自動燃燒控制系統(tǒng)在某垃圾焚燒發(fā)電項目的應(yīng)用探討

王宗勝

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

引 言

自動燃燒控制系統(tǒng)(Auto Combustion Control system,簡稱ACC)是以垃圾入爐焚燒量、鍋爐蒸發(fā)量為目標，以燃燒計算為基礎(chǔ)，在不同的燃燒工況下，經(jīng)過特定的邏輯運算，計算與垃圾品質(zhì)對應(yīng)的空氣量、爐排運行速度的基準值，從而實現(xiàn)穩(wěn)定化燃燒，同時兼顧公害抑制、焚燒量合理化、故障預(yù)防等要點，用自動化設(shè)備對大量的操爐工作進行分擔。使鍋爐的蒸汽流量穩(wěn)定在設(shè)定值，針對不同的垃圾特性，能穩(wěn)定的供應(yīng)垃圾并合理化配風，使焚燒爐穩(wěn)定運行，從而達到熱灼減率最小化，低污染物排放無公害等目標。

目前國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用操作員手動控制燃燒，自動化程度不高，ACC投入率餃低。人工反復(fù)參與調(diào)整焚燒運行，往往燃燒工況不穩(wěn)定，增加人工負擔。國內(nèi)自動燃燒控制投入不高，其難度在于一年四季垃圾熱值變化較大，垃圾熱值變化導(dǎo)致爐內(nèi)負荷波動，自動調(diào)整過程中燃燒工況容易發(fā)生較大偏移，無法穩(wěn)定運行。

1 材料與方法

1.1 自動燃燒控制系統(tǒng)原理的介紹

ACC控制功能主要以計算基準值(燃燒空氣量基準值、送垃圾速度基準值和各風管段用氣量的基準值)，通過蒸發(fā)量控制、垃圾層厚控制、燃燒位置控制、熱灼減量控制(爐排、空氣)、氧含量控制和爐內(nèi)溫度控制進而來實現(xiàn)自動燃燒控制[2]；而氧含量控制和爐內(nèi)溫度控制，通過二次風和燃盡爐排風門流量結(jié)合進行控制，進而達到自動控制的目的。

1.2 自動燃燒控制系統(tǒng)基礎(chǔ)計算

針對目前國內(nèi)垃圾電廠的實際情況，自動燃燒控制系統(tǒng)投運需要較為穩(wěn)定的外部條件，故很多垃圾焚燒電廠在進行ACC調(diào)試前，都需要穩(wěn)定運行一段時間，為使爐子達到穩(wěn)定的調(diào)試工況，調(diào)試前需要確定垃圾的熱值，因為難以進行實時測量，經(jīng)過反復(fù)推演和計算，可按下式估算：

根據(jù)公式可以計算出垃圾熱值的大概范圍，根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀況，選定一個設(shè)定垃圾熱值，根據(jù)垃圾熱值可以得出相應(yīng)的空氣過量率，進而得到基準空氣流量；

由圖1可知，設(shè)定焚燒爐額定蒸發(fā)量負荷SV，確定鍋爐熱效率，根據(jù)從給水到蒸汽焓的增加，可以得到產(chǎn)生額定蒸發(fā)量需要的總熱量；根據(jù)已知熱值可以得到所需要的總垃圾重量；

當垃圾車從入廠計重時，根據(jù)每輛垃圾車體積和本次垃圾車的垃圾總量，可以得出垃圾比重。根據(jù)眾多垃圾車輛進行大數(shù)據(jù)計劃可以得到相對準確的垃圾比重；

故根據(jù)垃圾比重，可以得出所需垃圾體積，根據(jù)計算可以得出相對垃圾基本速度。

圖1 ACC計算原理圖Fig.1 Schematic diagram of ACC calculation

1.3 自動燃燒控制系統(tǒng)控制邏輯

1.3.1 鍋爐主蒸汽控制

由圖2可知，通過調(diào)整供給燃燒爐排的燃燒空氣的流量來維持鍋爐的主蒸汽量在設(shè)定值。鍋爐主蒸汽流量的設(shè)定值是計算垃圾焚燒量、供應(yīng)標準流量等數(shù)據(jù)的主要參數(shù)[2]。通過垃圾熱值可以得出理論空氣流量和空氣過量系數(shù)，進而可以計算出需要的標準空氣流量和基準空氣流量；通過垃圾設(shè)定蒸發(fā)量和垃圾熱值可以計算出需要的總垃圾量，進而計算出爐排速度。

圖2 鍋爐主蒸汽控制Fig.2 Boiler main steam control

1.3.2 垃圾層厚自動控制

由圖3可知，確保一次風母管壓力穩(wěn)定，通過測量經(jīng)過差壓變送器后的爐排上垃圾上方和燃燒爐排一段風室下一次風的供應(yīng)氣流的壓力差，可以得到垃圾料層的厚度[2]。得到一個垃圾厚度原值，對垃圾料層厚度進行料層厚度補償，可以得到實際垃圾層厚。

圖3 垃圾層厚取樣Fig.3 Trash layer thickness sampling

圖4 垃圾層厚控制圖Fig.4 Garbage layer thickness control chart

由圖4可知，計算出的垃圾總量得出理論垃圾層厚度，再與實際垃圾料層厚度做差，進行PID調(diào)節(jié)，得出需要調(diào)節(jié)的垃圾層厚度輸出值MV。

由圖5可知，根據(jù)計算出垃圾料層厚度，進行補償系數(shù)調(diào)整，進而調(diào)整垃圾給料器的給料速度、f(x)函數(shù)使推料器速度轉(zhuǎn)換為閥的開度(m/h)，為了保證推料器同步性，每個推料器都安裝位移傳感器進行位移測量實際位置，根據(jù)計算得出每秒鐘計算出的理論位置值，使每個推料器與理論位置做差進行調(diào)整，從而達到三列推料器同步向前運行，每段推料器的瞬時速度計算y=(IXI/掃描時間)×3600/(1000×2)。從而使推下均勻的料，有利于干燥爐排的調(diào)整。

圖5 垃圾層厚與推料器和干燥爐排速度控制圖Fig.5 Waste layer thickness control nad speed control diagram of pusher and drying grate

1.3.3 干燥爐排自動控制

干燥爐排在垃圾焚燒中起到承上啟下的作用，垃圾從推料器上推下，根據(jù)垃圾層厚度控制，使推料器調(diào)整速度向下推料，干燥爐排根據(jù)計算出的垃圾層厚度，自動做出相應(yīng)的調(diào)整，根據(jù)垃圾料層層厚偏薄，干燥爐排加快補料，垃圾料層厚度偏厚，減緩干燥爐排補料速度。

1.3.4 燃燒爐排自動控制

由圖6可知，根據(jù)上述計算得出每小時的垃圾總體積，可以得出爐排基準速度，垃圾料層厚度直接反應(yīng)出燃燒爐排料層厚度，直接影響燃燒爐排速度和垃圾焚燒情況，根據(jù)垃圾料層層厚偏差得出速度補償，對爐排基準速度進行修正補償，燃盡爐排上部溫度直接反映出燃盡爐排上燃燒狀況，間接影響燃燒爐排速度快慢。故對燃盡爐排上部溫度偏差進行速度補償，燃盡爐排上部溫度偏大，反映燃盡爐排上部料層較厚，故對燃燒爐排進行負偏差系數(shù)調(diào)節(jié)；燃盡爐排上部溫度偏小，反映燃盡爐排上部料層較薄，故對燃燒爐排進行正偏差系數(shù)調(diào)節(jié)；最后進行補償系數(shù)調(diào)節(jié)，使得燃燒爐排自動運行。

圖6 燃燒爐排速度控制圖Fig.6 Combution grate speed control chart

1.3.5 燃盡爐排自動控制

由圖7可知，根據(jù)計算出的爐排基準速度，垃圾料層厚度偏差間接影響燃盡爐排運行速度，垃圾料層層厚相對設(shè)定垃圾層厚偏高，燃盡爐排系數(shù)較大，燃盡爐排相對較塊；垃圾料層厚相對設(shè)定垃圾層厚偏低，燃盡爐排系數(shù)較小，燃盡爐排相對較慢；燃盡爐排上部溫度主要影響燃盡爐排運行速度，燃盡爐排上部溫度與燃盡爐排有相對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，燃盡爐排上部溫度過高，燃盡爐排上部垃圾料層沒有充分燃燒，燃盡爐排運行時間慢些，停留時間較長；燃盡爐排上部溫度過低，燃盡爐排燃燒較為充分，燃盡爐排運行時間快些，垃圾停留時間短些；在進行經(jīng)驗補償系數(shù)修正，使燃盡爐排達到自動運行狀態(tài)。

圖7 燃盡爐排速度控制圖Fig.7 Exhaust grate speed control chart

1.3.6 一次風流量自動控制

由圖8可知，一次風流量自動控制是ACC控制中重要的一環(huán)，對各硬件設(shè)備也有很高的要求；對一次風母管壓力達到1kpa以上，對各風門擋板與流量計達到線性要求。根據(jù)以上得知，不同的垃圾熱值對應(yīng)不同的過量空氣系數(shù)，根據(jù)計算得出基準空氣量，由于不同的垃圾熱值在干燥爐排、燃燒爐排、燃盡爐排各段分配的風量比不同。風量各段實際風量與計算理論風量之間存在偏差，進一步進行調(diào)節(jié)。

圖8 各風管控制圖Fig.8 Control chart of each air duct

圖9 各爐排系數(shù)分配圖Fig.9 Distribution diagram of grate coefficients

燃燒爐排風量控制，由圖9可知，燃燒爐排為三段，也是ACC控制風量中主要控制量，在ACC調(diào)整過程中，垃圾蒸發(fā)量實際值與蒸發(fā)量設(shè)定值存在偏差，需要通過燃燒段風流量進行調(diào)整。實際蒸發(fā)量偏低于設(shè)定蒸發(fā)量時，燃燒爐排風門擋板進行開大，使進風量增加進風量，使燃燒爐排燃燒更加充分；實際蒸發(fā)量偏高于設(shè)定蒸發(fā)量時，燃燒爐排風門擋板進行關(guān)小，減小進風量，抑制燃燒爐排燃燒；對進風量進行設(shè)定，燃燒爐排總風量在一定范圍內(nèi)波動，使調(diào)整過程中不能過大，也不能過小。不然負荷波動將會很大，對整體調(diào)整會產(chǎn)生影響；各燃燒爐排段參與焚燒狀況不同，分配系數(shù)不同。左右燃燒狀況不同，燃燒爐排兩側(cè)配風也將不同。

1.3.7 爐膛溫度和氧量自動控制

由圖10可知，爐膛溫度和氧量控制一般都在風門擋板自動和爐排自動調(diào)完后再進行爐膛溫度控制調(diào)整和氧量控制調(diào)整。當氧含量低設(shè)定值的時候，緊急打開二次風進行送風增加氧含量，氧含量高于氧量設(shè)定值時，減少二次風流量供應(yīng)；爐膛溫度超過設(shè)定值上限時，增加二次風供應(yīng)，從而降低爐膛溫度；爐膛溫度抵御設(shè)定值時，減少二次風供應(yīng)。如果爐膛過高時，二次風門擋板全開后仍然無法有效降溫時，可以通過燃盡爐排風門擋板進風量進行降溫。二次風流量控制是省煤器出口氧量和爐膛溫度兩個變量共同控制。

圖10 氧含量及爐膛溫度控制圖Fig.10 Oxygen content and furnace temperature control chart

2 結(jié)果與分析

以某600 t項目垃圾焚燒處理發(fā)電廠為例，選取其中連續(xù)運行8小時進行分析。

2.1 主蒸汽流量控制

以主蒸汽流量設(shè)定為60t/h進行調(diào)整，設(shè)定目標蒸發(fā)量SV為60t/h，設(shè)備連續(xù)運行穩(wěn)定，我們在調(diào)試過程中還對焚燒爐增加了搖動控制[4]，達到了無需手動干預(yù)就能實現(xiàn)主蒸汽流量維持在設(shè)定值左右。

圖11 八小時內(nèi)主蒸汽流量趨勢圖Fig.11 Main steam flow trend chart over an eight-hour period

由圖11可知，ACC主蒸汽流量控制調(diào)試中，蒸發(fā)量設(shè)定為SV=60t/h時，主蒸汽流量按設(shè)定值進行調(diào)整蒸發(fā)量，八小時內(nèi)鍋爐蒸發(fā)量趨勢圖顯示，整體蒸發(fā)量在設(shè)定值上下波動。選取同一時段沒有投運ACC蒸發(fā)量趨勢圖，8 h時間段內(nèi)蒸發(fā)量進行對比，投運ACC后，蒸發(fā)量相對平穩(wěn)，蒸發(fā)量較高與沒有投運ACC時蒸發(fā)量。判斷ACC調(diào)試是否滿足，判定基準為(|PV-SV|<10%t/h)。

如表1所示。

表1 主蒸汽流量與設(shè)定流量對比表Tab.1 Comparison between main steam flow and set flow

從控制角度講，主蒸汽流量發(fā)生波動時也基本能穩(wěn)定控制在5t/h以內(nèi)，在主蒸汽流量波動較大時，ACC能自動調(diào)控，很快就能恢復(fù)至SV設(shè)定值附近，即完成了主蒸汽流量控制調(diào)整。

2.2 垃圾層厚控制

垃圾層厚作為ACC調(diào)試中，反應(yīng)垃圾料層厚度的參數(shù)，直接影響爐排推料的穩(wěn)定性。如圖12可知，ACC投入垃圾料層厚度設(shè)定值為54%，投入后8 h內(nèi)實際料層曲線都在54%上下波動，通過曲線可以看出垃圾料層厚度出現(xiàn)偏差過程中，都能夠及時做出反應(yīng)并調(diào)整過來，使垃圾實際反饋料層能夠按照目標料層進行調(diào)整。沒有投ACC料層厚度調(diào)整較為緩慢，滯后性較強。通過對比，投入ACC后垃圾層厚相對沒有投入要穩(wěn)定。

圖12 八小時內(nèi)垃圾層厚趨勢圖Fig.12 Variation of garbage layer thickness over an eight-hour period

而作為判斷結(jié)果垃圾料層偏差在(PV-SV)穩(wěn)定在10%以內(nèi)，就能夠穩(wěn)定控制。判定基準(|PV-SV|<10%t/h)，如表2所示。

表2 垃圾層厚與設(shè)定垃圾層厚對比表Tab.2 Comparison between garbage layer thickness and set garbage layer thickness

2.3 煙氣中氧氣濃度控制

氧含量可以反映出，垃圾在這段時間燃燒時的燃燒狀態(tài)，煙氣中的CO的濃度和煙氣中的O2濃度有關(guān)。當空氣不足時煙氣中的CO 濃度會上升，使CO超標，O2的濃度會下降[5]。氧含量調(diào)整過程中波動會有較大變化，煙氣中的 O2濃度控制通過調(diào)節(jié)二次空氣的流量來維持O2濃度在設(shè)定值。而作為判斷結(jié)果氧含量的偏差在(PV-SV)穩(wěn)定在10%以內(nèi)，就能夠穩(wěn)定控制。判定基準(|PV-SV|<10%t/h)，通過表3可以看出，氧氣含量波動在設(shè)定值上下10%以內(nèi)。滿足調(diào)試要求。

表3 氧含量與設(shè)定氧含量對比表Tab.3 Comparison bewteen oxygen content and set oxygen content

2.4 爐內(nèi)溫度控制

爐膛溫度控制是垃圾焚燒中至關(guān)重要的一步，也是國家對環(huán)保的嚴格要求，主要保證煙氣在焚燒爐內(nèi)能夠停留2S大于850度，防止二惡英的產(chǎn)生；故設(shè)定爐內(nèi)溫度(停留2S溫度)控制以SV=980℃進行了調(diào)整；如圖13所示。

圖13 爐膛溫度與設(shè)定爐膛溫度趨勢圖Fig.13 Variation trend of furnace temperature and set furnace temperature

以上為爐內(nèi)溫度控制后的溫度曲線，通過上述的趨勢結(jié)果圖可以判斷，經(jīng)過調(diào)試，爐膛溫度基本控制在950～1000℃之間。基于ACC爐膛溫度控制調(diào)試的標準，此次滿足了調(diào)試標準，即完成爐膛溫度控制的調(diào)試工作。

2.5 燃盡爐排上部溫度

燃盡爐排直接反映燃盡爐排上的燃燒狀況，燃盡爐排上部溫度不高，在燃燼爐排末端垃圾已經(jīng)燃燼，熱灼減量較小[6]。如圖14燃盡爐排上部溫度趨勢圖可以看出，投入ACC后燃盡爐排上部溫度穩(wěn)定在較低溫度，燃盡爐排控制較穩(wěn)定，熱灼減率達到最小化控制調(diào)整。

圖14 燃盡爐排上部溫度與設(shè)定燃盡爐排上部溫度對比表Fig.14 Comparison between upper temperature of burned grate and set upper temperature of burned grate

2.6 燃燒位置控制

通過燃燒位置可以判斷焚燒爐燃燒狀況穩(wěn)定性，也反映垃圾品質(zhì)的好壞。焚燒爐的燃燒區(qū)在燃燒爐排一二段，如果燃燒區(qū)前移說明垃圾熱值較高，垃圾相對較干；如果垃圾區(qū)后移說明垃圾熱值較低，垃圾相對較濕，垃圾在燃燒爐排上無法充分燃燒，最終導(dǎo)致燃盡爐排上部溫度過高。垃圾料層也會偏高。通過料層厚度及燃盡爐排上部溫度分析，開始時燃盡爐排上部溫度七百多度，通過調(diào)整后，燃盡爐排溫度穩(wěn)定在五百多度，燃燒位置控制較好。

3 結(jié) 論

本次調(diào)試原則采取先硬件后軟件，在理論結(jié)合實際，結(jié)合以往項目調(diào)試中遇到問題，對邏輯進行合理優(yōu)化，對不同地區(qū)不同垃圾熱值的項目采取不同的方法。實施ACC控制，以8小時為標準，分別對主蒸汽流量與蒸汽流量設(shè)定值進行數(shù)據(jù)比較，垃圾層厚度與垃圾層厚設(shè)定值進行數(shù)據(jù)比較，煙氣中氧氣濃度與氧氣濃度設(shè)定值進行數(shù)據(jù)比較，爐內(nèi)溫度控制與爐內(nèi)溫度設(shè)定值進行數(shù)據(jù)比較，燃盡爐排上部溫度與燃盡爐排設(shè)定值溫度進行數(shù)據(jù)比較，各項指標都在合理范圍內(nèi)。本次ACC調(diào)試相對于人工運行更加穩(wěn)定，負荷更加高效，在運行中減少人工勞力，提高了生產(chǎn)效率，能夠提前預(yù)知焚燒狀況，并及時調(diào)整焚燒爐運行。