摘要：本文以某垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目為例，介紹了垃圾焚燒發(fā)電廠熱的自動(dòng)控制系統(tǒng)和工藝流程、控制手段和控制系統(tǒng)的配置。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；自動(dòng)控制；發(fā)電

Design of Automatic Control System of Waste Incineration for Power Generation

1  前言      

垃圾焚燒是一種技術(shù)高度復(fù)雜，成本相對昂貴的生活垃圾處理技術(shù)。因此，無論是其發(fā)展源流與應(yīng)用現(xiàn)狀，目前均以歐美、日本等發(fā)達(dá)國家最具代表性。發(fā)達(dá)國家應(yīng)用的垃圾焚燒技術(shù)，其特征代表了當(dāng)前生活垃圾焚燒技術(shù)的最前沿，同時(shí)其所應(yīng)用的垃圾焚燒技術(shù)對今后垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展也具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)作用。

城市生活垃圾焚燒發(fā)電是把城市生活垃圾收集后，送入垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行焚燒處理。生活垃圾進(jìn)行高溫焚燒，在高溫焚燒中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為高溫蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的過程。

目前由于種種原因，我國生活垃圾焚燒技術(shù)的研究和應(yīng)用起步相對較晚，垃圾焚燒技術(shù)的研究落后于發(fā)展需要，目前國內(nèi)既缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)規(guī)范，更缺乏完整、成熟、形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。對垃圾焚燒及余熱發(fā)電的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更是缺少規(guī)程、規(guī)范和成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而目前只有深圳建有比較正規(guī)的生活垃圾處理廠，其工程規(guī)模為日處理生活垃圾450T。一期工程于1988年11月投產(chǎn)，裝有2臺日處理能力為150t／d的日本馬丁焚燒爐和1臺5000kW汽輪發(fā)電機(jī)組及其配套設(shè)備。二期工程于1996年7月投產(chǎn)，增建1臺處理能力為150t／d的國產(chǎn)垃圾焚燒爐和1臺3000kW的汽輪發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)備。由于建廠比較早，其自動(dòng)化控制和檢測水平不高，采用大量的常規(guī)儀表和控制開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制。后經(jīng)技術(shù)改造，增加了一套PLC控制系統(tǒng)，使其控制水平有了一定的提高，達(dá)到了正常運(yùn)行時(shí)絕大部分的工藝過程操作與工藝參數(shù)的顯示均能在中央控制室進(jìn)行。

垃圾焚燒發(fā)電廠主要由垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等組成。本文以2臺日處理垃圾350噸的機(jī)械爐排焚燒爐配1臺12MW汽輪發(fā)電機(jī)組組成的城市生活垃圾處理廠為例，探討其自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2  垃圾焚燒工藝流程概述

機(jī)械爐排焚燒爐垃圾焚燒發(fā)電廠主要由地衡稱重系統(tǒng)、垃圾卸料平臺、垃圾貯坑、垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)、燃燒空氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等組成。生活垃圾由垃圾運(yùn)輸車運(yùn)人垃圾焚燒處理廠，經(jīng)過地衡稱重后進(jìn)入垃圾卸料平臺，按控制系統(tǒng)指定的卸料門將垃圾倒人垃圾貯坑。垃圾貯坑內(nèi)的垃圾由設(shè)在垃圾貯坑上方的吊車抓斗送人垃圾料斗，垃圾經(jīng)斜槽與推料機(jī)推人焚燒爐內(nèi)預(yù)熱段。爐排在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下使垃圾依次通過燃燒段和后燃燼段，燃燒后的爐渣落人爐渣貯坑。垃圾坑上部設(shè)有抽風(fēng)口，抽出坑內(nèi)有害氣體，由一次風(fēng)機(jī)經(jīng)預(yù)熱器后送入到爐內(nèi)，作為垃圾焚燒爐的燃燒空氣。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，?jīng)鍋爐各受熱面吸熱降溫后，煙氣經(jīng)過干式RCFB煙氣處 理系統(tǒng)、布袋除塵器和引風(fēng)機(jī)、煙囪排人大氣。余熱產(chǎn)生的蒸汽用于推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 

3  垃圾發(fā)電廠的自動(dòng)控制方式 

本垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目由2條3500t/d垃圾焚燒線和1臺12MW的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組以及輔助公用系統(tǒng)組成。 主要包括垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等組成。

DCS控制系統(tǒng)完成對2條焚燒線和1臺汽輪發(fā)電機(jī)組及其輔助公用系統(tǒng)的監(jiān)控。DCS 控制系統(tǒng)由服務(wù)器、現(xiàn)場控制站、工程師站、操作員站、冗余通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場儀表等成。 

根據(jù)垃圾發(fā)電廠的規(guī)模和工藝特點(diǎn)，2條垃圾焚燒線、1臺汽輪發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)熱力系統(tǒng)可采用一套DCS進(jìn)行集中監(jiān)視和控制，同時(shí)考慮電氣監(jiān)控納入DCS系統(tǒng)。在集中控制室內(nèi)以彩色CRT、鍵盤作為主要的監(jiān)視和控制手段，實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電集中的監(jiān)視和控制，還應(yīng)設(shè)有緊急按鈕，以便在DCS全部故障時(shí)，能進(jìn)行緊急停爐、停機(jī)操作，并使?fàn)t內(nèi)垃圾燃盡。在集中控制室設(shè)置有工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，對鍋爐汽包水位、垃圾卸料區(qū)的操作和對焚燒爐內(nèi)燃燒過程等進(jìn)行監(jiān)視。

對于輔助系統(tǒng)如稱重地衡系統(tǒng)、垃圾池抓斗、化學(xué)水處理、除灰系統(tǒng)等，在就地設(shè)有獨(dú)立的控制設(shè)備和人機(jī)操作接口，用于調(diào)試、啟動(dòng)和異常時(shí)在就地進(jìn)行監(jiān)視和操作。采用通信方式或?qū)⑤o助控制系統(tǒng)的上位機(jī)遠(yuǎn)距離設(shè)在集中控制室，在集中控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視和操作。 

4  DCS控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)垃圾發(fā)電廠工藝流程的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)主要由分散控制系統(tǒng)(DCS)、焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)(SIGMA)、啟動(dòng)燃燒器及輔助燃燒器系統(tǒng)、煙氣連續(xù)測量監(jiān)視系統(tǒng)、汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(EST)、汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)(TSl)、輔助車間控制系統(tǒng)(化學(xué)水及廢水處理控制系統(tǒng)、垃圾抓斗控制系統(tǒng)、除灰控制系統(tǒng)等)及電視監(jiān)視系統(tǒng)等幾部分組成。

分散控制系統(tǒng)主要由控制站、數(shù)據(jù)通訊總線和人機(jī)接口設(shè)備等三部分構(gòu)成。分散控制系統(tǒng)是主要的控制系統(tǒng)，其功能包括數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、開環(huán)順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)等。焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)(SIGMA)為垃圾焚燒發(fā)電廠自控系統(tǒng)的核心部分，該系統(tǒng)一般由垃圾焚燒爐生產(chǎn)廠家自己配供，其功能由單獨(dú)的PLC來實(shí)現(xiàn)，并能與DCS通訊，通過DCS的CRT進(jìn)行監(jiān)控。啟動(dòng)燃燒器及輔助燃燒器系統(tǒng)通過硬接線與SIGMA系統(tǒng)交換信息，其他系統(tǒng)或通過與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊或與DCS硬接線交換信息，最后統(tǒng)一由DCS進(jìn)行監(jiān)控。

5  控制系統(tǒng)功能 介紹

5.1  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS) 

 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的功能是連續(xù)采集和處理所有與系統(tǒng)有關(guān)的重要測點(diǎn)信號及設(shè)備狀態(tài)信號，以便及時(shí)向操作人員提供有關(guān)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一旦發(fā)生任何異常工況，及時(shí)報(bào)警，提高系統(tǒng)的可利用率。DAS具本功能如下： 

    1)顯示：包括操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示、報(bào)警顯示等。 

2)制表記錄：包括定期記錄、事故追憶記錄、事故順序(SOE)記錄、追憶打印、跳閘一覽記錄等。

3)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索。     

4)性能計(jì)算。     

5)幫助指導(dǎo)。

5.2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

　（1）現(xiàn)場控制站

　　控制站由主控單元控制器、模擬量輸入輸出卡件、開關(guān)量輸入輸出卡件、網(wǎng)絡(luò)通訊等單元構(gòu)成。主控單元控制器采用雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)， 通訊系統(tǒng)也為雙網(wǎng)冗余。

?。?）操作員站

　　操作站、工程師站平時(shí)各自完成所控的對象，需要通過密碼身份驗(yàn)證登陸，賦予相應(yīng)權(quán)限。

?。?）打印機(jī)

　　控制系統(tǒng)設(shè)一個(gè)打印機(jī)（用于事件、報(bào)警、圖形、數(shù)據(jù)等打?。?，安放在工程師站內(nèi)。

　（4）電源

　　電源柜內(nèi)配置冗余電源切換裝置和回路保護(hù)設(shè)備。

5.3 順序控制系統(tǒng)(SCS) 

按照工藝系統(tǒng)及主要輔機(jī)的要求劃分成若干功能子組進(jìn)行控制。操作員能通過CRT／鍵盤對各個(gè)子功能組進(jìn)行順序啟、停，對其中的單個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟、停、或開關(guān)操作。

5.4 DCS監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò) 
　　DCS系統(tǒng)外部設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)有并支持，RS323 RS422/485接口MODBUS協(xié)議、及PROFIBUS -DP現(xiàn)場總線、HATE協(xié)議等。 DCS與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）配置一臺數(shù)據(jù)采集接口相連，數(shù)據(jù)采集接口功能由獨(dú)立操作員站完成并設(shè)防火墻。 

5.5  焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)(SIGMA) 

焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)是垃圾焚燒過程中非常重要的控制系統(tǒng)，是垃圾焚燒爐自動(dòng)控制的核心部分，該系統(tǒng)運(yùn)行的好壞將直接影響焚燒爐的運(yùn)行狀況和蒸汽產(chǎn)量，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。該系統(tǒng)一般由垃圾焚燒爐生產(chǎn)廠家配供，由PLC來實(shí)現(xiàn)，并與DCS系統(tǒng)能進(jìn)行通訊?？刂茖ο蟀ɡ恿掀?、加料斗開閉擋板驅(qū)動(dòng)器、爐排驅(qū)動(dòng)裝置、爐渣滾筒、推灰器、自動(dòng)潤滑裝置、篩灰裝置、油壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和控制裝置、水洗凈裝置等。焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：

   1)一次風(fēng)量、溫度控制系統(tǒng) ；2)二次風(fēng)量、溫度控制系統(tǒng) ；3)爐墻溫度控制系統(tǒng)； 4)爐排控制系統(tǒng) ；5)爐膛出口溫度控制系統(tǒng) 。

5.6  煙氣連續(xù)測量監(jiān)視系統(tǒng)

    反應(yīng)塔進(jìn)口煙氣分析(SO2、HCI、O2、HF、煙氣流量、壓力、溫度)信號和反應(yīng)塔出口煙氣排放分析(SO2、NOx、O2、HCI、HF、CO、煙氣粉塵含量、壓力、溫度、濕度)信號進(jìn)入DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)和進(jìn)入環(huán)境監(jiān)測站。

5.7  工業(yè)電視系統(tǒng)

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器置于電子間，在中控室設(shè)置監(jiān)視器，工業(yè)電視系統(tǒng)設(shè)置一套服務(wù)器可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查詢監(jiān)視。基本監(jiān)視對象有：門衛(wèi)室、地磅房、垃圾卸料平臺、垃圾進(jìn)料斗、爐膛火焰監(jiān)視、汽包水位、出渣口、煙囪、廠區(qū)等重要的設(shè)備安全及保安管理點(diǎn)。

6  其他輔助系統(tǒng)控制 

6.1  垃圾吊控制系統(tǒng) 

    系統(tǒng)采用西門子的可編程控制器(PLC)，并與DCS之間進(jìn)行DP通訊，進(jìn)行重要的重量和控制數(shù)據(jù)傳輸。

6.2  化學(xué)水處理控制系統(tǒng)

    化學(xué)水處理及其廢水處理系統(tǒng)，設(shè)置獨(dú)立的水處理車間，車間內(nèi)設(shè)控制室?？刂葡到y(tǒng)采用西門子可編程控制器(PLC)。采用CRT/鍵盤構(gòu)成監(jiān)視和控制中心，遠(yuǎn)距離設(shè)置在集中控制室內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)就地?zé)o人值班，在集中控制室完成監(jiān)視和控制。

6.3  循環(huán)水和燃油控制系統(tǒng) 

    循環(huán)水控制系統(tǒng)和燃油控制系統(tǒng)由DCS進(jìn)行監(jiān)視和控制，不設(shè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可對點(diǎn)火燃燒器和輔助燃燒器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 

6.4  除灰控制系統(tǒng)

    系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)，并與DCS間進(jìn)行通訊，將主要數(shù)據(jù)送到DCS中?？梢栽谥骺厥覍?shí)現(xiàn)全自動(dòng)方式。

7  結(jié)論

由于種種原因，我國生活垃圾焚燒技術(shù)的開發(fā)和研究起步相對較晚，垃圾焚燒技術(shù)的研究也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，對垃圾焚燒及余熱發(fā)電的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更是缺少規(guī)程、規(guī)范和成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。發(fā)達(dá)國家對垃圾焚燒技術(shù)的應(yīng)用和研究，其特征代表了當(dāng)前生活垃圾焚燒技術(shù)的最前沿和發(fā)展水平，其目前的垃圾焚燒技術(shù)對今后我國垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展也具有十分重要的指導(dǎo)作用。