垃圾焚燒爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾衛(wèi)東，田 爽，袁亞輝，常威武

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垃圾焚燒爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾衛(wèi)東，田 爽，袁亞輝，常威武

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

垃圾焚燒爐由于垃圾成分復(fù)雜及熱值不穩(wěn)定，導(dǎo)致其燃燒控制滯后時(shí)間長(zhǎng)，焚燒爐燃燒系統(tǒng)多處需要手動(dòng)控制運(yùn)行。本文提出適合垃圾焚燒爐運(yùn)行工況的自動(dòng)燃燒控制（ACC）系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括蒸發(fā)量控制模塊、垃圾料層控制模塊、焚燒爐爐內(nèi)溫度控制模塊、爐渣熱灼率控制模塊、氧量控制模塊，通過(guò)給料速度、爐排速度、燃燒用風(fēng)量及垃圾層厚度計(jì)算等實(shí)現(xiàn)了垃圾焚燒爐的自動(dòng)燃燒控制。將該ACC系統(tǒng)應(yīng)用于某垃圾焚燒發(fā)電廠，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，ACC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾焚燒爐穩(wěn)定燃燒，環(huán)保參數(shù)無(wú)波動(dòng)，生產(chǎn)指標(biāo)符合要求。

垃圾焚燒爐；自動(dòng)燃燒控制；一次風(fēng)；爐排；垃圾層厚度；控制模塊

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃得到更多的支持[1]。垃圾發(fā)電是一種重要的無(wú)害化處理方式。在垃圾發(fā)電廠中焚燒爐控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵。原有進(jìn)口垃圾焚燒爐排國(guó)產(chǎn)化后，配套的自動(dòng)燃燒控制（auto combustion control，ACC）系統(tǒng)均以技術(shù)保密為由，未對(duì)國(guó)內(nèi)用戶(hù)開(kāi)放[2]。國(guó)產(chǎn)爐排生產(chǎn)商只能自主研發(fā)ACC系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)ACC系統(tǒng)大部分僅限于爐排本體的控制，對(duì)垃圾熱值的估算主要依靠機(jī)組蒸發(fā)量的反算，因而造成控制滯后，對(duì)燃燒風(fēng)、垃圾給料、爐排等未能形成有效的閉環(huán)控制，導(dǎo)致ACC系統(tǒng)投入過(guò)程中，出現(xiàn)偏料、空料、風(fēng)機(jī)頻繁動(dòng)作等問(wèn)題，所以目前各垃圾發(fā)電廠ACC系統(tǒng)的投入率較低。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，在垃圾層厚度估算中引入經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行修正，不依賴(lài)機(jī)組蒸發(fā)量進(jìn)行反算。減少了ACC系統(tǒng)控制的滯后誤差，使ACC系統(tǒng)控制趨于穩(wěn)定，增加了ACC系統(tǒng)投入率。

1 自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ACC系統(tǒng)是針對(duì)多變的垃圾成分及不穩(wěn)定的垃圾熱值特點(diǎn)，為從余熱鍋爐取得對(duì)應(yīng)垃圾處理量的穩(wěn)定蒸汽量，而對(duì)垃圾焚燒爐的運(yùn)行工況進(jìn)行自動(dòng)燃燒控制。

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)及難點(diǎn)

1）由于國(guó)內(nèi)垃圾成份復(fù)雜[3]，無(wú)分揀工藝，熱值變化大，這樣導(dǎo)致進(jìn)入爐內(nèi)的熱量不斷變化，進(jìn)而引起鍋爐負(fù)荷的頻繁波動(dòng)。

2）燃燒過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，從垃圾生料到垃圾燃盡出渣需要2~3 h。

3）爐排料層厚度不均勻，爐排共由5段爐排片組成，垃圾自高向低依次下滑，需要經(jīng)歷干燥段、燃燒段、燃盡段3個(gè)燃燒工藝。退料及爐排動(dòng)作的不同步極易造成偏料、空料情況發(fā)生[4]。

4）燃燒狀況無(wú)直接參數(shù)確定，只能靠爐排片溫度、風(fēng)壓及人工檢查相結(jié)合的手段來(lái)間接判斷。

5）爐排料層厚度的確定無(wú)直接的參數(shù)。

綜上所述，爐排式垃圾爐的燃燒特性具有多變量、大滯后、參考測(cè)點(diǎn)不足的特點(diǎn)。采用其他煤粉爐的控制策略不能取得好的控制效果[5]。

1.2 系統(tǒng)控制策略

ACC系統(tǒng)中主要控制目標(biāo)為蒸發(fā)量，主要的控制條件為垃圾熱值。在此基礎(chǔ)上，ACC系統(tǒng)涵蓋燃燒助燃風(fēng)量控制[6]、焚燒爐爐內(nèi)溫度控制、給料爐排給料速度控制、煙氣含氧量及爐渣熱灼率控制，形成了對(duì)整個(gè)焚燒爐燃燒爐排的自動(dòng)控制[7]。在ACC系統(tǒng)中，垃圾情況作為最重要的控制條件卻具有不穩(wěn)定性及不可預(yù)知性的特點(diǎn)。所以本文在ACC系統(tǒng)中引入垃圾熱值估算和垃圾層厚度估算的模糊控制。圖1為ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

ACC系統(tǒng)應(yīng)對(duì)焚燒爐的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，避免人為操作不當(dāng)造成垃圾焚燒爐停爐。因此焚燒爐的燃燒控制目標(biāo)設(shè)定為：維持穩(wěn)定的燃燒、穩(wěn)定的蒸汽流量及爐內(nèi)的持續(xù)高溫，空氣污染物排放在限值以下，達(dá)到熱灼率的設(shè)計(jì)值。

針對(duì)上述控制目標(biāo)，結(jié)合垃圾焚燒爐的燃燒特點(diǎn)，ACC系統(tǒng)由蒸發(fā)量控制模塊、垃圾料層控制模塊、焚燒爐爐內(nèi)溫度控制模塊、爐渣熱灼率控制模塊、氧量控制模塊5個(gè)控制模塊組成，其中整個(gè)ACC系統(tǒng)的核心是蒸發(fā)量控制模塊和垃圾料層控制模塊。

圖1 ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 蒸發(fā)量控制模塊

控制系統(tǒng)可根據(jù)垃圾入爐的熱值估算值計(jì)算目標(biāo)蒸發(fā)量[8]。在不斷進(jìn)料燃燒過(guò)程中，將蒸發(fā)量的實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差作為控制依據(jù)，來(lái)調(diào)節(jié)助燃空氣進(jìn)氣總量。總助燃空氣量為

式中：為助燃空氣總量；為根據(jù)估算垃圾熱值對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)量與實(shí)際蒸發(fā)量的比值；為蒸發(fā)量實(shí)際值；(O2)為煙氣含氧量，一般為6%~10%；為助燃空氣總量的微調(diào)預(yù)留量；2為漏風(fēng)及不可預(yù)知的風(fēng)量損失補(bǔ)償。

2.1.1 垃圾熱值估算

根據(jù)鍋爐熱平衡原理，垃圾熱值估算基于以下3個(gè)公式[9]：

式中，2為燃燒釋放的熱量，1為鍋爐有效利用熱量，為鍋爐熱效率。

式中，為蒸發(fā)量實(shí)際值，s為蒸汽實(shí)際所含單位熱值。

式中，3為垃圾單位熱值，為垃圾給料量。

根據(jù)式(2)—式(4)，可以得到垃圾給料量、垃圾熱值及蒸發(fā)量之間的比例關(guān)系。

2.1.2 蒸發(fā)量控制模塊的實(shí)現(xiàn)

圖2為蒸發(fā)量控制模塊邏輯關(guān)系。

圖2 蒸發(fā)量控制模塊邏輯關(guān)系

2.2 垃圾料層控制模塊

由于無(wú)直接的參考量或測(cè)點(diǎn)可以準(zhǔn)確反映各爐排段上的垃圾層厚度，所以垃圾層厚度控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的干燥段爐排上垃圾層厚度參考值來(lái)調(diào)節(jié)推料器速度及干燥段爐排的滑動(dòng)速度，通過(guò)這2個(gè)速度的調(diào)節(jié)來(lái)保持干燥段垃圾層厚度的實(shí)際值不偏離厚度設(shè)定值[10]。同時(shí)，正比關(guān)系調(diào)節(jié)燃燒段爐排的滑動(dòng)速度及燃盡段爐排的滑動(dòng)速度，垃圾層厚度參考值計(jì)算式為

式中，1為垃圾層厚度參考值，2為一次風(fēng)壓力，3為爐膛負(fù)壓，為爐排片面積，N為一次風(fēng)密 度，為一次風(fēng)流量，為一次風(fēng)溫度，為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償系數(shù)。

圖3為垃圾料層控制模塊邏輯關(guān)系。

2.3 焚燒爐爐內(nèi)溫度控制模塊

焚燒爐爐內(nèi)溫度管理值為850～1 000 ℃。為了抑制二噁英的生成[11]，需保持爐內(nèi)溫度在850 ℃以上。在焚燒爐垃圾給料和助燃風(fēng)總體平穩(wěn)的情況下，主要通過(guò)控制二次風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖3 垃圾料層控制模塊邏輯關(guān)系

爐內(nèi)溫度控制模塊調(diào)節(jié)二次風(fēng)量[12]，以維持爐內(nèi)溫度在850~1 000 ℃。在此過(guò)程中，輔助燃燒器需要同時(shí)進(jìn)行爐內(nèi)溫度保護(hù)控制：爐內(nèi)溫度低于855 ℃且保持10 min后，啟動(dòng)輔助燃燒器[13]；爐內(nèi)溫度高于860 ℃且保持5 min后，停止輔助燃燒器。

2.4 爐渣熱灼率控制模塊

爐渣熱灼率控制模塊通過(guò)檢測(cè)燃盡段爐排片的溫度和燃盡段垃圾料層厚度，以及運(yùn)行人員觀察火焰監(jiān)視畫(huà)面，調(diào)整進(jìn)入燃盡段的空氣流量，同時(shí)輔助調(diào)整燃盡段爐排片的滑動(dòng)速度。當(dāng)燃盡爐排上有未燃燒垃圾時(shí)，燃盡爐排上的溫度將上升，爐渣熱灼率控制模塊將增加進(jìn)入燃盡爐排的空氣流量，并使燃盡爐排減速以獲得足夠的燃盡時(shí)間。

2.5 氧量控制模塊

焚燒爐煙氣中一氧化碳含量與氧量和爐溫密切相關(guān)。當(dāng)風(fēng)量過(guò)低或者二次風(fēng)量過(guò)高使?fàn)t溫過(guò)低時(shí)，都容易產(chǎn)生大量一氧化碳。在二次風(fēng)量過(guò)低時(shí)，選擇性非催化還原（SNCR）效率會(huì)因?yàn)榭諝饣旌喜缓枚档汀Ｈ绻物L(fēng)量過(guò)大，造成噴氨處爐溫過(guò)低，氨逃逸將增大[14]。

利用氧量的設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)二次風(fēng)機(jī)的變頻動(dòng)作。利用垃圾熱值估算及進(jìn)料量作為PID調(diào)節(jié)的前饋，這樣可以最大程度消除氧量的上下波動(dòng)[15]，使垃圾焚燒爐的環(huán)保指標(biāo)穩(wěn)定。

3 應(yīng)用實(shí)例

某垃圾焚燒發(fā)電廠配備2×400 t/d垃圾焚燒爐，年處理垃圾量29.2萬(wàn)t，配置1×15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷蒸發(fā)量為39 t/h。焚燒爐爐排為國(guó)產(chǎn)化廠家成套供貨。在投運(yùn)過(guò)程中，焚燒爐系統(tǒng)多處于手動(dòng)運(yùn)行，給料爐排滑動(dòng)速度以手動(dòng)給定為主，爐排處以投入功能組并通過(guò)調(diào)整動(dòng)作次數(shù)及等待時(shí)間的方式運(yùn)行，一次、二次風(fēng)機(jī)頻率以手動(dòng)給定為主[16]。

3.1 ACC系統(tǒng)投入前運(yùn)行情況

ACC系統(tǒng)投入前，機(jī)組的運(yùn)行工況不穩(wěn)定：煙氣溫度變化較快，鍋爐蒸發(fā)量變化大，煙氣排放指標(biāo)變化大，操作人員工作強(qiáng)度大。圖4為ACC系統(tǒng)投入前機(jī)組實(shí)際蒸發(fā)量變化趨勢(shì)。

圖4 ACC系統(tǒng)投入前機(jī)組實(shí)際蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

在12 h的運(yùn)行中，機(jī)組蒸發(fā)量的變化非常大，最小值與最大值相差達(dá)到21.6 t/h，最大振幅比達(dá)到了40%左右。

3.2 ACC系統(tǒng)投入后運(yùn)行情況

圖5為ACC系統(tǒng)投入后機(jī)組蒸發(fā)量變化趨勢(shì)。在ACC系統(tǒng)投入后12 h，機(jī)組蒸發(fā)量變動(dòng)幅度變小。實(shí)際運(yùn)行中還進(jìn)行了多次變負(fù)荷試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)蒸發(fā)量設(shè)定平均值為34.2 t/h，蒸發(fā)量的實(shí)際平均值為33.6 t/h。由圖5可見(jiàn)，ACC系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸發(fā)量的穩(wěn)定控制。

圖5 ACC系統(tǒng)投入后機(jī)組蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

圖6為ACC系統(tǒng)投入后垃圾料層控制變化趨勢(shì)，在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行了多次變值試驗(yàn)，垃圾料層厚度實(shí)際平均值為221，垃圾料層厚度的設(shè)定平均值為222。由圖6可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾料層的穩(wěn)定控制。

圖6 ACC系統(tǒng)投入后垃圾料層控制變化趨勢(shì)

圖7為垃圾厚度估算值與蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)，在主燃燒區(qū)的3、4段爐排垃圾厚度基本符合機(jī)組蒸發(fā)量的變化情況，驗(yàn)證了垃圾厚度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖7 垃圾厚度估算值與蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)

4 結(jié) 語(yǔ)

ACC系統(tǒng)在垃圾焚燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行中起到了重要的作用，尤其是國(guó)內(nèi)垃圾分類(lèi)不好、垃圾含水量大、鍋爐蒸發(fā)量波動(dòng)大的情況下，更能發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。同時(shí)現(xiàn)有的ACC系統(tǒng)仍有很大的改進(jìn)空間，如在垃圾池的發(fā)酵管理及爐排垃圾燃燒等方面，目前還很大程度上依賴(lài)人工判斷，這也造成了自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)不能做到長(zhǎng)期全工況無(wú)人值守。為了控制運(yùn)營(yíng)成本，提高垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)焚燒爐ACC系統(tǒng)的研究。

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Design and implementation of ACC system for waste incinerator

ZENG Weidong, TIAN Shuang, YUAN Yahui, CHANG Weiwu

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Due to the complex composition and unstable calorific value of solid waste, the waste incinerator's combustion control has long lag time, which leads to manual operation of the incinerator combustion system in many places. To solve this problem, this paper proposes an automatic combustion control (ACC) system suitable for the operation of waste incinerator, which includes evaporation control module, rubbish material layer control module, incinerator temperature control module, slag burning rate control module and oxygen content control module. The automatic combustion control of the waste incinerator is realized by calculating the feeding speed, grate speed, air volume for combustion and the thickness of rubbish layer. Moreover, application of the ACC system in a waste incineration power plant shows that, the waste incinerator can achieve stable combustion, the environmental protection parameters have no fluctuation, and the production indexes meet the requirements.

waste incinerator, automatic combustion control, primary air, grate, waste layer thickness, control module

TP273

B

10.19666/j.rlfd.201809182

曾衛(wèi)東, 田爽, 袁亞輝, 等. 垃圾焚燒爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 109-113. ZENG Weidong, TIAN Shuang, YUAN Yahui, et al. Design and implementation of ACC system for waste incinerator[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 109-113.

2018-09-30

曾衛(wèi)東(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇笮突痣姍C(jī)組自動(dòng)化及智能化技術(shù)，zengweidong@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）