垃圾焚烧发电厂控制系统设计.pdf

2 0 1 6年 4月 第 4 4卷 第 2期( 总第 2 4 3期) Ap r 2 0 1 6 Vo 1 4 4 No 2( S e r No 2 4 3 ) 垃圾焚烧发电厂控制系统设计 De s i g n of I n s t r u me nt Co n t r o l Sy s t e m f o r W a s t e I n c i n e r a t i o n Po we r P1 a n t 白永 凤 ， 刘 明 燕 ( 1 中国城 市建设研究院有限公司， 北京 1 0 0 1 2 0 ； 2 中国电力工程顾 问集团东北电力设计院有限公 司， 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘要 ： 以北京某垃圾 焚烧发 电厂为例 ， 采用 两炉一机 的配置方式 ： 2 5 ( 3 0 0 t d的垃圾焚 烧炉和 1 2 MW 凝式汽轮 发 电机组 。 并结合该厂工程实际 ， 从 控制系统设计 目标 、 系统构成 、 通 信网络、 控制功能及可靠性保障等方面进行分 析 ， 提 出了垃圾 焚烧发 电厂 的控制设计方案 ， 以实现集 中统一协调控制 ， 达 到高效 、 节能 、 安 全、 环保的 目的 。 关键词 ： 发 电厂 ； 垃圾焚烧 ； 控制系统 ； 设计 中图分类号 ： T K3 2 3 ； X 7 0 5 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 3 5 0 4 随 着城 市 规模 的扩大 和 人 口数 量 的增加 ， 垃 圾 围城的现象 日益严重 ， 影响了城市居住环境 ， 危害了 居民的身体健康 ， 降低了生活品质lI 1 1 3 】 ， 解决垃圾 围 城问题迫在眉睫 。垃圾焚烧发电是将垃圾变废为宝 的有效方法 ， 既可以降低固体废物的体积 ， 又可以将 资源回收利用进行发电【 4 。 。 为了使垃圾焚烧发电厂 安全、 高效 、 经济运行 ， 其 自动控制系统设计尤为重 要 。本 文 以北京某 垃圾 焚烧发 电厂为例 进行 控制 系 统设 计 ，其 中， 垃 圾 焚烧 规模 为 6 0 0 t d ， 主要 建 ( 构 ) 筑物包括 ： 焚烧主厂房 、 综合水泵房 、 油库油泵 房、 工业及消防水池等。 1 控制系统设计 目标 该 垃 圾 焚烧 发 电厂 采用 两 炉一 机 设 计方 案 ， 设 计 范 围包括 ： 2台 日处理 量为 3 0 0 t 的逆 推 式垃 圾焚 烧 炉 ， 2台 过 热 器 出 口温 度 为 4 0 0 C、 压 力 为 4 0 MP a的余热锅炉 ， 2套尾气 处理 系统 、 1台 1 2 Mw 凝 式汽 轮发 电机组 及各 辅助 系统 。 通 过 自动控制 系 统 中热 工过 程检 测 、 实时报 警 、 设备保护和实时控制等的标准、 典型、 通用设计 ， 保 证 了工艺设备对热工 自动化控制系统的要求 ， 确保 工艺设备能够安全 、 可靠地运行。 在保证经济性和合 理 性 的前 提 下 ， 遵 照 先 进 、 适 用 的原 则 ， 尽 量选 用 先 进技 术 。 该 自动 控 制 系统 应 达到 以下要 求 ： 保 证 每 天焚 烧垃圾的数量 ， 并且应充分燃烧 ； 通过 自动燃烧控制 系统使余热锅炉的蒸汽产生量保持在额定值上 ， 并 充分利用余热进行发电， 降低成本 ， 提高效益 ； 为加 强二嚼英的分解 ， 应使 烟气在温度高于 8 5 0区域 的烟道 中的停留时间大于 2 s ； 废气、 固、 液的排放应 不高于国家标准排放限值l_ 8 。 2 控制系统 的设计 根据 两炉 机 的设 计范 围， 以分 散控 制系 统 ( D C s ) 为核心 ， 构建全厂主控系统 ， 实现对整个垃圾 焚烧发电厂的焚烧炉、 余热锅炉、 汽轮发电机组及各 辅助 系统 的监视 和控 制 。 2 1控 制 系统 总体 设计 主控 系 统 充 分利 用 液 晶显 示 屏 、 大 型彩 色 背景 屏幕 、 打印机、 鼠标及键盘等人机交互工具 ， 对机组 进行实时监视和控制 ， 除机组启动前的准备工作和 垃圾卸 投料 及灰 渣输 送控 制外 ， 机组 的启停 、 正 常运 行和事故报警处理等都可以在 中央控制室内通过人 机交互 工 具完成 。 各辅助车间控制系统采用通讯网络或硬接线方 式与 集散 控 制 系统 连 接 ， 在 中 央控 制 室 内可 实 现对 辅助车间的控制和监视。 在一般情况下， 辅助车间可 实 现无 人值 班 。 收稿 日期 ： 2 0 1 6 - 0 1 1 5 作者简介 ： 白永风 ( 1 9 8 2 ) ， 女 ， 工程师 ， 从 事垃圾 焚烧发电工程设计工作。 3 5 2 O 1 6年 4月 第 4 4卷 第 2期( 总第 2 4 3期) Apr 2 01 6 Vo I 4 4 No 2 ( S e r No 2 4 3 ) 机组 的炉 、 机 、 电单元可实现一体化值班 ， 一名 值班操作员和两名辅助值班操作员即可完成单元机 组 的运行 控制 。 为保 证机 组 安全 、 可靠 、 经济 运行 ， 控 制 系统设 计包 括 ： 完备 的数 据采集 系 统 、 模 拟量 控制 系统 、 顺 序控 制 系统 、 主辅 机保 护及 联锁 系统 。 根 据垃 圾焚 烧厂 生产 工艺 和辅 助工 艺流 程特 点 以及控制水平的要求 ， 全厂集 中控制系统分为直接 由 D C S监控的系统 、 通过通信 网络或硬接线对设备 白带控制系统连接进行控制 的系统、 通过通信 网络 或硬 接线 对设 备状 态及 主要 参数进 行 监测 的系 统 。 直接 由 DC S控制 的系 统包 括 ： 余 热 锅炉 汽水 系 统 、 焚 烧 炉燃烧 空气 系统 、 热 力 系统 、 循 环 给水 系统 、 除氧给水系统 、 循环冷却水系统 、 油库油泵房系统、 汽轮 发 电机 系统 。 通过通信 网络或硬接线对设备 白带控制系统连 接进 行控 制 的系 统包括 ： 自动燃烧 控 制 系统 、 点 火燃 烧器控制系统、 辅助燃烧 器控 制系统、 炉排液压 系 统 、 汽 机 数 字 式 电液 调 节 ( I ) E H) 系 统 、 汽 机 紧急 跳 闸 系 统 ( E TS ) 、 汽 轮机 安 全监 视 ( T S I ) 系 统 、 烟气 净 化 系统 、 飞灰 输 送 控 制 系统 、 锅 炉 加药 系统 、 锅 炉 清 灰 系统 。 通过通信 网络或硬接线对设备状态及主要参数 进 行监 测 的系统 包 括 ： 化 学 水 系统 、 空 压 站 系统 、 烟 气 在线 监 测 系统 、 地 秤 称 重 系统 、 垃圾 吊控 制 系统 、 渣 吊控 制 系统 。 2 2 控 制 系统 的构成 D C S主 控 系统 由过 程 控 制 站 、 操 作 员 站 、 值 长 站、 工程师站 、 通讯 网络、 现场仪表等构成 。此外， 配 备必要的常规仪表和后备操作设备。控制系统通讯 网络 系统 采 用 3层 网络结 构 ： 由现 场 i o 网络 、 工业 控制级网络和管理层网络组成。 2 3 保 证控 制 系统可 靠性 的措 施 垃圾 焚烧 电 厂控制 系统 的可 靠性 是 电厂安 全文 明生产和经济高效运行的重要保障。提高控制系统 可靠性 的措施包括控制功能分散化 、 冗余配置、 连锁 跳闸、 故障诊断和紧急停机 。 主控系统备用容量和主 要 性 能 指 标 见 表 l ， MTB F 为平 均 故 障 间 隔 时 间 ， _ r I岫、 T M T B F 1 0 分别为超过 3 0 0 0 0 h 、 1 0 0 0 0 0 h的设 备可用 率 。 2 3 1 冗余 配 置 冗余配置是提高控制系统可靠性的有效措施 ， 包括控制站采用双机热备配置、 通讯总线双缆冗余、 远程 i o机箱 的电源冗余 、 重要 的 i o 通道冗余、 仪表电源采用双电源供电和操作员站多站配置等。 36 表 1 主控 系统备用容量和性能指标 项 目 备用 容昂 和性能指标 过程管 理 过程控制 系统显示精度 控制输出 控制器的工作周期 C P U 负荷率 存储 器占有 容量 I 0点裕量 I o插件槽裕量 通汛总线负荷率 事件顺序记录分辨率 操作 员站允许最大标签量 T M I B F 3 99 8 7 M T B F 1 0 9 9 8 不低于 0 1 满量程 不低于 0 2 5 满量程 模 拟 吊不 高 于 0 2 5 s 、 开 关 键 小 于 0 1 s 最 忙 时 ， 不 高 于 5 O ( 控 制 器) ， 不 高于 4 O V oo ( 操作员站) 不高于 5 O ( 内存) l 5 1 5 不 高 于 3 O 1 I l l s 至少应为 系统过程 I O 总数 的 2 0 0 控制系统和机组保护系统都需要 的过程信息， 分别 由各 自的测 量仪 表接 人不 同 的 i o通 道 。 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 ， 如 锅 炉 汽 包 水 位 ， 汽 机转 速 ， 汽机润 滑油 压力 ， 汽机 真空 度 ， 为确保 准确 动作 ， 均采 用 三取二 保护措 施 。 2 3 2连锁跳 闸 对每个独立的控制对象 ， 考虑有投入运行 的许 可条件 ， 以避免不符合条件的投运， 还应考虑动作联 锁 ， 以便在危险的运行条件下设备跳闸。 2 3 3 故 障诊 断 控 制系 统 I O 模 件 均有 自诊 断功 能 ， 以便在 控 制 系 统故 障 时 ， 既 能 够 直 观 、 方 便 地 将 故 障 信 息 显 示， 使其故障位置能尽快确定 ， 提高系统的运行可靠 性 ， 也可将信息通过网络提供给设备供应商 ， 由制造 厂提供解决故障方案。 2 3 4 紧急停 机 当主控系统发生全局性或重大故障时， 为确保 机组 紧 急安 全停 机 ， 设 置 下列 独 立 于 主控 系 统 的紧 急事故操作手段 ， 包括垃圾焚烧炉 、 余热锅炉、 汽机 紧 急跳 闸按 钮 和 直 流润 滑 油泵 、 交 流 润 滑油 泵 投入 按钮 等 。 2 4控 制功 能 2 4 1主要监 视 系统 2 0 1 6年 4月 第 4 4卷 第 2期( 总第 2 4 3期) Apr 2 0 16 Vo 1 4 4 No 2 ( S e r No 2 4 3 ) 控制系统中主要的监视系统包括数据采集系统 和汽轮机安全监视仪表。 数据采集系统包括显示 、 报 警管理、 制表记录、 历史数据存储及检索、 性能计算 、 指导信息和管理报告 。其 中， 显示包括 回路操作显 示 ， 分 组显示 ， 棒状 图显示 ， 趋势 显示 ， 工艺 流程 图显 示等 ； 报警管理包括报警显示 ， 可按报警时间， 报警 优先级 ， 报警区域， 报警类型来管理所有报警 ； 制表 记 录包括 定期 记 录 ， 事故 追忆 记 录 ， 事故 顺 序 ( S 0E) 记 录 ， 跳 闸一 览记 录等 。 汽轮机 安全 监视 系统 用于 连 续监视汽轮机运行过程 中的重要机械参数 ， 包括汽 机转速、 轴振动、 轴承振动、 轴位移 、 热膨胀、 胀差等。 2 4 2 模拟量控制系统 控制系统应满足垃圾焚烧炉、 锅炉、 汽机及其辅 助系统安全可靠、 稳定高效运行， 在系统故障时， 自 动将 系 统 无 扰 动 地 从 “ 自动” 方 式 切 换 为 “ 手 动 ” 方 式 ， 或从一 种控 制方 式转换 为 另一种 控制 方式 。 2 4 2 1 自动 燃烧 控制 系统 焚 烧 炉 燃 烧 过 程 的 控 制 由 自 动 燃 烧 控 制 ( AC C) 系统实现， 并可通过 D C S对 AC C的运行状 态 ( 如蒸汽压力、 蒸汽温度 、 蒸 汽流量、 炉排运动速 度 、 给料机运行速度等) 进行监控 。 马丁炉是通过蒸发量控制燃烧过程的， 即通过 蒸 汽实际值与设定值的偏差来控制垃圾给料机 、 炉 排和燃烧空气量。AC C系统根据过程工艺参数 ( 蒸 汽参数 、 焚烧参数等) 自动控制焚烧炉一余热锅炉的 燃烧过程。在实际运行 中， 当垃圾 的组成( 尤其是低 位热值) 与焚烧量发生变化时， 锅炉蒸发量、 烟气温 度 、 烟气排 放 量和 其他 条件 也会 发 生波 动 。AC C 系 统快速适应垃圾负荷( 量和热值) 的变化 ， 对垃圾焚 烧量、 一次风 、 二次风进行控制。通过操作给料机和 炉排直接控制垃圾入炉量 ， 进而控制焚烧温度， 保持 稳 定 的蒸 汽 量 。 2 4 2 2 汽轮机 控制 系统 汽轮机控制系统的重要功能是汽轮机的转速控 制 、 进 汽压 力 控 制 和功 率 控 制 ， 由 D E H 系 统 实 现 。 D E H 系统接受汽机转速 、 主蒸汽压力、 发电机 功率 信 号 ， 经 过速 度 负 荷 P I D、 限值控 制 P I D和 串级 P I D等运算后 ， 输出控制信号去执行机构调节汽轮 机进汽阀开度， 同时实现一系列的汽轮机系统保护。 2 4 2 3 其他控制系统 锅炉汽水控制系统主要包括锅炉汽包水位串级 三冲量调节 、 过热蒸汽温度串级调节、 炉膛负压调节 系统 等 。 烟气净化控制系统包括反应塔 出口温度调节、 按排烟中 HC 1 和 S O 酸性气体含量控制石灰浆加 入量 的 自动调 节 和烟气 NO 调节 。 2 4 3 程 序 、 顺序 控制 系统 按照生产运行要求 ， 对主设备及辅机划分成若 干个 功能 子组 ， 进行 有关 控制 。 控 制系统 可 以 自动 或 手动启动 停止包括相关的辅助设备在内的子系统。 通过设备颜色的变化在操作站显示屏画面上显 示每一个设备子系统连同相关设备的状态 ， 显示启 动允许条件 ， 操作顺序， 运行方式， 顺控的进程等等。 垃 圾 焚 烧 炉 、 锅 炉 和 汽 机 的控 制 包括 垃 圾 料 仓 门管理控制 、 焚烧炉料斗挡板开闭控制、 启动燃烧器 控制 、 辅助燃烧器控制 、 各段炉排控制 、 排渣机控制 、 锅炉灰渣输送控制、 炉排漏渣排放控制、 风机控制 、 反应塔与布袋除尘器控制、 石灰浆制备控制、 活性炭 喷射控制 、 碳酸氢钠喷射控制、 烟气净化系统中灰与 副产品输送控制、 尿素溶液制备及热解控制、 选择性 催 化 还 原 ( S C R) 控 制 、 选 择 性 非 催 化还 原 ( S N C R) 控制、 化学水系统控制、 汽机润滑油泵控制、 凝结水 泵控制、 循环水泵控制、 给水泵控制 、 电动阀和电动 风门控制、 油库油泵房控制、 各种贮槽液位控制系统 和旋转雾化器雾化控制系统等。 2 4 4 机 组跳 闸保 护 2 4 4 1 事故停炉保护 事故停炉保护由 D C S完成 。 当锅炉部分的跳闸 条件出现时 ( 按焚烧炉、 锅炉供应 商提供的要求设 计) ， 保 护系统 能 自动切 断进入 焚烧 系统的所有燃 料 ， 即加料 器 和炉排 停止 运动 ， 关 闭所 有燃烧 器 和风 机 。 2 4 4 2 汽 轮机 紧急停 机保 护 系统 在汽轮机本体发生故障、 发电机解列或辅机发 生故 障时 ， E T S立 即动作停机电磁阀、 汽轮机 自动 主汽 阀与电动主汽阀、 调节阀及抽汽逆止阀将汽轮 机停机 ， 同时关 闭汽轮机抽汽 阀、 启动盘车 ， 将汽轮 机退出工作状态以避免故障扩大或设备损坏。E TS 控制装置采用冗余配置 。 汽机停机联锁保护的信号包括润滑油压力过低 ( 三取二) ， 汽机超速( 三取二) ， 操作油压力过低 ， 汽 机轴位移大 ， 发 电机故障， 汽轮机胀差大， 冷凝器真 空度过低( 三取二) ， 汽轮机、 发电机轴振动大等涉及 机组安全的重要指标。 3 结束语 垃圾焚烧发电是解决城市垃圾处理问题的有效 3 7 2 0 1 6年 4月 第 4 4卷 第 2期( 总第 2 4 3期) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Ap r 2 01 6 Vo 1 4 4 No 2 ( S e r No 2 4 3 ) 途 径 。 控制 系 统是 垃圾 焚烧 电厂 的核 心 ， 关 系着 电厂 运行的安全性 、 可靠性和经济性 。 通过集散控制系统 进行全厂一体化设计 ， 将实 现垃圾焚烧发 电厂的集 中统一协调控制 ， 达到高效、 节 能、 安全 、 环保 的 目 的， 为垃圾焚烧电厂的发展和广泛应用提供保 障。 参 考 文 献 ： 1 张 天通 刍议垃圾 焚烧发 电飞灰 的污染 以及 控制 问题 E J 资源节约与环保 ， 2 0 1 5 ( O 8 ) ： 1 3 9 ， 1 4 2 2 陈宋璇 ， 黎小保 生活 垃圾 焚烧 发电 中二 嗯英 控制技术 研究进展 J 环境科 学与管理 ， 2 0 1 2 ， 3 7 ( O 5 ) ： 8 9 9 3 3 丁历威 ， 李 风瑞 城市垃圾 焚烧 发电技术及其 污染 物控 制 策 略 r I 浙 江 电 力 ， 2 0 1 0 ( 0 2 ) ： 5 5 5 8 ( 上接 第 3 2页) 表 4各指标的功效 系数 中， 且可靠性及社会环境指标最好 ， 因此综合指标最 优。 3 结论 本 文仅对 多 属性 决策 理论 在路 径方 案 比选 中 的 应用进行探讨研究 ， 从算例的计算结果可以看出， 不 同的决策方法存在一定偏差。科学合理的高压输 电 王小聪 ， 李茂东 ， 黎华 ， 等 生活垃圾焚烧 发电锅炉的稳 定 燃烧控 制与 调整 L J 节 能技术 ， 2 0 1 2 ， 3 0 (