基于自動化流程的垃圾焚燒爐控制方法研究

馮軼驍

（光大環(huán)保技術(shù)裝備（常州）有限公司）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，也帶來了日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，垃圾會對環(huán)境造成污染，通過焚燒垃圾進(jìn)行發(fā)電，是一種無害化的處理方式[1-2]，國內(nèi)自主研發(fā)的焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)僅限于對爐排本體的控制，對于垃圾熱量的計算是通過發(fā)電機組的蒸發(fā)量得到的，這就造成了控制的延遲，并且對進(jìn)料速度、爐排速度、燃燒進(jìn)風(fēng)量、垃圾層厚度沒有形成有效的閉環(huán)控制，導(dǎo)致了焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定[3]。本文針對實際情況，將垃圾熱量和垃圾層厚度參數(shù)引入計算，擺脫了對發(fā)電機組蒸發(fā)量的依靠，減少了控制的延遲，增加了焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其各項參數(shù)均能夠達(dá)到國際先進(jìn)水平，適宜進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用[4-5]。

1 焚燒爐控制系統(tǒng)

焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)，專門針對垃圾成分復(fù)雜性和熱量不穩(wěn)定性的特點，從鍋爐余熱中得到與垃圾處理量對應(yīng)的蒸汽量，參與閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對焚燒爐的自動燃燒控制[6]。

1.1 控制系統(tǒng)特點

1）垃圾成分復(fù)雜，焚燒爐內(nèi)的熱量不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷不穩(wěn)定；

2）垃圾焚燒時間長，從垃圾入爐到排盡爐渣耗時至少兩小時；

3）爐排料層厚度不均勻，垃圾需要經(jīng)歷三段燃燒工藝，退料及爐排動作不同步會造成偏料、空料情況；

4）燃燒狀態(tài)無法通過參數(shù)直接描述，只能通過爐排片溫度、風(fēng)壓以及人工檢查等間接手段確定；

5）垃圾焚燒爐的燃燒特性就有延遲性、多變量、參考變量少的特點[7-8]。

1.2 控制系統(tǒng)控制要求

自動燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)對垃圾焚燒爐進(jìn)行運行穩(wěn)定性控制，避免由于外部異常原因?qū)е碌姆贌隣t停機[9-10]。正是基于此原因，焚燒爐的燃燒控制目標(biāo)為：

1）燃燒穩(wěn)定性；

2）蒸汽流量穩(wěn)定性；

3）焚燒爐內(nèi)高溫穩(wěn)定性；

4）熱灼率滿足要求；

5）排放指標(biāo)滿足要求。

1.3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

自動燃燒控制系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)為蒸發(fā)量，基本的控制條件為垃圾熱量，另外還包括了進(jìn)料速度控制、燃燒進(jìn)風(fēng)量控制、爐內(nèi)溫度控制、煙氣含氧量等，從而形成了對垃圾焚燒爐的自動化控制[11]。垃圾情況作為最基本的控制條件，具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)知性的特點，所以本文將垃圾熱量估算和垃圾層厚度估算引入控制中，具體的控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[12]。

圖1 自動燃燒控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 焚燒爐控制策略

2.1 蒸發(fā)量控制策略

自動燃燒控制系統(tǒng)可以根據(jù)垃圾入爐時的熱量估算值得到對應(yīng)的目標(biāo)蒸發(fā)量，在垃圾燃燒的過程中，通過實際蒸發(fā)量和目標(biāo)蒸發(fā)量的偏差來對燃燒進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，總進(jìn)入風(fēng)量為：

式中，W為燃燒進(jìn)風(fēng)總量；α為垃圾熱量估算量相對應(yīng)的目標(biāo)蒸發(fā)量與實際蒸發(fā)量的比值；β為實際蒸發(fā)量；ε(O2)為煙氣含氧量，通常取值范圍為6%～10%之間；θ為燃燒進(jìn)風(fēng)總量的微調(diào)保留值W2為進(jìn)風(fēng)總量損耗補償值。

基于焚燒爐的熱平衡理論，垃圾熱量的估算基于以下三個方程實現(xiàn)：

式中，Q2為垃圾燃燒產(chǎn)生的熱量；Q1為能夠被焚燒爐進(jìn)行有效利用的熱量；ρ為焚燒爐的熱轉(zhuǎn)換效率。

式中，M為實際蒸發(fā)量；QS為單位蒸汽具有的熱量。

式中，Q3為單位垃圾的熱量；N為垃圾的進(jìn)料量。

通過上述分析，能夠得到垃圾進(jìn)料量，垃圾熱量，垃圾蒸發(fā)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。蒸發(fā)量控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)量控制模塊結(jié)構(gòu)

2.2 料層控制策略

由于無法通過直接的手段得到各個爐排段上的垃圾層厚度，所以料層控制模塊會根據(jù)計算得到的干燥段爐排上的目標(biāo)料層厚度來控制進(jìn)料速度以及干燥段爐排的出料速度，通過對這兩個速度進(jìn)行有效的控制就能夠保證干燥段料層厚度保持在合理的范圍內(nèi)，不偏離目標(biāo)料層厚度。正比例調(diào)節(jié)燃燒段爐排的運動速度和燃盡段爐排的運動速度，其目標(biāo)料層厚度計算公式為：

式中，P2為一次風(fēng)的壓力；P3為焚燒爐內(nèi)的負(fù)壓；S為爐排片的面積；ρN為一次風(fēng)的密度；T為一次風(fēng)量；t為一次風(fēng)的溫度；k為補償參數(shù)。料層控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 料層控制模塊結(jié)構(gòu)

2.3 溫度控制策略

焚燒爐的爐內(nèi)溫度通?？刂圃?50～1000℃，這樣能夠抑制二英等有害物質(zhì)的生成。在垃圾焚燒爐的進(jìn)料和燃燒進(jìn)風(fēng)量總體處于平穩(wěn)狀態(tài)的前提下，需要通過對二次進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行有效的控制，來實現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的控制，維持在850～1000℃。在這個過程中，輔助燃燒器需要參與到爐內(nèi)溫度的控制，當(dāng)爐內(nèi)溫度持續(xù)10min低于855℃，啟動輔助燃燒器；當(dāng)爐內(nèi)溫度持續(xù)5min高于860℃，停止輔助燃燒器。

2.4 熱灼率控制策略

熱灼率控制模塊通過對燃盡段爐排片溫度和料層厚度進(jìn)行檢測，以及工作人員通過監(jiān)控查看爐內(nèi)實時狀態(tài)，調(diào)節(jié)進(jìn)入到燃盡段的空氣量，同時對燃盡段爐排片的運動速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)燃盡段爐排上還有垃圾未燃盡，此時燃盡段爐排的溫度會升高，熱灼率控制模塊會調(diào)節(jié)進(jìn)入到燃盡段的空氣量，并控制燃盡段爐排的運動速度，以保證未燃盡垃圾能夠有足夠的燃燒溫度、燃燒空氣量和燃燒時間。

2.5 含氧量控制策略

焚燒爐所產(chǎn)生的煙氣中，一氧化碳的含量與爐內(nèi)溫度和爐內(nèi)氧氣含量密切相關(guān)。當(dāng)燃燒進(jìn)風(fēng)量過低或二次進(jìn)風(fēng)量過高時，都會引起爐內(nèi)溫度過低，從而導(dǎo)致大量一氧化碳的產(chǎn)生；當(dāng)二次進(jìn)風(fēng)量過低時，由于空氣混合質(zhì)量交叉，會導(dǎo)致選擇性非催化還原的效率降低，當(dāng)二次風(fēng)量過高時，會引起爐內(nèi)噴氨處的溫度過低，導(dǎo)致氨逃逸的加劇。

基于目標(biāo)含氧量和實際含氧量的偏差，對控制二次進(jìn)風(fēng)量的電機進(jìn)行變頻控制，并將垃圾熱量的估算值和進(jìn)料量作為PID調(diào)節(jié)器的前饋信號，這樣能夠保證含氧量的穩(wěn)定性，并且使垃圾焚燒爐的環(huán)保指標(biāo)能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 實例分析

某垃圾焚燒發(fā)電廠配備了垃圾處理能力達(dá)到30萬噸的垃圾焚燒爐，配備了功率達(dá)到15MW的汽輪發(fā)電機組，其滿負(fù)荷工作情況下蒸發(fā)量接近40t/h。垃圾焚燒爐中，多個位置都需要人工手動操作，進(jìn)料爐排的運動速度以手動控制為主，風(fēng)機的運行頻率也以手動控制為主。

自動燃燒控制系統(tǒng)投入運行前，汽輪發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性較差，排出的煙氣溫度變化劇烈，汽輪發(fā)電機組的蒸發(fā)量變化也劇烈，排放污染不達(dá)標(biāo)，操作人員的工作強度也大。在長達(dá)12h的運行過程中，汽輪發(fā)電機組的蒸發(fā)量變化十分劇烈，極大值和極小值的差值接近39t/h，最大振幅比例超過50%。投入自動燃燒控制系統(tǒng)后，在長達(dá)12h的運行過程中，汽輪發(fā)電機組的蒸發(fā)量變化程度明顯減小，在多次變負(fù)荷試驗中，將汽輪發(fā)電機組蒸發(fā)量的目標(biāo)平均值設(shè)定為34.2t/h，汽輪發(fā)電機組蒸發(fā)量的實際平均值為33.6t/h，從下表中的數(shù)據(jù)可以明顯發(fā)現(xiàn)自動燃燒控制系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機組的蒸發(fā)量穩(wěn)定性實現(xiàn)了較好的控制，確實發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用。具體的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表所示。

表 自動燃燒控制系統(tǒng)投入前后數(shù)據(jù)對比結(jié)果

4 結(jié)束語

自動燃燒控制系統(tǒng)在垃圾焚燒爐的穩(wěn)定運行控制中起到了關(guān)鍵作用，特別是在國內(nèi)垃圾成分復(fù)雜，垃圾熱量波動性大的前提下，更能夠突顯出其在控制方面的優(yōu)越性，既能夠保證垃圾焚燒爐的高效、穩(wěn)定工作，又能夠保證將對環(huán)境的污染程度降到最低，達(dá)到各項環(huán)境指標(biāo)要求。自動燃燒控制系統(tǒng)仍然具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，在某些方面仍然沒有擺脫人工判斷，這就造成了自動燃燒控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)全天候全工況的無人值守。對自動燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，有助于控制運營成本，實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益最大化。