浅谈垃圾焚烧发电厂热工控制设计2011815

1、垃圾焚烧发电厂热工控制方案：摘要：本文以连江垃圾焚烧发电厂为例，阐述了垃圾焚烧发电厂控制的特点、策略、手段以及控制系统的确定。 关键词：垃圾，发电，热工控制 垃圾焚烧发电是国内近年来兴起的有效的集约化、规模化垃圾处理方式，这一产业也被归为朝阳产业。根据工程的可行性研究、初步设计和施工图设计，谈谈垃圾焚烧发电的热工控制。 一.工程概述 连江垃圾焚烧发电厂一期工程由两条焚烧线和一套汽轮机发电机组以及辅助系统组成。焚烧线主要工艺设备为两台日处理量为250t/d的逆、顺推炉排式垃圾焚烧炉，两台单锅筒自然循环余热锅炉，蒸发量为20t/h、过热器出口温度为400、压力为4.0MPa，两套烟气处理系统。汽轮

2、机额定功率为7500KW，进汽压力为3.8MPa。发电机年发电量6600万度。垃圾电厂的规模都比较小，但是整个垃圾焚烧发电厂涉及到的子系统与常规电厂相当，从控制策略、控制手段和控制规模上讲，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。 1.垃圾焚烧发电厂对热工自动化的控制要求 每天处理一定的垃圾量，并要求充分燃烧；通过燃烧控制使余热锅炉蒸发量稳定在额定值上；充分利用余热发电，提高经济效益；确保炉膛的温度，促进二恶英的分解；通过烟气处理，控制烟气排放参数在国家标准规定值以下；控制排放废物符合国家标准。 2.热工自动化：1)保证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、可靠的运行。在保证经济合理性

3、的前提下，遵照先进、适用的原则，尽量采用先进的技术、质量可靠的设备，并适宜地提高自动化水平。 2)本专业包括热工检测、热工报警、热工保护、热工控制等部分，尽量采用标准设计、典型设计和通用设计。 二.监控系统的构成 本工程以南京科远自动化集团股份有限公司的NT6000为核心构成DCS控制系统，完成对两条焚烧线和一套汽轮发电机组及其辅助系统和相应的热力系统的监控。并为二期设备预留相应的通道和容量。本DCS控制系统由现场控制站、操作站、通讯网络、现场仪表等构成。 1.监控系统的功能 1.1数据采集系统（DAS) 1)显示功能：包括回路操作显示，分组显示，棒状图显示，趋势显示，工艺流程图显示等等。 2

4、)报警管理：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。报警包括工艺参数越限报警、控制设备故障报警、控制系统自诊断故障报警等。 3)制表记录：包括操作工艺设备的记录与定期记录，事故追忆记录，联锁动作的记录，事故顺序（SOE)记录，跳闸一览记录等。 4)历史数据存储和检索、性能计算、指导信息、管理报告。 1.2模拟量控制系统（MCS) 控制系统能满足焚烧炉、锅炉和汽机及其辅助系统安全可靠、稳定高效运行。在系统故障时，自动地将系统无扰动地从“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。 1.3顺序控制系统（SCS) 以程序控制为基础，对下列系统进行

5、顺序控制，例如焚烧炉炉排的控制，汽机保护系统的控制，锅炉吹灰器和布袋除尘器反吹程序控制， 1.4开环控制和联锁控制系统 对于水泵、液位槽池等要求开环控制、联锁控制。 2.监控系统的构成 2.1现场控制站 控制站由控制器、输入、输出、通讯等单元构成。 为了确保汽轮发电机组更安全可靠运行，尽量减少停机，控制站采用双机热备结构。其中一台为控制主机，另一台为后备机，它随时准备在主机出现故障时代替主机来继续对I/O进行控制。 通讯系统为双缆冗余，部分重要输入、输出考虑冗余，参与保护的参数实现三取二信号输入以确保系统安全、可靠。三取二配置的I/O要接入不同的I/O模板上。每条焚烧线（焚烧炉和锅炉）各设一个

6、现场控制站。汽机设一个现场控制站。还有公用辅助系统设一个现场控制站。公用系统控制站还配有二个远程I/O 站，放置于综合水泵房。这样的系统可以使事故分散，更有利于焚烧炉与锅炉、汽机的单独安全运行。 2.2操作站 由工业级控制机与人机接口、操作台、打印机、彩色硬拷机等构成。 DCS 系统共提供8台全功能操作员站（3炉2机各1套，公用辅助系统1套，电气系统1套，值长站1套），布置在集控室内。提供2 台工程师站布置在工程师室内。 2.3打印机 一台用于报警打印，一台用于工艺过程参数打印，一台为彩色硬拷贝机。 3.监控系统可靠性措施 3.1控制站具有分散性 首先控制站在地理位置上是分散布置的，其次控制站

7、所实现的如数据采集、过程控制等按功能进行分散，也就意味着整个控制系统的危险性分散。 3.2冗余配置 1)控制站采用双机热备结构 2)通讯总线双缆冗余，重要的I/O通道冗余 3)操作站为多站配置，其中任一操作站故障其它站均能实现此站功能。 3.3锅炉和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。 3.4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，还考虑动作联锁，以便在危险的运行条件下使设备跳闸。 3.5当主控系统发生全局性或产生大故障时，为确保机组紧急安全停机，设置独立于主控系统的紧急停机按钮。锅炉操作台需要布置以下操作按钮：（1）、紧急停

8、炉（双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）、汽包事故放水门（双按钮，开、关各一副，加防护罩带指示灯）；（3）、向空排汽门（双按钮，开、关各一副，加防护罩带指示灯）。汽机操作台需要布置以下操作按钮：（1）、紧急停机（双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）、启动交流润滑油泵（单按钮，加防护罩带指示灯）；（3）、启动直流润滑油泵（单按钮，加防护罩带指示灯）；（4）、开真空破坏门（单按钮，加防护罩指示灯）；电气操作台需要布置以下操作按钮：（1）、紧急停发电机（双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）、分发电机灭磁开关（双按钮，加防护罩不带指示灯）；（3）、启动消防水泵（单按钮，加防护罩指示灯）；（4）、增磁、

9、减磁（各一副按钮，加防护罩指示灯）。系统配置如图一所示。 PROFIBUSMODBUSHARTeNET控制器接口机服务器客户端冗余I/O总线eBUSInternet专用隔离网关操作站工程师站企业范围的信息分析直观、易用的编程工具安全操作开放的通讯及系统集成工业标准 硬件平台 操作系统 网络结构1:1虚拟仿真完全集成的智能化现场设备管理现场总线连接 图一 三.垃圾焚烧炉、锅炉控制方式 垃圾焚烧炉的控制原则是按余热锅炉的蒸发量控制垃圾的投入量、炉排运动及一、二次燃烧空气量，保证余热锅炉效率最大。当炉膛温度850时，投入辅助燃烧器，确保二恶英的分解。垃圾焚烧炉、锅炉热工控制系统主要由以下几大部分构成

10、： 1)以DCS为核心的监控系统；（主控系统） DCS系统同时提供MODBUS和PROFIBUS两种通讯协议与控制子系统进行通讯。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。常用于智能仪表的通讯。PROFIBUS具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式IO的通信。是一种用于自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场智能化提供了可行的解决方案，最大优点在于具有稳定的国际标准保证，并经实际应用验证具有普遍性。常用于P

11、LC等车间级控制系统的通讯。2)焚烧炉综合燃烧控制系统（ACC）；（与主控系统通讯）通过PLC（S7-300）实现炉排液压自动控制和接受DCS来的含氧量、炉膛温度和主汽流量信号，可实现自动燃烧。ACC系统与总控室DCS的通讯采用ProfiBus-DP现场总线通讯。在本地操作面板上设有切换开关,可以选择”DCS信号接受/不接受”,当选择”不接受”时，DCS不能操作炉排系统所有动作，但显示仍正常。当选择”DCS信号接受时”,大部分动作都能本地(OP面板)和主控室同时操作,以最后操作的动作为最后指令。主要控制推料器、逆顺推炉排的进退，各个风门的开关，主油泵、滤油泵和冷却油泵的启停，还有行程和阀位的反

12、馈显示，液压站压力、油温、油位参数和泵的状态显示。还有相关控制变量的设定值进行设定，包括速度、时间和长短行程设定。其中对逆推炉排/顺推炉排/推料间隔控制中的”间隔开,间隔停”时间设定设有选择开关,当选择”本地”时（就地面板上“本地远方”指示灯变红色）,DCS不能操作;当选择”远方”时（就地面板上“本地远方”指示灯变无色）,本地不能操作。注意：推料/逆推/顺推/出渣DCS/PLC选择开关是共用一个的。对于少数操作不频繁的参数动作,DCS就不设操作,用户必须到本地操作面板去操作。 ACC与DCS系统之间有一个让ACC紧急停止信号硬接线，为无源常开触点。3)启动燃烧器控制系统，辅助燃烧器控制系统；（

13、在就地综合燃烧控制系统、主控制系统上监控。） 燃烧器控制逻辑由厂家根据具体情况进行PLC编程，通过硬接线方式与DCS系统进行通讯。实现远程和就地的燃烧器控制，在DCS上实现启停，油调节阀的控制，自动控制时设有点火允许开关，在现场的配合下，DCS向PLC发出吹扫指令，吹扫完成后实现点火。根据炉膛温度，DCS能够自动启停辅助燃烧器，确保炉膛温度不低于850。4)烟气净化处理系统；（与主控系统通讯）烟气净化系统PLC控制采用了西门子公司的S7-300 系列，可采用PROFIBUS协议与DCS系统通讯，需要进入的点达到500多点，按以往项目的经验，由于通讯的点太多，控制站的响应速度会变慢。为了避免出现

14、这种情况，建议采取以下几个控制方案： 烟气处理系统所有点采用硬接线方式进入DCS系统，此方案需要另购控制和信号电缆，信号分配器等，同时增加工程量。烟气处理系统和布袋除尘控制系统另外配一台上位机，通过以太网与PLC通讯，放在中控室进行监视和操作。此方案需要购买上位机、组态软件包，同时由工程师进行组态。将厂家配套的触摸屏移到中控室，以利于操作，现场检修时点动操作不方便，可通过对讲系统配合完成检修。5)就地监视仪表和控制设备；全厂各种电动门、电磁阀、电动机、执行器等控制均进入DCS集中控制并具有状态、故障显示，就地也可以实现控制功能。6)辅助设备控制系统；（如化学水及废水处理系统，与主控系统通讯。）

15、 化学水处理控制系统和污水处理控制系统各由一台PLC控制站和一台上位机组成控制系统，同时两台上位机可通过交换机组成一个对等的工业以太网络（通讯协议为TCP/IP），实现操作站和工程师站的互备。通过ProfiBus协议与DCS系统进行通讯，监视相关参数。飞灰固化控制系统操作不频繁,DCS就不设操作,用户必须到本地操作面板去操作。空压机控制系统，通过MODBUS协议与DCS系统通讯，监视空压机的运行状态，通过硬接线方式，实现DCS上的启停操作。7)电气综合自动化系统。通过MODBUS协议通讯或硬接线方式和DCS系统进行通讯，主要监视主变、厂用变，高低压配供线路的电压、电流、功率和电气主开关状态等。

16、8）烟气在线监测系统。（与主控系统通讯。） 烟气的污染源监测参数和排放参数通过硬接线进入DCS系统，另外提供一路给烟气净化处理系统作为控制变量。上位机通过串口与传输仪进行通讯，利用厂里电信局域网上传环保局。9）锅炉吹灰系统通过MODBUS协议与DCS系统进行通讯，监控吹灰系统的启停和手/自动、故障状态显示。10）地磅称重系统通过MODBUS协议与DCS系统进行通讯，仅上传日期、总重和净重数据。11）模拟屏数据显示，通过MODBUS协议与DCS系统进行通讯，按环保部门要求显示烟气、污水排放相关参数。1.焚烧炉燃烧控制系统 1)带有烟气中含氧量校正的一次风量调节； 2)二次风量调节； 3)一次风温

17、度调节； 4）按蒸发量控制的加料器往返速度调节； 5）按蒸发量控制的逆推炉排的往返速度调节。 2.锅炉控制系统 1)锅炉给水三冲量串级调节系统； 锅炉给水控制的主要任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量，保证锅炉进出的物质平衡和正常运行所需的工况，就是对锅炉汽包水位实现自动控制，使其在允许范围内变化，以提高锅炉汽轮机组的安全性和锅炉运行的经济性。 本工程采用常用的串级三冲量控制方式。串级三冲量控制系统原理框图如图二所示，该系统由主、副两个PI调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。这个系统有三个回路，即I为主回路，为副回路，为前馈回路，副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正

18、水位偏差，而前馈通道则用于补偿外扰，主要用于克服“虚假水位”现象。该系统的主调节器PI1为水位调节器，它根据水位偏差产生给水流量给定值，副调节器PI2为给水流量调节器，它根据给水流量偏差来控制给水流量，蒸汽流量信号作为前馈信号用来维持负荷变动时的物质平衡，由此构成的是一个前馈反馈双回路控制系统。该系统可保证稳态时汽包水位无静态偏差，其控制品质较高。为了测量准确，汽包的液位采取三选中的测量措施且汽包液位有汽包压力补偿，给水流量有给水温度补偿，主蒸汽流量要有主蒸汽温度与压力的补偿。 图二 2）过热蒸汽温度串级调节系统 锅炉汽包通道出来的过热蒸汽必须达到设计的温度，为此设计两级过热器蒸汽温度串级调节

19、系统。以末级过热蒸汽温度申级调节系统为例，由末级过热器汽温构成副回路，主汽温度构成主回路。对来自给水量或蒸汽流量的干扰，副回路能及时消除影响，并减少干扰对主汽温度的影响。在此控制系统中，副回路对主汽温度起粗调作用，而主调节器对主汽温度起细调作用。另外，汽温对象为一高阶惯性环节，它可用一个一阶惯性环节和一个纯滞后环节的串联近似，这样就可以用史密斯补偿器进行补偿，可以显著改善系统的调节品质。 3)炉膛负压调节系统； 4）减温减压器出口压力温度控制系统。 3.烟气处理控制系统 1)反应塔出口温度调节； 2）排烟量与中间反应物回流量间的自动调节； 3)排烟中HCL和SO2酸性气体含量与石灰乳量间的自动

20、调节。 4.程序、顺序控制系统（SCS) 程序、顺序控制主要在锅炉辅助控制系统中，包括： 启动燃烧器、辅助燃烧器、炉排漏灰系统、风机系统、布袋除尘器控制系统、石灰浆制备系统、锅炉定期排污系统、锅炉自动吹灰系统等。 5.锅炉保护系统 5.1事故停炉保护 由主控系统内完成。当停炉的条件出现时（按锅炉供货商提供的要求设计）保护系统能自动切断进入焚烧系统的垃圾和其他燃料，即加料器和炉排停止运动，关闭所有燃烧器，关闭所有风机。 锅炉安全保护系统包括：MFT、炉膛吹扫、油泄漏试验、锅炉点火、炉膛火焰监视和灭火保护功能、MFT首出原因和快速减负荷（RUN BACK）等。5.2局部保护 1)锅炉汽包水位保护

21、高水位保护：打开紧急放水电动门； 低水位保护：只能停炉。 2）主蒸汽压力超压保护：打开生火排汽电动门。 6.综合燃烧控制装置 由PLC构成的综合燃烧控制装置控制下列各环节，与主控系统通讯。 油压装置系统、加料斗档板、加料器系统、炉排系统、一次和二次燃烧空气系统、炉排漏灰排除系统、排炉渣系统、辅助燃烧器管理系统。 四.垃圾发电厂汽机的运行模式 1.垃圾焚烧发电厂汽机的运行模式有其自身的特点： 1)正常情况时 垃圾燃烧的热惯性很大，蒸发量不能立即改变。为了充分利用热能，必须至少有一台运行在前压调节方式下，这样才能保证机炉系统稳定运行。2)汽机检修时 当汽机故障检修时，焚烧炉应继续运行处理一定的垃圾

22、量，产生的多余蒸汽应经旁路冷凝系统冷凝后回收凝结水重复使用或者直接由旁路放空系统放空（这种情况造成能源的浪费），即停机不停炉。 3)汽机处于盘车与升速状态时 锅炉产生的蒸汽，除了全厂辅助用汽和汽机用汽外，多余的蒸汽应排入旁路冷凝系统或者直接由旁路放空系统放空。 4）当外电网发生故障时 应有一台汽机带厂用电运行在转速控制方式下。一般垃圾焚烧发电厂的厂用电为本厂总额定发电量的20左右，多余的蒸汽应通过旁路冷凝系统冷凝回收水。 2.汽机控制系统主要由以下几大部分构成： 2.1以DCS为核心的监控系统（主控系统） 1)汽机、除氧器模拟量控制系统（MCS)。 包括热井水位自动调节系统，除氧器液位自动系统

23、，除氧器压力自动调节系统等单回路控制系统。 2)一、二级减温减压装置压力、温度调节系统，也是单回路调节系统。只有在汽机停机或抽汽参数不符合要求时，调节系统才运行。 3)汽机紧急跳闸系统（ETS）。 由南京科远内部组网实现与DCS系统通讯。2.2汽机安全监视系统（TSI）主要监视汽机超速、轴振动、轴位移等参数，分别由汽机安全监视仪表和主控系统监视，以确保其系统安全性和数据可靠性。 2.3汽机数字电液调节系统 （DEH系统实现前压、功率、转速调节）由南京科远内部组网实现与DCS系统通讯。采用南京科远数字电液调节系统是一种汽轮机智能控制装置，它接受汽机转速、主蒸汽压力、发电机功率信号，经过速度负荷P

24、ID、限制控制PID和串级PID等运算后，输出控制信号给执行机构宋驱动进汽阀；此外还可实现一系列的系统保护。本工程中它要实现垃圾焚烧发电所要求的前压控制、功率控制和转速控制。在汽机正常运行时，有一台运行在前压调节状态下。外电网跳闸时，控制器切换到转速控制方式，带约20%的厂用电运行。控制框图如图三所示： 图三 2.4汽机联锁保护系统 汽轮机是在高温高压蒸汽推动下作高速运转的设备，在机组启动、运行或停机过程中，如果不按规定的要求操作，很容易发生叶片损坏、大轴弯曲等严重事故。汽轮机系统中还有很多辅机设备密切配合，协同工作来保证整个系统的正常运转。因此，必须对包括下列内容：润滑油压力过低、汽机超速、汽机轴位移大、冷凝器真空度过低、发电机故障、轴振动和轴承温度等进行监视和保护。汽机保护逻辑如图四所示。在汽机联锁保护系统中，重要的信号如汽轮机转速HH信号、凝汽器压力HH信号、润滑油压力LLL信号均采用"3取2”信号组合法，同时选择高性能指标的检测元件，保护系统的拒动作率和误动作率都很小，使得该系统的可靠性得到了很大的提高。 2.5机组保护 机组保护主要是机组的跳闸保护，由主控系统内完成。当汽轮机、发电机部分的跳闸条件出现时，保护系统能关闭汽机主汽门，调节门及抽汽逆止门，并立即投入旁路系统，保证系