城市垃圾焚烧发电厂DCS控制系统设计说明书.doc

城市垃圾焚烧发电厂城市垃圾焚烧发电厂 DCSDCS 控制系统控制系统 设计说明书设计说明书 目目 录录 1设计目的和工艺说明设计目的和工艺说明 5 1 1 垃圾焚烧部分 5 1 1 1 焚烧炉工艺 5 1 1 2 烟气污染物处理设备及技术 6 1 1 3 结论 7 1 2 公共部分 7 1 3 汽轮机部分 8 1 3 1 调节系统 8 1 3 2保安系统 8 1 3 3汽轮机工艺控制设计 9 1 4 电力监控部分 10 1 4 1 电力设备监控与操作 11 1 4 2 数据采集与监测 12 1 4 3事故追忆功能 12 2系统结构系统结构 12 2 1概述 12 2 2系统结构 14 2 2 1概述 14 2 3项目结构 14 2 3 1工厂层级定义 14 2 3 2项目控制区定义 15 2 3 3权限管理 18 2 3 4消息报警功能 18 2 3 5归档设置 19 2 3 6程序运行速率 20 3命名规则命名规则 20 3 1层级文件夹 20 3 2CFC 20 3 3位号 TAG 命名规则 21 3 4操作台和计算机命名 21 3 5AS 站命名 22 3 6机架 DP 地址定义 22 3 7I O 机架命名 23 3 8机柜命名规则 23 3 9交换机命名 24 3 10OLM 光电转换器 24 3 11网线电缆 24 3 12终端总线计算机 IP 地址 24 3 13系统总线计算机 IP 地址 25 3 14MTA 25 3 15安全栅命名 26 3 16安全继电器命名 26 3 17硬件通道符号名 27 3 18MAC 地址定义 27 4操作界面操作界面 27 4 1总貌区域 29 4 2工作区区域 31 4 3系统功能栏 32 4 4操作员通过以下按钮集来实现标准消息列表 33 4 5组显示 34 4 6趋势图 35 4 7趋势组 36 4 8系统操作 37 5静态画面静态画面 39 5 1概述 39 5 2画面层级定义 40 5 3颜色约定 40 5 4线型约定 40 5 5字体及颜色定义 40 5 6概论 42 5 7通用设置 42 5 7 1PID 参数 42 5 7 2监测块参数 Measurement Parameters 42 5 7 3Tool Tip 文本 42 5 7 4流程画面动态元素刷新速率 43 5 7 5工程单位 43 5 7 6动态数据格式 43 5 8项目库 控制回路的定义 44 5 9动态图标库 45 5 9 1模拟量监测 45 5 9 2累计量 49 5 9 3PID控制 50 5 9 4手动控制回路 58 5 9 5数字量监测 59 5 9 6数字量控制 59 5 9 7阀 61 5 9 8马达 泵 64 1设计目的和工艺说明设计目的和工艺说明 众所周知 城市垃圾焚烧发电厂的建成和投入使用可极大地解决城市地区的垃圾堆积和环 境污染问题 采用生活垃圾焚烧发电的方式既可有效解决生活垃圾污染问题 又可实现能源 再生 本控制系统可靠有效的设计完全能满足垃圾焚烧发电的需要 保证垃圾焚烧发电厂的 安全 稳定运行 本文主要介绍城市垃圾焚烧发电厂DCS 控制系统在垃圾焚烧发电厂的应用 并对工艺流程和控制功能的设计思路进行详细的阐述 1 1 垃圾焚烧部分垃圾焚烧部分 锅炉出口烟气污染物的浓度 主要取决于生活垃圾的成分和焚烧工况的控制 在 相同的焚烧工况下 生活垃圾中含有经焚烧能产生相应污染物的物质越多 则锅炉出 口烟气污染物产生的浓度越高 例如含氯塑料的含量越高 则锅炉出口烟气中 HCl 气 体的浓度越高 在生活垃圾未完全分类收集的情况下 只有采取最佳的焚烧工况 尽量减小锅炉出口烟气污染物的浓度 影响锅炉出口烟气污染物浓度的焚烧工况包括 炉膛负压 炉膛温度 空气过量系数 烟气在高温 低温区域停留的时间 炉内气体 的湍流度等 1 1 1 焚烧炉工艺 城市垃圾焚烧发电厂装备 2 条 300t d 生活垃圾焚烧生产线 日处理生活垃圾 600t 2 台垃圾焚烧炉都从日本荏原公司引进 采用液压控制的双列顺推阶梯式炉排 系统 每列炉排又分成 4 个区 第一区为干燥区 第二 三区为焚烧区 第四区为燃 尽区 每个区都是相互交叠的固定炉排与可移动炉排组成 一次风从炉排下方吹人提 供垃圾焚烧需要的氧气并冷却炉排 这种炉排结构能使垃圾翻动 破碎并与氧气充分 接触 自动燃烧演算装置 ACC 能够根据焚烧炉内的焚烧工况 自动调整每个区的 炉排速度与一次风量 一次风压达到最优比例 保证生活垃圾的完全燃烧 释放出大 量的热量能使整个炉膛保持在较高温度 850 以上 有效的减少 CO 有机污染物 等各类污染物的生成 为了保证剧毒的有机污染物得到充分分解 日本荏原公司在焚 烧炉的出口设计了很长的绝热水平烟道 使得烟气在 850 以上的停留时间超过 2s 并且在这个烟道的人口处布置二次风 风温可调解 喷口 它能对烟气进行充分的扰 动 3T 控制法 在二次风口的左右侧墙上方各布置一只助燃燃烧器 在垃圾发热 量较低时 燃烧器自动投人使用保证烟气在焚烧炉的出口处能一直保持在 850 以上 通过采取上述措施 可以使在焚烧过程中生成的有机污染物绝大部分被破坏分解 最 终锅炉出口烟气中有机污染物的浓度得到最大限度的降低 1 1 2 烟气污染物处理设备及技术 通过控制焚烧工况可以减少烟气污染物生成 但是还需要经过特殊的烟气净化处 理才能达到排放标准 城市垃圾焚烧发电厂采用半干法除酸 活性炭喷射 滤袋除尘 器的处理工艺 并且配备烟气净化处理自动控制系统及烟气在线监测仪 这样就可以 保证烟气净化处理系统稳定 连续地运行 有效地去除烟气污染物 在半干式洗涤塔中 雾状的 Ca OH 2 与烟气中的酸性气体如 SO2 HCI HF 等经过充 分接触 发生酸碱中和反应 除去绝大部分酸性气体 酸性气体净化处理系统由石灰 浆制备系统 雾化喷入系统 半干式洗涤塔 袋式除尘器等组成 石灰浆制备系统主 要由石灰粉储罐 硝化器 储浆罐 浆泵组成 按照烟气中酸性气体浓度的大小连续 提供合适浓度 根据烟气在线监测仪监测到的各酸性气体的浓度 的石灰浆 雾化喷 人系统是利用压缩空气 将石灰浆雾化后在洗涤塔喉部喷人 石灰浆的喷人位置在半 干式洗涤塔的喉部 此处烟气流速较高能与石灰浆雾滴充分混合 接触反应 并且一 起向下流动 下进气 反之则为上进气 洗涤塔的高度决定了反应时间 它不但可 以使石灰浆雾与酸性气体充分反应 达到极高的去除效率 而且还可以把反应产物 CaSO3 CaC12 中的水分蒸发 成为干燥的颗粒物 其中较大的颗粒从洗涤塔底 部排出 较细小的颗粒随着烟气横向随烟气通过后续的滤袋除尘器时被捕集 这种半 干式的烟气净化处理工艺除了反应效率高 石灰浆利用率高之外 还有反应时间短 可以获得干燥的反应产物的优点 1 1 3 结论 采用了炉内控制焚烧与尾部烟气净化处理相结合的措施后 城市垃圾焚烧发电厂 垃圾焚烧系统排放的烟气污染物浓度将可以控制在较低的水平 1 2 公共部分公共部分 生活垃圾焚烧厂渗滤液成分复杂 含有高浓度有机物和盐分 如果直接回喷至焚烧炉内 焚烧处理 产生的成本折合成燃料计算成本将高达 122m 相比之下 将垃圾渗滤液集中进行 生化处理是一种经济有效的解决办法 据研究 生活垃圾在堆酵 48h 后 实际脱水率为 12 左右 垃圾整体减重可达 20 左右 焚烧厂垃圾渗滤液中氨氮含量高 可生化性较差 常给 生化处理带来一定的难度 采用厌氧处理后 渗滤液中一些难降解有机物被酸化水解成易于 生化的小分子化合物 氨氮含量随着苯胺类化合物等的分解还会有一定程度的升高 垃圾渗 滤液中铁 铅 锌 钙的浓度均较高 采用一套合适的工艺对处理效果致关重要 垃圾渗滤液经过细格栅后 除去渗滤液中的悬浮物及漂浮物 进入调节池 经泵提升至 UASB 上流式厌氧反应器进行厌氧发酵 产生的沼气接至垃圾焚烧炉助燃 污泥脱水后填埋或 焚烧 出水加 CaO 调碱度后自流进入 SBR 反应器 SBR 是一种具有较好的脱氮除磷功能的循环 间歇处理工艺 整个系统经历进水期 反应期 沉淀期 排水期和待机期 5 个阶段 而 SBR 反应器又分为三个区 一区为生物选择器 二区为兼氧区 三区为好氧区 出水流经生物选 择器区 既可提高系统的稳定性 防止产生污泥膨涨 又可发生比较显著的反硝化作用 出 水自生物选择器进入兼氧区和好氧区 该区主要完成降解有机物和硝化 反硝化过程 再经沉 淀期后外排 1 3 汽轮机部分汽轮机部分 汽轮机控制系统包括调节系统和保安系统 1 3 1 调节系统 调节系统是为了保证汽轮机组稳定运行和获得运行所需的静态特性 保安系统的作用则是当机 组出现危险工况时 保护机组的安全 汽轮机的主要用途 是用来驱动发电机发电 向用户输送电能 发电用汽轮机分为凝汽式和中 间再热凝汽式 另有一些型式的汽轮机 除驱动发电机发电外 还在其中某一级或一级以上抽汽 向热用户供热 这些汽轮机称为热电联供机组或称供热机组 发电用汽轮机具有转速调节系统 简称调节系统 用来维持机组等转速运行 以保证所提供的电能频率稳定 热电联供汽轮机 除 具有调速系统外 还具有调压系统 用以维持供热抽汽压力的稳定 转速调节和抽汽压力调节是 汽轮机的基本控制策略 调节系统由测速元件 给定机构放大器和执行机构等环节组成 根据 这些环节功能不同 可将调节系统划分为两部分 即控制器和执行器 控制器的主要任务是完成 控制策略运算 执行器的任务是根据调节器 控制器 的运算结果驱动和定位调节机构 液压调速系统控制器 由调速器 同步器 放大器 信号分配器等环节组成 控制策略为转速 有差调节 由调速器和同步器给出转速偏差信号 经过液压放大器放大 形成总阀位信号 经过 信号分配器控制各执行器 即油动机 由油动机驱动和定位汽轮机的调节机构 即调节阀 单机 运行时 同步器用来调整汽轮机转速 并网后 同步器用来调整分配给本机的负荷 为了适应现代汽轮机控制系统复杂的控制策略 数字电液控制系统应运而生 数字电调称为纯电调 或称全电调 简称 DEH DEH 控制器由微机系统组成 执行器由多个油动机组成的液压执行系统 1 3 2 保安系统 保安系统是汽轮机控制系统不可分割的部分 各种汽轮机保安系统的组成大致相同 主要包 括超速保护系统 危急遮断系统 挂闸系统和各种试验系统 其中遮断系统与汽轮机监视系统 TSI Turbine Supervisory Instrumentation System 的遮断信号和其它设备来的遮断信号接口 1 3 3 汽轮机工艺控制设计 本系统针对的汽轮发电机组采用抽凝式 它的热工检测及控制系统可以分为 模拟量控制系统 MCS 系统 顺序控制系统 SCS 数据采集系统 DAS 和紧急跳闸系统 ETS 这几 个系统按照目前的计算机的安全系数 可以将这几个部分用一个集散控制系统来完成 通过一个 系统将这几个部分有机的结合在一起 实现功能的统一 减少了维护人员的工作负担 汽轮发电机组的工艺流程图如下所示 1 3 3 1 模拟量控制系统 MCS 在汽轮发电机组中模拟量控制系统中 都是单回路调节控制 一般分为 除氧器水位和压力调 节系统 高压减温减压器的温度和压力调节系统以及低压减温减压器的温度和压力调节系统 1 3 3 2 除氧器压力调节系统 在除氧器压力调节系统中 机组启动期间使用的是减温减压器来的蒸汽 机组正常运行后使用的 汽轮机的调整抽汽 这样来维持除氧器压力在预先的设定值 在正常运行工况 设定值跟踪除氧 器压力 在除氧器压力调节系统中 除氧器压力测量值与给定值一起送入 PID 中进行运算 运算 结果用来调整除氧器压力调节阀 维持除氧器压力在预先设定值 1 3 3 3 除氧器水位调节系统 除氧器水位调节系统中使用的水是来自脱盐水 通过调节脱盐水管道上的调节阀来控制除氧器的 水位 除氧器控制如图所示 1 3 3 4 减温减压器调节系统 高温减温减压器系统和低温减温减压器系统的工作原理都是一样的 它们都是通过调节进入减 温减压器的蒸汽量调节阀来控制减温减压器出口的蒸汽压力 同时通过调节进入减温减压器的减 温水调节阀来控制减温减压器出口的温度 因为高温减温减压器和低温减温减压器都是相同的工 作原理 所以他们都是单回路控制 控制手段非常的简单 减温减压装置控制如下图所示 1 4 电力监控部分电力监控部分 ECS 监控系统 Electric Control System 主要对城市垃圾焚烧发电厂的电力设备包括发电机 变压器 断路器以及隔离开关进行远程的状态监测和操作控制 并通过 PROFIBUS 总线通讯 技术实现与其他电力智能设备 例如 UPS 直流屏 电度表 励磁装置 同期装置 快切装 置 通讯 从而对重要的电力参数进行监测 记录和管理 实现四遥 遥测 遥信 遥控 遥 调 功能 通过全厂电力设备的一体化管理 提高城市垃圾焚烧发电厂电力监控的自动化水平 监控主画面 1 4 1 电力设备监控与操作 操作员通过 DCS 监控画面可对电厂所有电力电气设备进行监视和控制 实现发电厂机组 电气自动化 包括发电机保护 变压器保护 联络线保护 厂用电系统 发电机录波 励磁 同期 UPS 直流系统 电度表等的监控和管理 电厂监控系统可以实现不同对象的分区 分权限管理功能 发电机监控画面 1 4 2 数据采集与监测 信号类型有模拟量信号 电流 电压 有功功率 无功功率 频率 功率因数 温度 等 开关量信号 位置及状态信号 事故信号 预告信号 BCD 码 公用信号等 和智能 接口数据 发电机励磁装置 微机保护数据 电度量采集数据 火灾报警系统数据 智能 直流系统数据等 ECS 监控系统对采集的电力数据进行实时的显示 并保存在系统的数据 库里 供操作员查询 分析 1 4 3事故追忆功能 当发电厂的线路 母线 主变发生短路或接地故障 主变 电容器 电抗器本体等出 现故障 引起保护及自动装置动作 开关跳闸 产生事故总信号时 系统将把事件过程中 各测点的动作顺序 以毫秒级的分辨率正确记录下来 进行显示 打印和存贮 供事故分 析 处理和查询 每条信息包含发生的时间 描述及动作状态 系统可无限期保存事件顺 序记录条文 SOE 的分辨率为 1ms 事故追忆功能可按用户需求自行配置事故前后的数据 记录间隔和数据长度来分组记录事故时数据 系统同时存贮 24 个以上的事故追忆报告 事故追忆的触发可以是开关的事故跳闸或人工触发 系统支持多重事故追忆 2系统结构系统结构 2 1 概述概述 在城市垃圾焚烧发电厂中 电气项目为一套 DCS 系统 在 DCS 系统中采用单站方式有 4 个 DCS 客户机操作站 2 个工程师站 一个 OPC 服 务器 一个中央归档服务器 4 台打印机 在 DCS 中由 SIEMENS 工业级以太网交换机 SCALANCE X216 和 X204 2 构成两级数据 传输速率为 100Mbit s 环型网络 系统总线与终端总线 在环型网络的某一个节点出现故障时 环形网络会在 0 3 秒内重建通讯通道 现场系统总线与 DCS 系统总线之间通过冗余光缆连接 通讯速率为 100Mbit s 一个为 Standby Master 一个为 Standby Slave 当 Master 通讯中断时 系统自动切换到 Slave 通讯 DCS 中的工程师站和操作员站提供大部分的工程操作和数据归档功能 整个系统的结构可以分为 2 层 控制器层 通过现场总线层实现对现场仪表的监测和输出控制 系统网络层 所有现场控制器 工程师站 操作员单站通过系统网络连接到一起 2 2 系统结构系统结构 2 2 1概述概述 如下的是关于系统结构总貌 ES Redundant ISO 100Mbps Fiber Ring System Bus Redundancy Server City Garbage DCS Project Fiber Optic Cable for Ethernet Twist Cable for Ethernet Profibus DP 100Mbps Terminal Bus Pr ofi bu s D P Pr ofi bu s D P Pr ofi bu s D P ET200M 电气系统 414H Profibus DP ET200M 公用系统 414H Profibus DP SIS接口机DLP Laser Prt 1 Laser Prt 2 图 2 1 系统结构总貌 2 3 项目结构项目结构 2 3 1工厂层级定义工厂层级定义 通常来说 建议在项目中定义清晰的工厂层级结构 如下图所示 一个工厂有若干过程区 域 一个过程区域分为若干单元 一个单元分为若干子单元 最多可以扩展 8 级 在每个子 单元下可以定义若干现场回路 与这些现场回路相关的流程画面与这些回路逻辑定义在相同的 子单元目录下 Plant Overview Process Area 1 Unit 1Unit 2Unit n Process Displays Faceplates Process Area n Unit 1Unit 2 Unit n Process Displays Faceplates Process Displays Faceplates Process Displays Faceplates Process Displays Faceplates Process Displays Faceplates 此项目层级结构原则如下 工厂层级层级类型HMI 对应画面 1 单元单元总貌图 2 工艺段工艺段原则流程图 3 子工艺段对应流程图 表 2 1 层级结构定义 2 3 2项目控制区定义项目控制区定义 控制系统分为 1 个操作区 12 个控制区 如下表 2 1 相同控制区 Ctrl No 的单元属于同一操作区 同属同一控制区的操作员站可以控制同一 区内的所有单元数据 同时对同属同一操作区的其它单元只有监视权限 AreaArea No No CtrlCtrl No No PH1PH1PH2PH2UnitUnit NameNameDCSDCS ClientClient 11Oxidation 氧化 11OxidationPID 2 30 异丙苯碱洗 11OxidationPID 3 4 氧化进料槽 11OxidationPID 5 氧化进料预热 11OxidationPID 6 空气碱洗塔 11OxidationPID 7 第一氧化塔 11OxidationPID 8 第一氧化塔外循环 11OxidationPID 9 第二氧化塔 11OxidationPID 10 第二氧化塔外循环 11OxidationPID 11 第三氧化塔 11OxidationPID 12 第三氧化塔外循环 11OxidationPID 13 氧化出料 11OxidationPID 14 17 氧化泄放槽 11OxidationPID 15 氧化尾气催化处理 11OxidationPID 16 氧化尾料 11OxidationPID 16 氧化尾料 12Condense 提浓 12CondensePID 18 一级提浓塔 12CondensePID 20 二级提浓塔 12CondensePID 19 21 23 24 提浓冷凝真空 12CondensePID 22 提浓出料 12CondensePID 30 CHP 排液收集 13Break up 分解 13Break upPID 25 硫酸 13Break upPID 26 分解反应器 13Break upPID 27 29 分解出料 13Break upPID 28 二级分解 13Break upPID 31 32 中和 13Break upPID 33 中和洗涤 13Break upPID 34 36 中和聚结丙酮汽提 13Break upPID 35 MHP 分解 13Break upPID 71B 酚放净槽 14Acetone 丙酮 14AcetonePID 38 39 精馏进料槽 14AcetonePID 40 42 粗丙酮塔 14AcetonePID 41 粗丙酮塔顶出料 14AcetonePID 43 47 精丙酮塔 14AcetonePID 44 45 46 精丙酮塔顶出料 15Phenol 苯酚 15PhenolPID 48 粗苯酚塔 15PhenolPID 49 50 粗苯酚塔顶出料 15PhenolPID 51 52 53 重组分塔 15PhenolPID 54 脱烃塔 15PhenolPID 55 56 脱烃塔顶出料 15PhenolPID 57 58 苯酚第一树脂床 15PhenolPID 59 苯酚第二树脂床 15PhenolPID 60 精苯酚塔 15PhenolPID 61 62 精苯酚塔顶出料 16AMSAMS 16AMSPID 63 64 AMS 水洗碱洗 16AMSPID 65 AMS 塔 16AMSPID 66 67 68 AMS 塔顶出料 16AMSPID 69 加氢反应器 16AMSPID 70 加氢反应器出料 16AMSPID 71A 酚放净槽 17Extraction 萃取 17ExtractionPID 72 脱酚进料槽 17Extraction PID 73 78酚水槽 17ExtractionPID 74 74A 放空洗涤塔 17ExtractionPID 75 萃取塔 17ExtractionPID 76 溶剂再生槽 17ExtractionPID 77 脱酚溶剂槽 18Utility 公用工程 18UtilityPID 79 80 硫酸槽 18UtilityPID 81 激冷水 18UtilityPID 82 83 碱液 18UtilityPID 84 85 86 蒸汽 18UtilityPID 87 88 冷冻水 19Storage tank 中间罐区 19Storage tankCumeneTank 异丙苯槽 污水隔油池 19Storage tankAcetoneTank 丙酮产品槽 19Storage tankPhenolTank 苯酚产品槽 19Storage tankAMSTank 粗 MAS 槽 污水水槽 110FG 可燃气体报警 110FGCentralphase 中间罐区 110FGNewphase 新区 110FGOldphase 老区 表 2 2 操作控制区定义表 2 3 3权限管理权限管理 对每个装置设置三个不同级别的操作用户组 即操作员 工艺工程师和仪表工程师级别 Group 组Rights 权限 Monitoring 监视用户只监视过程参数 不操作 Operator 操作员基本的参数设定 操作 Technical 工艺工程师上述所有 PID 参数的修改 高报警和低报警的修改 Engineer 仪表工程师高高报警 低低报警的修改 及其它所有系统功能 表 2 3 功能 权限分类 根据如上所示权限定义 对于 PCS 7 的权限设置具体如下 功能功能描述描述监视权限监视权限 操作员权限操作员权限 工艺工程师工艺工程师 权限权限 仪表工程师仪表工程师 权限权限 User Administration 用户管理 调用用户管理员 进 行更改 YES Authorization for Area 区域权限 变更区域 YESYESYESYES System change 系统切换变更系统状态 YES Monitoring 监控显示工厂状态 YESYESYESYES Process controlling 过程控制 变更过程值 YESYESYES Higher process controlling 高级过程控制 变更 设置参数 YESYES Report system 报表系统 启动报表编辑器 YES Archive controlling 存档控制 对存档数据进行备份 YES System 系统 系统功能 如退出 Wincc 仿真 YES 表 2 4 权