垃圾焚烧发电厂自动控制系统的设计

垃圾焚烧发电厂自动控制系统的设计1引言垃圾焚烧是一种技术高度复杂，成本相对昂贵的生活垃圾处理技术。因此，无论是其发展源流与应用现状，目前均以欧美、日本等发达国家最具代表性。发达国家应用的垃圾焚烧技术，其特征代表了当前生活垃圾焚烧技术的最前沿，同时其所应用的垃圾焚烧技术对今后垃圾焚烧技术的发展也具有相当的指导作用。由于种种原因，我国生活垃圾焚烧技术的研究和应用起步相对较晚，垃圾焚烧技术的研究落后于发展需要，目前国内既缺少行业标准和专业规范，更缺乏完整、成熟、形成系统的设计技术。对垃圾焚烧及余热发电的自动控制系统设计更是缺少规程、规范和成熟的运行经验。而目前只有深圳建有比较正规的生活垃圾处理厂，其工程规模为日处理生活垃圾450T。一期工程于1988年11月投产，装有2台日处理能力为150t／d的日本马丁焚烧炉和1台5000kW汽轮发电机组及其配套设备。二期工程于1996年7月投产，增建1台处理能力为150t／d的国产垃圾焚烧炉和1台3000kW的汽轮发电机组及配套设备。由于建厂比较早，其自动化控制和检测水平不高，采用大量的常规仪表和控制开关进行手动控制。后经技术改造，增加了一套PLC控制系统，使其控制水平有了一定的提高，达到了正常运行时绝大部分的工艺过程操作与工艺参数的显示均能在中央控制室进行。下面就由3台日处理垃圾400吨的机械炉排焚烧炉配2台12MW汽轮发电机组组成的城市生活垃圾处理厂探讨其自动控制系统的设计方案。2艺流程简介机械炉排焚烧炉垃圾焚烧发电厂主要由地衡称重系统、垃圾卸料平台、垃圾贮坑、垃圾焚烧系统、余热利用系统、烟气处理系统、灰渣处理系统、助燃空气系统、废水处理系统等组成。生活垃圾由垃圾运输车运人垃圾焚烧处理厂，经过地衡称重后进入垃圾卸料平台，按控制系统指定的卸料门将垃圾倒人垃圾贮坑。垃圾贮坑内的垃圾由设在垃圾贮坑上方的吊车抓斗送人垃圾料斗，垃圾经斜槽与推料机推人焚烧炉内预热段。炉排在驱动机构的作用下使垃圾依次通过燃烧段和后燃烬段，燃烧后的炉渣落人炉渣贮坑。垃圾坑上部设有抽风口，抽出坑内有害气体，经蒸汽一烟气二级预热后送人炉内，作为焚烧炉的燃烧空气。燃烧产生的高温烟气，经锅炉各受热面吸热降温后，烟气经过干式RCFB烟气处理系统、布袋除尘器和引风机、烟囱排人大气。余热产生的蒸汽用于推动汽轮机带动发电机发电。3垃圾发电厂控制方式根据垃圾发电厂的规模和工艺特点，三条垃圾焚烧线、两台汽轮发电机组及相应热力系统可采用一套DCS进行集中监视和控制，同时考虑电气监控纳入DCS系统。在集中控制室内以彩色CRT、键盘作为主要的监视和控制手段，实现炉、机、电集中的监视和控制，还应设有紧急按钮，以便在DCS全部故障时，能进行紧急停炉、停机操作，并使炉内垃圾燃尽。在集中控制室设置有工业电视监视系统，对锅炉汽包水位、垃圾卸料区的操作和对焚烧炉内燃烧过程等进行监视。对于辅助系统如称重地衡系统、垃圾池抓斗、化学水处理、除灰系统等，在就地设有独立的控制设备和人机操作接口，用于调试、启动和异常时在就地进行监视和操作。采用通信方式或将辅助控制系统的上位机远距离设在集中控制室，在集中控制室内进行监视和操作。4控制系统组成根据垃圾发电厂工艺流程的特点，控制系统主要由分散控制系统(DCS)、焚烧炉燃烧控制系统(SIGMA)、启动燃烧器及辅助燃烧器系统、烟气连续测量监视系统、汽轮机控制系统(DEH)、汽轮机紧急跳闸系统(EST)、汽轮机安全监视系统(TSl)、辅助车间控制系统(化学水及废水处理控制系统、垃圾抓斗控制系统、除灰控制系统等)及电视监视系统等几部分组成。分散控制系统主要由控制站、数据通讯总线和人机接口设备等三部分构成。分散控制系统是主要的控制系统，其功能包括数据采集、闭环控制、开环顺序控制和联锁保护等。焚烧炉燃烧控制系统(SIGMA)为垃圾焚烧发电厂自控系统的核心部分，该系统一般由垃圾焚烧炉生产厂家自己配供，其功能由单独的PLC来实现，并能与DCS通讯，通过DCS的CRT进行监控。启动燃烧器及辅助燃烧器系统通过硬接线与SIGMA系统交换信息，其他系统或通过与DCS系统进行通讯或与DCS硬接线交换信息，最后统一由DCS进行监控。5控制系统功能5．1分散控制系统分散控制系统功能包括数据采集系统、闭环控制系统、开环／顷序控制系统和联锁保护等功能。a．数据采集系统(DAS)数据采集系统(DAS)的功能是连续采集和处理所有与系统有关的重要测点信号及设备状态信号，以便及时向操作人员提供有关的运行信息，实现系统安全经济运行。一旦发生任何异常工况，及时报警，提高系统的可利用率。DAS具本功能如下：1)显示：包括操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示、报警显示等。2)制表记录：包括定期记录、事故追忆记录、事故顺序(SOE)记录、追忆打印、跳闸一览记录等。3)历史数据存储和检索。4)性能计算。5)帮助指导。b．闭环控制系统(MCS)闭环控制系统(MCS)包括如下子系统：1)炉膛压力控制系统2)反应塔入口、出口烟气温度控制系统3)过热蒸汽温度控制系统4)汽包水位控制系统5)烟气SO2和HCL控制系统6)反应塔化学喷药控制7)滤沥液喷量控制系统8)旁路减温减压调节9)凝结水再循环控制系统10)除氧器水位控制系统11)除氧器压力控制系统12)低加水位控制系统13)给料溜槽闭式冷却水箱控制系统14)减温减压装置压力、温度控制系统其中反应塔人口、出口烟气温度控制系统、烟气SO2和HCL控制系统、滤沥液喷量控制系统、给料溜槽闭式冷却水箱控制系统是垃圾电厂不同与其它小型火电厂的控制系统。c．顺序控制系统(SCS)按照工艺系统及主要辅机的要求划分成若干功能子组进行控制。操作员能通过CRT／键盘对各个子功能组进行顺序启、停，对其中的单个设备进行启、停、或开关操作。5．2焚烧炉燃烧控制系统(SIGMA)焚烧炉燃烧控制系统是垃圾焚烧过程中非常重要的控制系统，是垃圾焚烧炉自动控制的核心部分，该系统运行的好坏将直接影响焚烧炉的运行状况和蒸汽产量，进而影响发电机组的发电量。该系统一般由垃圾焚烧炉生产厂家配供，由PLC来实现，并与DCS系统能进行通讯。控制对象包括垃圾加料器、加料斗开闭挡板驱动器、炉排驱动装置、炉渣滚筒、推灰器、自动润滑装置、筛灰装置、油压系统的驱动和控制装置、水洗净装置等。焚烧炉燃烧控制系统包括以下子系统：1)一次风量、温度控制系统2)二次风量、温度控制系统3)炉墙温度控制系统4)炉排控制系统5)炉膛出口温度控制系统5．3工业电视系统每台焚烧炉设置炉膛火焰监视电视系统一套，汽包水位监视电视一套。同时设置一套工业闭路电视监视系统，并在垃圾料斗、垃圾贮池、垃圾卸料平台、渣坑捞渣机出口设摄像头监视，以便实现在集中控制室进行垃圾抓斗、焚烧炉给料、捞渣控制。5．4烟气连续测量监视系统反应塔进口烟气分析(SO2、HCI、O2、HF、烟气流量、压力、温度)信号和反应塔出口烟气排放分析(SO2、NOx、O2、HCI、HF、CO、烟气粉尘含量、压力、温度、湿度)信号进入DCS系统进行控制调节和进入环境监测站。6控制系统可靠性措施6．1冗余配置1)主要的I／O通道冗余配置，并分别配置在不同I／O模板上。2)连接各分散处理单元、I／O处理系统、人机接口及系统外设等的数据通讯总线冗余配置，冗余配置的数据通讯总线在任何时候都同时工作。6．2分散控制系统备用余量1)通讯总线负荷率≤30％(以太网≤15％)2)控制器CPU的负荷率≤60％(最忙时)3)操作员站CPU的负荷率≤40％(最忙时)4)I／O模件槽裕量15％5)I／O点裕量10％6)系统电源负荷裕量40％6．3机组的重要保护和跳闸功能采用独立的多个测量通道。跳闸回路采取三取二逻辑。6．4当分散控制系统发生全局性或重大故障时，为确保机组紧急安全停机，应设置下列独立于DCS的紧急事故操作手段：1)垃圾焚烧炉——余热锅炉紧急停炉2)汽机紧急跳闸3)发电机紧急跳闸4)汽包事故放水门5)汽机真空破坏门6)直流润滑油泵7)交流润滑油泵8)电动给水泵6．5设置高可靠、高电源品质的控制系统电源。6．6分散控制系统DCS基本配置情况6．6．1系统提供的模拟量、数字量的数量和备用量情况如下：按规范书要求加10％后要求总点数为1738点，实际配置总点数为1976点。6．6．2DCS操作员站1)系统提供3个全功能操作员站(包括两台喷墨打印机)。2)每一个操作员站服务器都是冗余数据高速公路上的一个站，且每个主机操作员站有独立的冗余通讯处理模件，分别与冗余的数据总线相连。3)任何显示和控制功能均能在任一操作员站上完成。4)任何CRT画面均能在小于1秒的时间内完全显示出来。所有显示的数据每秒更新一次。6．6．3工程师站1)提供一套工程师站(包括一台激光彩色打印机)，用于程序开发、系统诊断和维护、控制系统组态、数据库和画面的编辑及修改。2)12程师站能调出任一己定义的系统显示画面。在工程师站上生成的任何显示画面和趋势图等，均能通过数据高速公路加载到操作员站。3)工程师站设置软件保护密码，以防一般人员擅自改变控制策略、应用程序和系统数据库。6．6．4系统配置了二级数据通讯网络，即机组控制级网络和外围设备级网络，通讯速率分别为100M和10M波特。6．6．5提供一个“数字主时钟”，使挂在数据高速公路上的各个站时钟同步、定时校准。“数字主时钟”本身须与电厂的主时钟同步，并自动同步校正，精度为0．5毫秒。7辅助系统热工目动化7．1垃圾抓斗控制系统系统采用可编程控制器(PLC)，并与DCS有通讯接口，主要数据送到DCS。可以在主控室实现全自动方式。就地值班室设有就地控制操作设备，运行人员可以在就地进行操作。7．2化学水处理控制系统化学水处理及其废水处理系统，设置独立的水处理车间，车间内设控制室。控制系统采用可编程控制器(PLC)。采用CRT／键盘构成监视和控制中心，远距离设置在集中控制室内。正常运行时就地无人值班，在集中控制室完成监视和控制。7．3循环水和燃油控制系统循环水控制系统和燃油控制系统由DCS进行监视和控制，不设独立的控制系统。7．4除灰控制系统系统采用可编程控制器(PLC)，并与DCS有通讯接口，主要数据送到DCS。可以在主控室实现全自动方式。8结束语由于我国生活垃圾焚烧技术的研究和应用起步较晚，垃圾焚烧技术的研究落后目前发展需要。对垃圾焚烧及余热发电的自动控制系统设计更是缺少规程、规范和成熟的运行经验。本人在考察了深圳市政环境综合处理厂的基础上，同时参照以往小型火力发电厂自动控制系统的设计经验，在重庆同兴生活垃圾处理厂投标工作中，进行了以上垃圾处理厂控制方式的设计。