垃圾焚燒發電自動控制系統的研究與實現

◇鄭州電力高等?？茖W校 呂曉娟 李玉娜 梁東義

本文研究的垃圾分類燃燒發電自動控制系統是通過HOLLIAS MACS-F系列第四代DCS，專門應用于焚燒控制的系統。在系統結構、軟件構成、硬件配置和信息通訊等幾個方面對其進行詳細的分析。本文研究分析主要針對垃圾焚燒發電廠為研究實例，詳細分析其中的自動燃燒控制系統、三沖量汽包給水系統、進料排渣系統。垃圾焚燒發電控制系統的研究對保護自然環境及能源優化有著重要意義，本文著重對此進行研究。

在我國經濟快速發展的大背景下，人民的生活水平在不斷地提高，同時隨著生產生活所產生的垃圾也在與日俱增。垃圾焚燒發電的處理方式憑借著其優越性在垃圾處理市場占有率不斷增加，已經大大超過了垃圾衛生填埋的處理方式。該處理方式得到了全國性的應用與推廣。垃圾焚燒發電的這一垃圾處理方式，在處理垃圾，降低環境污染的同時，又利用垃圾焚燒時所產生的熱能來發電，這種環保的處理方式在國際上受到了廣泛青睞。本文對垃圾發電這一項目的研究目的就是在垃圾燃燒過程中盡可能產生多的熱量，提高機組效率。

本文將垃圾自動焚燒發電系統分為以下幾個部分：①收集貯藏與運輸垃圾模塊；②垃圾焚燒處理模塊；③煙塵無害化處理模塊；④熱能發電模塊；⑤廢渣處理模塊；⑥自動控制模塊；⑦污水處理模塊；⑧輸入輸出物質計量模塊；⑨輔助模塊等[1]。垃圾焚燒發電運轉流程圖見圖1。

1 垃圾發電廠自動控制的實現方案

1.1 垃圾焚燒發電控制的主要特點

在進行焚燒垃圾發電之前，要首先對垃圾的總熱值進行一個確定。由于垃圾的種類與其對應的熱值存在著很大的差異，對這整批次的垃圾的熱值有著極大的影響，而且受到季節、氣候、地域、溫度以及當地生活水平等不同條件的影響下，垃圾的組成成分具有極大的隨機性。基于此，對整個控制系統的快速響應能力以及穩定性提出了極高的要求。

在保護環境的基礎上，使用焚燒垃圾產生熱能，加熱鍋爐產生蒸汽以帶動發電機作業產生電能，科學設計垃圾焚燒發電的自動化控制系統。在設計該系統時，必須要堅持安全性和高效性的原則，使垃圾焚燒發電自動控制系統的價值得到充分的體現。

1.2 自動控制系統硬件設計

在這里本文以商丘的某垃圾焚燒發電項目的控制系統進行詳細的研究。該項目的第一期工程中包含兩條每天焚燒垃圾600噸的垃圾焚燒線，同時又配備了兩臺功率12MW的發電機組[2]。項目全部建成后，每年將可對43.8×104噸的垃圾進行焚燒處理，在此同時產生發電量1.60×108kwh/a，并可將其中1.32×108kwh/a的電量接入國家電網。本文對于其DCS分散控制系統模型展示見圖2。

圖2 垃圾焚燒發電DCS系統圖

（1）該系統選用的是HOLLIAS MACS-F系列第四代DCS分布式控制系統[3]，該系統具有系統網絡和控制網絡兩層網絡結構。系統網絡是負責將操作員端口、工程師端口以及現場控制端口進行設備互聯，作為主要框架而存在。主控模塊和I/O模塊之間的連接由控制網絡來完成，是作為現場的內部網絡而存在，負責中控與終端的數據連接。全系統包擴人機終端界面以及其中的動態軟件，本系統采用全中文的圖形軟件工具包來完成。

（2）本系統采用實時性較強的工業以太網來構成此分布式控制系統的系統網絡。其信號線采用第5類軟導體，由多股銅絲編制而成，可以達到100Mbps的傳輸速度，最大信號傳輸距離可以達到100米。數據的拓展工作在此使用集線器來完成，遠程拓展可達180米，用兩條網絡互相備份的方式來保證其穩定性。

（3）依據國家標準規范GB/T20540-2006 PROFIBUS的標準，本系統將Ptofibus-DP現場總線協議應用到了控制網絡的構成中。這樣可以使控制網絡的控制節點提升到多達126個。主、從站輪詢的通訊方式可以將通訊速率穩定到9.6～496kps之間，混合運用光纖及雙絞線等通訊介質，大大地延長系統的通訊距離，同時本控制網絡還具有很完善的自我診斷功能。

（4）垃圾焚燒自動控制系統是由DCS分布式控制系統與自動燃燒控制系統相助協同下構成的，分布式控制系統作為主系統通過OPC端口與自動燃燒控制系統ACC（Auto Combustion Control）的PLC進行通訊。ACC作為垃圾焚燒爐的控制核心，使垃圾焚燒過程中的各種數據通過OPC端口，由DCS送至ACC的PLC中來完成運算。

2 垃圾焚燒發電典型的復雜控制方案

2.1 自動燃燒控制系統

在自動焚燒爐中引入自動燃燒控制系統，主要用于垃圾焚燒爐的各種相互關聯且呈非線性的工藝參數的監視與控制。自動燃燒控制系統通過控制焚燒爐的爐排速率，來穩定焚燒爐中的垃圾量與堆積層的厚度，以確保其預先設定的蒸發量，由以下五個子系統構成[4]。

（1）垃圾層厚控制系統。首先該系統通過測量燃燒爐排的上下壓差，以此計算出燃燒爐排中的垃圾層厚度。再次通過控制爐排速率來使得上面測得值的穩定。該系統不單單保證了爐內垃圾層厚的均一，也保證了垃圾處理量的穩定。

（2）蒸發量控制系統。通過之前垃圾層厚控制系統對垃圾層厚的控制，再通過控制進入爐內的空氣量已達到控制蒸發量的目的。在這里也可以對產生煙氣中氧含量的的數據作為補充變量來提高系統的穩定。

（3）爐溫控制系統。當垃圾中的平均熱值增加，或垃圾處理量增加時，會導致爐內溫度的迅速升高，從而導致氮氧化合氣體及飛灰的產生。由此就應用到了爐溫控制系統，通過主燃燒區中產生的一次風量來控制進入燃燒室的二次風風量，通過二次風來校正一次風的風量，使其達到一個穩定的空氣過量系數。

（4）降低熱灼減量控制系統。該系統通過爐排上部分的溫度來控制進入的空氣量，以此來加速爐排上層垃圾的燃盡速度。當上部溫度降低時，減少通氣量，以此防止過度冷卻現象的發生，使垃圾可以充分燃燒。

（5）氧氣濃度控制系統。通過對進入爐內的二次風進行調整，控制焚燒爐出口煙氣的氧氣濃度在正常的范圍。

自動燃燒控制系統中的各個子系統采用單回路的控制方案，或者是多從變量共同調節的控制方案。可以把它看做是控制工程中基于多參數運算的復雜控制系統。

2.2 垃圾焚燒鍋爐汽包水位三沖量控制方案

汽包水位三沖量控制系統能夠克服“虛假水位”對水位控制系統造成的影響。將水位信號經過汽包的壓力補償，作為系統的主信號輸入，同時又引入蒸汽流量信號作為前饋，抵消虛假水位的影響。該控制方案對汽包水位參數采用三取中的處理方法，這樣的優勢在于當其中有一路水位信號出現故障偏差時，也可以由其他兩路信號來進行調節運算，由此提高系統的穩定程度[5]。其控制原理見圖3。

圖3 汽包水位三沖量控制方案

2.3 給料爐排控制方案

該系統對堆料器和液壓系統進行控制調節，實現控制燃燒爐進給料的數量。這就是給料爐排控制系統。通過圖4 可以對其系統的構成有一個清晰的認識。該系統根據焚燒爐的燃燒情況，來調節進給料的速度，以此來調節燃燒室中垃圾層的厚度。控制人員通過分散控制系統的操作終端，將預定值輸入至系統中，并通過ACC系統的運算完成對堆料器速度的控制。以鍋爐中產生的蒸汽量為主參數，并加入氧氣參數的反饋調節進給料的速度。同時也可以由操作人員通過DCS系統介入，以修正控制參數。

圖4 給料爐排控制邏輯圖

3 結束語

本文從保護環境的角度來對垃圾焚燒發電自動控制系統進行研究分析。該種處理方式目前已經在我國的垃圾處理領域占有舉足輕重的地位，但是由于垃圾焚燒發電的處理方式中涉及到很多的技術手段，突出的技術難題也相對較多。因此，應嚴格按照其操作規范進行設計和應用，設立相關的規范標準是我國在垃圾燃燒發電領域可以穩定發展的關鍵。