垃圾焚燒電廠一鍵停機(jī)研究與應(yīng)用

第一作者簡介：牛亞東（1968-），副高級(jí)工程師，總經(jīng)理。研究方向?yàn)槔贌l(fā)電廠建設(shè)運(yùn)營管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.012

摘" 要：為提升垃圾焚燒電廠自動(dòng)化水平，研究垃圾焚燒電廠一鍵停機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡化流程控制邏輯，并基于電廠不同停機(jī)工況設(shè)計(jì)2種停機(jī)模塊，改造包括鍋爐與汽機(jī)及輔助系統(tǒng)全機(jī)組的一鍵停機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)投運(yùn)后證明，鍋爐與汽機(jī)及輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化的自停機(jī)功能，顯著降低各系統(tǒng)停機(jī)用時(shí)，提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。提出一種停機(jī)斷點(diǎn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)整體控制系統(tǒng)的集中性，提升機(jī)組運(yùn)行的管理水平，對(duì)推動(dòng)垃圾焚燒電廠自動(dòng)化運(yùn)行具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒電廠；斷點(diǎn)設(shè)計(jì)；一鍵停機(jī)系統(tǒng)；自動(dòng)控制；機(jī)組

中圖分類號(hào)：TM611.31" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0048-04

Abstract： In order to improve the automation level of municipal solid waste incineration power plant， the optimal design of one-button shutdown system of municipal solid waste incineration power plant is studied， the flow control logic is simplified， and two kinds of shutdown modules are designed based on different shutdown conditions of the power plant. the transformation includes the one-button shutdown system of the boiler， steam turbine and auxiliary system. After the system is put into operation， it is proved that the boiler， steam turbine and auxiliary system realize the integrated self-stopping function， which can significantly reduce the downtime of each system and improve the automation level of the system. A design of shutdown breakpoint is proposed to enhance the concentration of the overall control system and improve the management level of unit operation， which is of certain significance to promote the automatic operation of municipal solid waste incineration power plant.

Keywords： waste incineration power plant; breakpoint design; one-button shutdown system; automatic control; unit

根據(jù)國家相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年我國生活垃圾無害化處理率達(dá)99%，其中焚燒處理方式占比達(dá)72.53%。截至2023年7月，全國共有930家垃圾焚燒發(fā)電企業(yè)，年垃圾焚燒處理量超過3.82億t?，F(xiàn)有國家政策強(qiáng)調(diào)繼續(xù)推進(jìn)生活垃圾“零填埋”處理，可以預(yù)計(jì)，在未來相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)間內(nèi)，垃圾焚燒發(fā)電市場(chǎng)還將繼續(xù)擴(kuò)大?！半p碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是當(dāng)前我國推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要要求，電力與熱力生產(chǎn)業(yè)作為工業(yè)節(jié)能重點(diǎn)行業(yè)之一，理應(yīng)擔(dān)負(fù)起這一社會(huì)責(zé)任。機(jī)組啟停對(duì)熱耗和發(fā)電煤耗影響很大，統(tǒng)計(jì)資料表明，焚燒系統(tǒng)每次啟停消耗的燃料約為本機(jī)組在滿負(fù)荷下2～3 h消耗的燃料，機(jī)組每次啟停會(huì)損失約為3 kJ/（kW·h）的熱耗，相應(yīng)引起煤耗增加約0.1～0.15 kgce/（kW·h）。因此，實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停的高效化、一體化是焚燒發(fā)電企業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。目前，對(duì)汽輪機(jī)與輔機(jī)系統(tǒng)一鍵停機(jī)技術(shù)已有一定研究。李毅杰等[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)超超臨界1 000 MW機(jī)組自停機(jī)系統(tǒng)，所研究的APS停止設(shè)計(jì)了3個(gè)斷點(diǎn)，包括降負(fù)荷斷點(diǎn)、汽輪機(jī)解列斷點(diǎn)和機(jī)組停運(yùn)斷點(diǎn)，每個(gè)斷點(diǎn)作為各自獨(dú)立的順序控制系統(tǒng)。然而該系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制級(jí)操控范圍較小，部分功能組仍需手動(dòng)控制，且停止斷點(diǎn)順序控制邏輯復(fù)雜，無法適應(yīng)機(jī)組頻繁調(diào)峰運(yùn)行。陳琦等[2]對(duì)某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟停過程進(jìn)行研究，優(yōu)化了一鍵停機(jī)過程的原控制邏輯，提高了機(jī)組運(yùn)行安全性的同時(shí)，通過縮短啟停階段的時(shí)間，降低了燃?xì)廨啓C(jī)組NOx排放。曾文南等[3]針對(duì)某一火電機(jī)組，介紹了APS的結(jié)構(gòu)、斷點(diǎn)等設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化了模擬量控制回路的3種控制方式，解決了停機(jī)過程中設(shè)定值變化導(dǎo)致的回路擾動(dòng)過大的問題，提高了機(jī)組的安全運(yùn)行水平。但是，大型機(jī)組的自動(dòng)停機(jī)還存在許多未解決的難題，其中包含以下3個(gè)方面[4-6]。

1）當(dāng)汽機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其他原因需要停機(jī)時(shí)，爐側(cè)的垃圾燃燒一般不受影響，保持正常作業(yè)，繼續(xù)處理垃圾。因此，需要設(shè)計(jì)停機(jī)不停爐的工況以滿足垃圾焚燒廠的工藝特性，這對(duì)于APS停機(jī)程序控制是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。

2）現(xiàn)有的一鍵停機(jī)系統(tǒng)一般采用3層控制級(jí)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用斷點(diǎn)分層控制原則，在停機(jī)過程中設(shè)置的斷點(diǎn)數(shù)量過多，導(dǎo)致控制流程復(fù)雜，不利于機(jī)組控制效率的提高。

3）目前的研究主要針對(duì)于汽輪機(jī)及輔機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)停機(jī)，而對(duì)于包含鍋爐系統(tǒng)在內(nèi)的全機(jī)組的一鍵停機(jī)研究還留有空白，特別是對(duì)于垃圾焚燒電廠的全機(jī)組一鍵停機(jī)的研究。如何縮短在停機(jī)過程中人工干預(yù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全機(jī)組各系統(tǒng)間的自動(dòng)化識(shí)別和確認(rèn)，將是未來APS在垃圾焚燒電廠應(yīng)用研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

本文以垃圾焚燒電廠一鍵停機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)上述的3個(gè)難題提出一種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用于實(shí)際電廠的運(yùn)行調(diào)節(jié)中，為同類型機(jī)組一鍵停機(jī)的優(yōu)化提供參考。

1" 系統(tǒng)架構(gòu)

本文以廣東某縣域垃圾焚燒發(fā)電廠的改造項(xiàng)目為例。該廠三期采用850 t/d的機(jī)械爐排焚燒爐，搭配25 MW的凝汽式汽輪機(jī)組。該項(xiàng)目克服了傳統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)缺陷困難，解決了在實(shí)際投運(yùn)過程中不完全為自動(dòng)控制狀態(tài)，仍存在手動(dòng)干預(yù)的問題。該項(xiàng)目基于垃圾焚燒電廠各系統(tǒng)，設(shè)計(jì)全機(jī)組一鍵停機(jī)控制系統(tǒng)（APS），可以實(shí)現(xiàn)從汽輪機(jī)、輔機(jī)系統(tǒng)到鍋爐系統(tǒng)的一鍵停機(jī)。一鍵停機(jī)控制系統(tǒng)（APS）設(shè)計(jì)分為3個(gè)層級(jí)，分別為機(jī)組控制級(jí)、功能組控制級(jí)、功能子組及設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制級(jí)，如圖1所示。機(jī)組控制級(jí)作為控制命令的發(fā)起端，控制著整個(gè)程序的進(jìn)行，包括鍋爐總控單元、汽機(jī)總控單元和輔助系統(tǒng)總控單元。信號(hào)通過各總控單元輸出到各自的功能組系統(tǒng)，各功能組系統(tǒng)彼此間既有獨(dú)立工作的部分，也存在運(yùn)行邏輯間的先后順序，在滿足一定的條件后才會(huì)啟動(dòng)下一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制級(jí)接收到上一級(jí)功能組的信號(hào)后，做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)將信號(hào)反饋到各自的系統(tǒng)總控單元。

該APS系統(tǒng)在機(jī)組停機(jī)時(shí)共設(shè)有2個(gè)斷點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)垃圾焚燒電廠停機(jī)不停爐和停機(jī)停爐2種工況，如圖2所示。停止程控一對(duì)應(yīng)停止斷點(diǎn)一，主要負(fù)責(zé)機(jī)組降負(fù)荷打閘解列；停止程控二對(duì)應(yīng)停止斷點(diǎn)二，主要負(fù)責(zé)鍋爐和輔機(jī)停運(yùn)。當(dāng)停爐程控都執(zhí)行完畢，經(jīng)確認(rèn)選擇當(dāng)前模式為停機(jī)不停爐模式或者停機(jī)停爐模式后，方可繼續(xù)根據(jù)執(zhí)行停止程控二進(jìn)行停機(jī)。一般的電廠汽輪機(jī)組和輔機(jī)系統(tǒng)會(huì)設(shè)置3到5個(gè)斷點(diǎn)，具體為機(jī)組降負(fù)荷、發(fā)電機(jī)解列、汽輪機(jī)打閘和余熱鍋爐停止等。而該APS系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組停機(jī)過程的工藝特性，將斷點(diǎn)簡化為2個(gè)，把原本降負(fù)荷、解列和打閘的過程融合為一個(gè)斷點(diǎn)，另一個(gè)斷點(diǎn)控制鍋爐停爐，進(jìn)一步簡化了停機(jī)過程的邏輯控制，縮短了整機(jī)組的停機(jī)控制時(shí)間。除此之外，為了提高整體系統(tǒng)自動(dòng)化程度，還加入了圖像識(shí)別反饋環(huán)節(jié)。功能組程控中有環(huán)節(jié)需要工況狀態(tài)確認(rèn)時(shí)，如各輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和各工作完成情況，總控單元通過現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)攝像反饋的視頻畫面進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和相關(guān)設(shè)備信號(hào)反饋耦合自動(dòng)確認(rèn)，減少了人工確認(rèn)環(huán)節(jié)，極大提高了監(jiān)控人員的工作效率和機(jī)組的啟停機(jī)效率。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群晚憫?yīng)速度，采用PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，讓實(shí)時(shí)攝像畫面經(jīng)數(shù)據(jù)編譯后通過智能總線傳送至一鍵啟?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，同時(shí)也通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)主控界面上呈現(xiàn)出攝像畫面。

2" 垃圾焚燒電廠的一鍵停機(jī)

2.1" APS停止程控一

APS停止程控一包括燃油系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、輔燃系統(tǒng)、干法減溫水系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、活性炭系統(tǒng)、布袋系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)。

在APS停止總程控啟動(dòng)之前，選擇投入允許和APS停止模式投入后，APS自動(dòng)確認(rèn)各功能組系統(tǒng)均檢查完畢，方可滿足停止程控?cái)帱c(diǎn)一的啟動(dòng)條件。斷點(diǎn)啟動(dòng)的允許條件中各系統(tǒng)檢查卡包括工業(yè)水系統(tǒng)、空壓站系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)和脈沖吹灰系統(tǒng)，APS停止斷點(diǎn)一啟動(dòng)條件如圖3所示。斷點(diǎn)完成條件為：發(fā)電機(jī)有功功率小于3 MW；電動(dòng)主汽閥已關(guān)閉；機(jī)組并網(wǎng)開關(guān)分閘。

停止程控一中先執(zhí)行的是燃油系統(tǒng)投運(yùn)子程控，確保燃油系統(tǒng)正常運(yùn)行后，總控單元再發(fā)送停止投料的信號(hào)至操作室，確認(rèn)停止投料后同時(shí)執(zhí)行脈沖吹灰子程控、再循環(huán)風(fēng)機(jī)降頻和二次風(fēng)機(jī)停運(yùn)子程控、輔燃系統(tǒng)投運(yùn)子程控、減溫水退出子程控。輔助系統(tǒng)投運(yùn)后確認(rèn)推料器無料推出，先停止推料器，在確保爐膛上中層斷面溫度5 min內(nèi)均值大于850℃，確保垃圾全部燃盡，才可停爐降溫并停運(yùn)所有一次風(fēng)機(jī)，停止焚燒爐排，總控單元自動(dòng)在企業(yè)端標(biāo)記。經(jīng)過2項(xiàng)標(biāo)記停爐確認(rèn)后，執(zhí)行輔燃系統(tǒng)停運(yùn)子程控，滿足其完成條件后確保爐膛上中層斷面溫度5 min內(nèi)均值降至380℃，干氧小時(shí)均值在19%以上，總控單元自動(dòng)確認(rèn)并標(biāo)記停運(yùn)完成。輔燃系統(tǒng)停運(yùn)后的同時(shí)執(zhí)行布袋離線清灰子程控、SNCR停運(yùn)子程控、活性炭系統(tǒng)停運(yùn)子程控和干法系統(tǒng)停運(yùn)子程控。停止程控一確認(rèn)標(biāo)記停運(yùn)完成為結(jié)束。接著依據(jù)所需工況，操作人員選擇“停機(jī)不停爐”模式或“停機(jī)停爐”模式其中一個(gè)模式，在完成停止程控一的條件下，滿足條件啟動(dòng)停止程控二。

2.2" APS停止程控二

APS停止程控二包括旁路系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)。APS停止斷點(diǎn)二啟動(dòng)條件在于2種停機(jī)模式的選擇完成后，斷點(diǎn)完成條件為：風(fēng)煙系統(tǒng)停運(yùn)完成、撈渣機(jī)系統(tǒng)停運(yùn)完成、真空停運(yùn)完成、軸封停運(yùn)完成、EH油系統(tǒng)停運(yùn)完成和汽機(jī)盤車運(yùn)行。APS停止斷點(diǎn)二完成條件如圖4所示。

停止程控二啟動(dòng)時(shí)，停機(jī)前的旁路暖管功能組啟動(dòng)。當(dāng)高壓旁路入口溫度和主汽溫度偏差小于預(yù)設(shè)值、高壓旁路出口溫度和再熱入口蒸汽溫度偏差小于預(yù)設(shè)值、低壓旁路入口溫度和再熱器出口集箱溫度偏差小于預(yù)設(shè)值，旁路完成暖管。此時(shí)旁路投入功能組啟動(dòng)，高低壓旁路的減溫水隔離閥開啟，減溫水自動(dòng)投入，直至高低壓旁路均已自動(dòng)投入后軸封系統(tǒng)投運(yùn)。同時(shí)停機(jī)功能組啟動(dòng)，完成汽輪機(jī)停機(jī)。待主蒸汽壓力低于預(yù)設(shè)值，旁路退出功能組啟動(dòng)，高低壓旁路均退出。在旁路退出，汽機(jī)已打閘后，真空系統(tǒng)停運(yùn)功能組啟動(dòng)，停止運(yùn)行的真空泵并解除備用泵的聯(lián)鎖狀態(tài)。待真空達(dá)到預(yù)設(shè)條件，軸封系統(tǒng)停運(yùn)功能組啟動(dòng)，停運(yùn)軸封風(fēng)機(jī)。汽輪機(jī)停機(jī)完成后，當(dāng)潤滑油系統(tǒng)已投運(yùn)時(shí)投盤車功能組啟動(dòng)，使盤車開始工作；同時(shí)EH油系統(tǒng)停運(yùn)功能組啟動(dòng)。至此整個(gè)APS停止程控的執(zhí)行流程完成。

2.3 APS停機(jī)總流程

當(dāng)APS狀態(tài)為已投入的信號(hào)，APS機(jī)組處于啟動(dòng)模式的信號(hào)，機(jī)組降負(fù)荷打閘解列斷點(diǎn)已選擇與鍋爐和輔機(jī)停運(yùn)斷點(diǎn)已選擇的信號(hào)經(jīng)過或門輸出的信號(hào)，以上3個(gè)信號(hào)經(jīng)過與門后輸出的信號(hào)，則會(huì)最終決定APS停止總程控是完成，還是失敗還是進(jìn)行中。停止一階段各系統(tǒng)完成條件滿足后（即斷點(diǎn)四滿足完成條件），則會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)給APS停止總程控；停止二階段各系統(tǒng)完成條件滿足后（即斷點(diǎn)五滿足完成條件），也會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)給APS停止總程控。

為了更直觀地表現(xiàn)不同電廠APS停機(jī)斷點(diǎn)設(shè)置的區(qū)別，對(duì)幾個(gè)電廠的斷點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了列表分析[7-8]，見表1。

多數(shù)的電廠APS停機(jī)斷點(diǎn)設(shè)置在3個(gè)及以上，其中珠海電廠針對(duì)汽機(jī)和鍋爐部分再細(xì)分了一次斷點(diǎn)。本文的項(xiàng)目將降負(fù)荷和機(jī)組解列融合為一個(gè)斷點(diǎn)，鍋爐和輔機(jī)的控制融合為第二個(gè)斷點(diǎn)，大大簡化了邏輯控制過程。

2.4 APS一鍵停機(jī)應(yīng)用

將改造后的APS一鍵停機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到該項(xiàng)目垃圾焚燒電廠中，并順利通過測(cè)試投入使用。一鍵停機(jī)系統(tǒng)改造前后各系統(tǒng)程控所需用時(shí)見表2。

APS一鍵停機(jī)系統(tǒng)改造后，各系統(tǒng)程控用時(shí)有明顯的降低，對(duì)于用時(shí)較長的輔燃系統(tǒng)，其投運(yùn)用時(shí)降低了14 min，全過程停機(jī)時(shí)長從154 min降低到110.5 min，總計(jì)節(jié)省時(shí)間43.5 min。垃圾焚燒電廠作為環(huán)保發(fā)電企業(yè)，停機(jī)檢修是確保其安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)[9]?？s短其停機(jī)所需的時(shí)間，提升機(jī)組自動(dòng)化控制程度，是垃圾焚燒電廠向智慧電廠轉(zhuǎn)型的重要舉措，符合我國能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的潮流[10]。

3 結(jié)論

一鍵停機(jī)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用為垃圾焚燒電廠向數(shù)字化“智慧電廠”的轉(zhuǎn)化提供了技術(shù)支持。通過優(yōu)化停機(jī)系統(tǒng)斷點(diǎn)設(shè)置數(shù)量與位置，簡化停機(jī)過程控制邏輯。根據(jù)垃圾焚燒電廠停機(jī)檢修的不同情況，設(shè)計(jì)“停機(jī)不停爐”和“停機(jī)停爐”模式，靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)狀況。同時(shí)將全機(jī)組接入系統(tǒng)，耦合圖像識(shí)別反饋環(huán)節(jié)對(duì)各設(shè)備工況和完成情況進(jìn)行確認(rèn)，通過PROFIBUS總線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在系統(tǒng)上，減少了不必要的人工確認(rèn)環(huán)節(jié)，大大提升機(jī)組的自動(dòng)化程度。系統(tǒng)投入運(yùn)行后有效減少了停機(jī)用時(shí)，有利于提高機(jī)組運(yùn)行效率。

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