.3 集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

NT-6000 采用的是冗余控制網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)架在兩個物理隔離的冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)上，連接了所有的工作站和DPU，單個網(wǎng)絡(luò)的任何故障（包括網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴）都不會影響整個系統(tǒng)的安全運行。采用星形拓?fù)溥B接方式，控制器采用冗余容錯設(shè)計，運行時同步運行，保證任意時刻完成控制器切換，避免了傳統(tǒng)設(shè)計中備用控制器在切換后不能正常接替工作的問題。由于DCS 的主要數(shù)據(jù)通訊流量都是控制器上行至操作站的數(shù)據(jù)流向，這種設(shè)計方案會稍稍加大操作站的通訊處理負(fù)荷，但是能夠大大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和控制器負(fù)荷。

圖2 長豐垃圾發(fā)電廠DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the DCS system network structure of Changfeng waste-to-energy plant

4 垃圾焚燒余熱鍋爐控制方式

垃圾焚燒余熱鍋爐熱工控制系統(tǒng)主要由以下幾大部分構(gòu)成：

4.1 ACC焚燒爐自動燃燒控制

ACC 焚燒爐自動燃燒控制的實質(zhì)是通過控制垃圾的體積和厚度來實現(xiàn)垃圾的適量供應(yīng)，同時通過對爐排動作的控制來保證垃圾的充分燃燒[3]。

主要控制推料器、逆順推爐排的進退，料層調(diào)節(jié)、爐排冷卻風(fēng)機、清灰風(fēng)機各風(fēng)室風(fēng)門的開關(guān)，主油泵、濾油泵和冷卻油泵的啟停。

4.2 啟動及輔助燃燒器控制

該系統(tǒng)采用就地燃燒器PLC 完成控制，通過硬接線方式接入DCS 系統(tǒng)進行控制。

4.3 余熱鍋爐吹灰系統(tǒng)

焚燒余熱鍋爐激波吹灰系統(tǒng)自帶PLC 控制系統(tǒng)，由PLC 控制吹灰時間、頻率，激波吹灰系統(tǒng)通過RS422/485接口MODBUS 協(xié)議與DCS 系統(tǒng)進行通訊。

4.4 焚燒爐燃燒控制

焚燒爐的燃燒控制目標(biāo)為：維持穩(wěn)定的燃燒、穩(wěn)定的蒸汽流量及爐內(nèi)的持續(xù)高溫，空氣污染物排放在限值以下，達(dá)到熱灼率的設(shè)計值[4]。燃燒控制的穩(wěn)定性和可靠性是實現(xiàn)焚燒余熱鍋爐安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。

主要分為4 個調(diào)節(jié)子項 ：①鍋爐給水三沖量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)；②過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)；③爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)；④減溫減壓器出口壓力溫度控制系統(tǒng)。

4.5 順序控制系統(tǒng)（SCS）

順序控制系統(tǒng)主要包括：啟動及輔助燃燒器、爐排清灰系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、布袋除塵器控制系統(tǒng)、石灰漿制備系統(tǒng)、定排污系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)等。

4.6 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)包括：燃燒器控制系統(tǒng)（BCS）和燃料安全系統(tǒng)（FSS）。

5 汽機的控制方式

5.1 汽機運行模式的特點

相較于常規(guī)火力發(fā)電廠，垃圾焚燒發(fā)電廠的汽機控制具有下列特點：

1）垃圾焚燒發(fā)電廠汽輪機不參與電網(wǎng)調(diào)峰，且采用滑壓方式進行自身的啟動和運行。

2）由于垃圾焚燒發(fā)電廠的主要工作是垃圾焚燒而非發(fā)電，這就使得垃圾焚燒發(fā)電廠汽輪機具備停機不停爐的特點。

3）不分類的垃圾熱值不穩(wěn)定、波動很大，從而導(dǎo)致垃圾焚燒爐的主蒸汽壓力不穩(wěn)定，進而影響主蒸汽母管的壓力也不穩(wěn)定，影響汽輪機的正常運行。

5.2 汽機控制系統(tǒng)

DCS 和DEH 采用一體化解決方案 ，汽輪機采用滑壓運行方案。DCS 和DEH 的一體化設(shè)計方案可以方便地實現(xiàn)對汽輪機的調(diào)速汽門的開度加以各種形式的控制，并且可以對汽輪機的機前壓力變化范圍和變化速率加以限制，從而確保汽輪機的安全運行。防超速保護（OPC）可以方便地實現(xiàn)，從而可以控制汽輪機的超速現(xiàn)象。此外，定壓運行方式和滑壓運行方式可以方便地切換，這些都是多回路控制器難以做到的。

6 煙氣凈化處理的控制方式

生活垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)生的煙氣成分極其復(fù)雜，煙氣凈化采用“爐內(nèi)SNCR 脫硝+半干式脫酸+干法脫酸+活性炭噴射裝置+布袋除塵”組合工藝。

煙氣凈化系統(tǒng)主要控制調(diào)節(jié)6 個子項：①反應(yīng)塔出口溫度調(diào)節(jié)；②排煙量與中間反應(yīng)物回流量間的自動調(diào)節(jié)；③排煙中HCL 和 SO2酸性氣體含量與石灰乳量間的自動調(diào)節(jié)；④活性炭吸附量的自動調(diào)節(jié)；⑤除塵器差壓調(diào)節(jié)、布袋的離線清灰、布袋的反吹；⑥飛灰收集輸送調(diào)節(jié)。

7 輔助車間的控制方式

鍋爐補給水控制系統(tǒng)，由1 臺 DCS 遠(yuǎn)程IO 控制站和1臺上位機（供調(diào)試用）組成。

綜合水泵房控制系統(tǒng)設(shè)置1 臺DCS 遠(yuǎn)程IO 控制站，其數(shù)據(jù)通訊到鍋爐補給水控制室，調(diào)試階段監(jiān)控。

滲瀝液處理控制系統(tǒng)由1 臺PLC 控制站和1 臺上位機組成，只將必要的監(jiān)視控制通過profbus-DP 協(xié)議通訊到DCS 監(jiān)控。

垃圾吊控制系統(tǒng)由1 臺PLC 控制站和1 臺上位機組成并設(shè)置1 塊52“大屏幕顯示器，只將必要的監(jiān)視控制通過profbus-DP 協(xié)議通訊到DCS 監(jiān)控。

脫硝控制系統(tǒng)SNCR，設(shè)置1 臺PLC 控制站，監(jiān)視SNCR 的運行狀態(tài)。

除灰渣控制系統(tǒng)，定期運行操作，由DCS 控制監(jiān)測。

8 結(jié)語

城市垃圾焚燒發(fā)電廠全廠盡可能采用單一的控制系統(tǒng)平臺，代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中多套不同廠商、多種技術(shù)規(guī)范的控制產(chǎn)品組合，提高控制系統(tǒng)的易用性和操作效率，大幅簡化全廠自動化的系統(tǒng)集成與日常維護，減少相應(yīng)的資金投入，節(jié)省備件和培訓(xùn)成本。

近年，國內(nèi)各省市加速出臺生活垃圾焚燒發(fā)電中長期發(fā)展規(guī)劃[5]，城市垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)也迅速發(fā)展，本文的研究成果能夠為今后類似工程提供借鑒和參考。