城市垃圾焚燒發電廠集散控制系統研究

孟 麗

（中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200063）

0 引言

垃圾焚燒發電是“減量化、無害化、資源化”處置生活垃圾的主要方式[1]。目前，國內外通常的設計思路是大量采用隨主設備廠商配套的PLC 來完成不同系統工藝設備的控制，這樣造成了系統之間的接口眾多，系統之間復雜的模擬量控制難以實現，給系統通訊和信號交互造成了困難。

集散控制系統DCS（Distributed Control System）以其可靠性、穩定性、開放性特點在城市垃圾焚燒發電廠（以下簡稱垃圾發電廠）中的應用，可實現全廠機、爐、電及輔助控制系統一體化集中監控。本文以安徽合肥長豐垃圾發電廠作為工程實例，采用全廠集中監控與分散控制相結合的系統運行模式，對垃圾焚燒發電廠的控制要求、控制系統的配置和網絡結構，機、爐、煙氣凈化以及配套輔助系統的控制方式等方面進行了詳細論述，系統研究垃圾發電廠DCS 控制系統的設計方法。

1 工程概況

城市垃圾焚燒主要采用的工藝為逆推式爐排，其技術工藝流程如圖1 所示。

圖1 逆推式爐排工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of reverse push grate

合肥長豐垃圾發電廠采用德國SITY2000 型逆推式爐排焚燒爐，國產單汽包自然循環垃圾焚燒余熱鍋爐、汽輪發電機組。機爐配置為二爐二機、兩套煙氣凈化處理系統。每臺焚燒爐的日垃圾處理能力為500t，汽輪發電機組裝機容量為2×10MW。

2 熱工自動化控制要求

垃圾焚燒發電廠以發電為輔、垃圾燃燒為主，垃圾作為燃料熱值低，控制對象的慣性和純滯后性大，燃料成分中非可控性因素多[2]，其控制系統與常規小型燃煤火力發電廠相似，但是由于垃圾發電廠的自動化程度要求高于小型燃煤火力發電廠，因此其控制方式、控制手段和控制規模更為復雜。

DCS 能根據其特殊的工藝要求，全自動、全過程地完成全廠的數據采集、模擬量控制、順序控制和鍋爐（焚燒爐、余熱爐）爐膛安全系統、汽機本體參數監視系統、汽機緊急跳閘系統、鍋爐主燃料跳閘系統，設置獨立于主控系統的緊急停機按鈕，當系統發生異常重大故障時確保機組緊急安全停機。

3 控制系統的結構

合肥長豐垃圾發電廠的控制系統采用國產 NT-6000 DCS 控制系統，DEH 采用與DCS 一體化硬件配置，全廠主、輔系統的控制由一套DCS 實現，實際IO 點數接近5000 點，全廠設一個集中控制室進行集中監控，完成對兩臺焚燒余熱鍋爐和兩套汽輪發電機組及其輔助公用系統的監控。

3.1 IO點數分配表

見表1（表中不含15%的備用量）。

表1 全廠各系統IO點數分配表Table 1 Distribution table of IO points for each system of the whole plant

3.2 DCS系統網絡結構

3.2.1 上位機設計

集中控制室布置8 臺操作員站、1 臺值長站；工程師室布置1 臺工程師站、1 臺歷史數據站及打印機。8 臺操作員站具有功能劃分，分別用于2 臺鍋爐、2 臺汽機、2 臺電氣系統、1 臺輔助系統和1 臺機組公用系統。

輔助車間監控采用1 臺上位機，其中鍋爐補給水控制室放置1 臺，供現場系統調試和監控用。

3.2.2 控制站設計

合肥長豐垃圾發電廠采用22 套DCS I/O 控制站完成對現場信號采集DAS、聯鎖控制SCS、機組保護功能。通過系統網絡將數據和診斷結果傳送到操作員站及工程師站，完成正常運行的全部操作和異常工況的緊急及事故處理。分散處理單元 （DPU）的配置如下：2 臺鍋爐，共4 對（按每臺鍋爐2 對配置，其中燃燒系統1 對，汽水1 對）；2 臺汽機，共4 對（按每臺汽機2 對配置，其中主蒸汽系統、再熱蒸汽系統、回熱抽汽系統1 對，油系統和真空系統l對）；公用系統部分，2 對（減溫減壓、除氧 給水各配置l對）； 煙氣凈化2 對，鍋爐補給水1 對，遠程綜合水泵房及循環水系統1 對，除灰渣1 對。

3.2.3 集散控制系統網絡結構

NT-6000 采用的是冗余控制網絡，構架在兩個物理隔離的冗余工業以太網絡上，連接了所有的工作站和DPU，單個網絡的任何故障（包括網絡風暴）都不會影響整個系統的安全運行。采用星形拓撲連接方式，控制器采用冗余容錯設計，運行時同步運行，保證任意時刻完成控制器切換，避免了傳統設計中備用控制器在切換后不能正常接替工作的問題。由于DCS 的主要數據通訊流量都是控制器上行至操作站的數據流向，這種設計方案會稍稍加大操作站的通訊處理負荷，但是能夠大大降低網絡負荷和控制器負荷。

圖2 長豐垃圾發電廠DCS系統網絡結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the DCS system network structure of Changfeng waste-to-energy plant

4 垃圾焚燒余熱鍋爐控制方式

垃圾焚燒余熱鍋爐熱工控制系統主要由以下幾大部分構成：

4.1 ACC焚燒爐自動燃燒控制

ACC 焚燒爐自動燃燒控制的實質是通過控制垃圾的體積和厚度來實現垃圾的適量供應，同時通過對爐排動作的控制來保證垃圾的充分燃燒[3]。

主要控制推料器、逆順推爐排的進退，料層調節、爐排冷卻風機、清灰風機各風室風門的開關，主油泵、濾油泵和冷卻油泵的啟停。

4.2 啟動及輔助燃燒器控制

該系統采用就地燃燒器PLC 完成控制，通過硬接線方式接入DCS 系統進行控制。

4.3 余熱鍋爐吹灰系統

焚燒余熱鍋爐激波吹灰系統自帶PLC 控制系統，由PLC 控制吹灰時間、頻率，激波吹灰系統通過RS422/485接口MODBUS 協議與DCS 系統進行通訊。

4.4 焚燒爐燃燒控制

焚燒爐的燃燒控制目標為：維持穩定的燃燒、穩定的蒸汽流量及爐內的持續高溫，空氣污染物排放在限值以下，達到熱灼率的設計值[4]。燃燒控制的穩定性和可靠性是實現焚燒余熱鍋爐安全經濟運行的關鍵。

主要分為4 個調節子項 ：①鍋爐給水三沖量串級調節系統；②過熱蒸汽溫度串級調節系統；③爐膛負壓調節系統；④減溫減壓器出口壓力溫度控制系統。

4.5 順序控制系統（SCS）

順序控制系統主要包括：啟動及輔助燃燒器、爐排清灰系統、風機系統、布袋除塵器控制系統、石灰漿制備系統、定排污系統、吹灰系統等。

4.6 爐膛安全監控系統（FSSS）

爐膛安全監控系統包括：燃燒器控制系統（BCS）和燃料安全系統（FSS）。

5 汽機的控制方式

5.1 汽機運行模式的特點

相較于常規火力發電廠，垃圾焚燒發電廠的汽機控制具有下列特點：

1）垃圾焚燒發電廠汽輪機不參與電網調峰，且采用滑壓方式進行自身的啟動和運行。

2）由于垃圾焚燒發電廠的主要工作是垃圾焚燒而非發電，這就使得垃圾焚燒發電廠汽輪機具備停機不停爐的特點。

3）不分類的垃圾熱值不穩定、波動很大，從而導致垃圾焚燒爐的主蒸汽壓力不穩定，進而影響主蒸汽母管的壓力也不穩定，影響汽輪機的正常運行。

5.2 汽機控制系統

DCS 和DEH 采用一體化解決方案 ，汽輪機采用滑壓運行方案。DCS 和DEH 的一體化設計方案可以方便地實現對汽輪機的調速汽門的開度加以各種形式的控制，并且可以對汽輪機的機前壓力變化范圍和變化速率加以限制，從而確保汽輪機的安全運行。防超速保護（OPC）可以方便地實現，從而可以控制汽輪機的超速現象。此外，定壓運行方式和滑壓運行方式可以方便地切換，這些都是多回路控制器難以做到的。

6 煙氣凈化處理的控制方式

生活垃圾焚燒發電產生的煙氣成分極其復雜，煙氣凈化采用“爐內SNCR 脫硝+半干式脫酸+干法脫酸+活性炭噴射裝置+布袋除塵”組合工藝。

煙氣凈化系統主要控制調節6 個子項：①反應塔出口溫度調節；②排煙量與中間反應物回流量間的自動調節；③排煙中HCL 和 SO2酸性氣體含量與石灰乳量間的自動調節；④活性炭吸附量的自動調節；⑤除塵器差壓調節、布袋的離線清灰、布袋的反吹；⑥飛灰收集輸送調節。

7 輔助車間的控制方式

鍋爐補給水控制系統，由1 臺 DCS 遠程IO 控制站和1臺上位機（供調試用）組成。

綜合水泵房控制系統設置1 臺DCS 遠程IO 控制站，其數據通訊到鍋爐補給水控制室，調試階段監控。

滲瀝液處理控制系統由1 臺PLC 控制站和1 臺上位機組成，只將必要的監視控制通過profbus-DP 協議通訊到DCS 監控。

垃圾吊控制系統由1 臺PLC 控制站和1 臺上位機組成并設置1 塊52“大屏幕顯示器，只將必要的監視控制通過profbus-DP 協議通訊到DCS 監控。

脫硝控制系統SNCR，設置1 臺PLC 控制站，監視SNCR 的運行狀態。

除灰渣控制系統，定期運行操作，由DCS 控制監測。

8 結語

城市垃圾焚燒發電廠全廠盡可能采用單一的控制系統平臺，代替傳統系統中多套不同廠商、多種技術規范的控制產品組合，提高控制系統的易用性和操作效率，大幅簡化全廠自動化的系統集成與日常維護，減少相應的資金投入，節省備件和培訓成本。

近年，國內各省市加速出臺生活垃圾焚燒發電中長期發展規劃[5]，城市垃圾焚燒發電技術也迅速發展，本文的研究成果能夠為今后類似工程提供借鑒和參考。