DCS系統(tǒng)在垃圾焚燒中的應(yīng)用 - 全文

由于垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)具有高效率處理生活垃圾、節(jié)約能源、建設(shè)周期短以及有利于環(huán)保等特點;同時，循環(huán)流化床鍋爐CFBB(circulating fluidized bed boilers)具有燃燒效率高、適應(yīng)性強和燃燒強度大等特點，是值得采用的新鍋爐工藝。所以，采用循環(huán)流化床鍋爐焚燒垃圾發(fā)電，既能很好地解決城市生活垃圾問題，又能適當緩解近年來的能源危機問題 。

　　一、項目簡介

　　上海電氣南通區(qū)域垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)項目由上海電氣環(huán)保熱電(南通)有限公司以BOT方式建設(shè)，位于如皋港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)，占地12000㎡，日處理城市生活垃圾15oot。該項目的服務(wù)范圍為南通市、如皋市、通州市和靖江市的城市生活垃圾。同時，建成后的垃圾發(fā)電廠可以對開發(fā)區(qū)內(nèi)的各種固體廢棄物進行就地處理。電廠采用先進的煙氣處理裝置，保障了大氣質(zhì)量;垃圾處理過程中利用焚燒技術(shù)發(fā)電并網(wǎng);焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的余熱可以作為園區(qū)工業(yè)和生活用熱的來源。這樣，從垃圾處理、廢氣處理到發(fā)電、供熱的問題可以同時解決。項目自建成正式投產(chǎn)之日起經(jīng)營25年，經(jīng)營期滿后，將整體無償?shù)匾平唤o如皋市人民政府。該項目包括3臺日處理垃圾500t 、產(chǎn)汽75t/h的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，2臺15MW抽凝式汽輪發(fā)電機組。項目中DCS系統(tǒng)采用上海自動化儀表股份有限公司DCS公司自主開發(fā)的SUPMAX800系統(tǒng)。

　　二、CFBB焚燒垃圾發(fā)電廠工藝流程

　　2.1循環(huán)流化床垃圾焚燒爐

　　循環(huán)流化床垃圾焚燒處理技術(shù)與設(shè)備集垃圾焚燒、供熱和發(fā)電于一體，是一種基于循環(huán)流化床燃燒技術(shù)而發(fā)展起來的、新型的、先進的垃圾處理技術(shù)和設(shè)備。循環(huán)流化床是國家相關(guān)行業(yè)政策明確推薦的節(jié)能環(huán)保燃燒爐型。該爐型特別適用于燃用劣質(zhì)燃料，對生活垃圾的高灰分、高水分和低熱值具有較好的適應(yīng)性。

　　2.2垃圾焚燒工藝流程

　　垃圾焚燒工藝流程如圖1所示。

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　　2.3流程簡介

　　當城市垃圾運到焚燒廠倒入垃圾池后，經(jīng)抓吊入料斗，從焚燒爐的頂端投放進爐內(nèi)，落在活動床的中央;在流化床內(nèi)，垃圾被劇烈運動的砂粒擠成碎片而很快燃燒掉。產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機做功繼而發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣則進入除塵排放或綜合利用。

　　三、DCS控制與管理

　　DCS控制系統(tǒng)應(yīng)建立在功能完善、危險分散、物理分離和負荷均衡的基礎(chǔ)上，以便增強系統(tǒng)的可靠性和可利用率川。在此基礎(chǔ)上，DCS系統(tǒng)應(yīng)采用合適的冗余配置，由分散處理單元、過程輸入輸出通道、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和人機接口等組成，具有診斷至通道級的自診斷功能以及高度的可靠性。

　　當系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障時，均不應(yīng)影響整個系統(tǒng)的工作。在控制方面，DCS系統(tǒng)應(yīng)完成模擬量控制系統(tǒng)MCS(modulation control System)、順序控制系統(tǒng)SCS(sequence control system)、電氣控制系統(tǒng)(electrical control system)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS(data acquisition system)和鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS(furnaces safety supeoisory system)功能，以滿足機組各種運行工況的要求，確保機組安全、可靠、高效運行;在應(yīng)用方面，DCS系統(tǒng)應(yīng)易于組態(tài)、使用、修改和擴展，具有開放性，易于與其他系統(tǒng)通信;在具體對象設(shè)計方面，DCS系統(tǒng)應(yīng)按垃圾電廠的生產(chǎn)過程，分級分層設(shè)計，以便在DCS局部故障或設(shè)備故障時，可自動或操作員手動選擇較低一級的控制方式，而不致喪失對整個過程的控制。

　四、系統(tǒng)實施介紹

　　全廠設(shè)有一個總控制室，采用爐、機、電集中控制方式對以下內(nèi)容進行監(jiān)控： 3x500 t/d的循環(huán)流化床垃圾焚燒爐(額定產(chǎn)汽量75t/h )、裝機容量為2xC15MW的抽凝式汽輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)等。

　　4.1上位機配置

　　10臺操作員站進行生產(chǎn)現(xiàn)場的實時監(jiān)視和管理，其中包括1臺值長站，另設(shè)2臺工程師站進行組態(tài)調(diào)試等，并兼做趨勢報警服務(wù)器。

　下位機配置:

　　14套I/O控制站完成現(xiàn)場信號采集、工程單位元變換、控制和聯(lián)鎖控制算法、控制輸出以及通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到上位機。具體分散處理單元(DPU)的配置如下：3臺鍋爐，共6對(按每臺鍋爐2對配置，其中燃燒系統(tǒng)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(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、回熱抽汽系統(tǒng)1對，油系統(tǒng)和真空系統(tǒng)l對);公用系統(tǒng)部分，2對(減溫減壓、除氧給水各配置l對) ; 遠程循環(huán)水1對;遠程綜合水1對。

　　 配電柜配置:

　　系統(tǒng)共配置了3套配電柜，即鍋爐間1套、汽機間1套、儀表電源柜1套。

　　DCS的電源分配柜和儀表電源分配柜均能接收由電廠需求方提供的兩路交流220V(1±10%)和(50±l)Hz的單相電源。這兩路電源中的一路來自不停電電源UPS，另一路來自廠用電源。儀表電源分配柜內(nèi)應(yīng)配有兩路電源自動切換裝置。

　　在各個機柜和站內(nèi)配置相應(yīng)的冗余電源切換裝置和回路保護裝置，并用這兩路電源在機柜內(nèi)饋電。

　　在每個機柜內(nèi)配置2套德國魏德米勒冗余直流電源，且2套冗余直流電源具有足夠的容量和適當?shù)碾妷骸Ｃ總€直流電源都具有在單獨運行時負荷率不超過50%的容量。

　　任意一路電源故障都應(yīng)報警，兩路冗余的電源應(yīng)通過二極管切換回路藕合，即在一路電源故障時自動切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統(tǒng)的任一部分失電。

　　每個I/O機柜配備2套德國魏德米勒冗余直流電源，其中24V系統(tǒng)電源采用1+1冗余配置方案，SV系統(tǒng)電源采用2+1冗余配置方案

　軟件版本系統(tǒng)采用的軟件版本為：win2000,SUPMAxsoo。

　　　在一個大的系統(tǒng)中，服務(wù)器可以采用分布處理方式，以減輕單機的負荷。上面的這些任務(wù)可以完全由單機承擔，也可以分配給2臺或更多的計算機，如圖2 所示。在這種方式下，服務(wù)器的任務(wù)被分配到4臺計算機，大大減輕了單機的負荷，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

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　　4.2網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方式

　　SUPMAX800系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)取名為SUPMAXSOONET網(wǎng)絡(luò)，是全冗余的100 Mbit/s高速以太網(wǎng)絡(luò)，由完全獨立的2條網(wǎng)絡(luò)(A、B網(wǎng))組成。SUPMAxsooNET網(wǎng)絡(luò)是SUPMAX800系統(tǒng)的主干網(wǎng)，連接了所有的工作站和DPU。SUPMAX800NET符合國際標準IEEE 802.3,自適應(yīng)速率為10 Mhit·s-1/100 Mbit·s-1，采用星形拓撲連接方式，并采用有源HUB或SWITCH作為中繼器。SUPMAX800NET采用上海自動化儀表股份有限公司自主研發(fā)的基于IP的SMCP通信協(xié)議，取消了實時服務(wù)器結(jié)構(gòu);并采用完全對等的方式(即點對點技術(shù))，減少了系統(tǒng)因服務(wù)器崩潰造成整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風險。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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　　4.3系統(tǒng)控制方案

　　4.3.1 DAS系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS由SUPMAX800現(xiàn)場控制站實現(xiàn)所有I/O信號數(shù)據(jù)采集，并將運行參數(shù)、輸入/輸出狀態(tài)、操作信息和異常情況等數(shù)據(jù)實時地提供給運行人員，指導他們安全可靠地操作，同時還進行數(shù)據(jù)記錄和儲存，供事故分析信號處理。

4.3.2 MCS系統(tǒng)

　　SUPMAX800系統(tǒng)應(yīng)用模塊化算法軟件經(jīng)合理組態(tài)，實現(xiàn)MCS各子系統(tǒng)控制功能。這些子系統(tǒng)包括給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、一次風量控制系統(tǒng)、二次風量控制系統(tǒng)和料層差壓控制系統(tǒng)。

　?、俳o水調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由蒸汽流量、汽包水位和給水流量組成的三沖量全程控制系統(tǒng)，它的任務(wù)是在啟動到滿負荷正常運行的整個過程中維持汽包水位在要求的范圍內(nèi)。低負荷時(如25%以下)，給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)給水旁路調(diào)節(jié)閥來保持汽包水位的單沖量控制;高負荷時(如28%以上)，則通過調(diào)節(jié)給水主回路調(diào)節(jié)閥維持汽包水位。低負荷控制和高負荷控制的切換可自動或手動，且是無擾雙向切換。在設(shè)計時，水位、蒸汽流量經(jīng)過溫壓補償進行校正，給水流量經(jīng)過溫度補償進行校正。

　?、谥髡羝麥囟日{(diào)節(jié)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)由二級減溫調(diào)節(jié)組成，采用串級調(diào)節(jié);減溫器出口溫度為導前溫度，過熱器出口溫度為主汽溫度，并作為主調(diào)參數(shù)，負荷(主蒸汽流量)作為前饋。

　?、廴紵刂棋仩t指令(BD) ：根據(jù)蒸汽母管壓力實際值與設(shè)定值的比較，經(jīng)比例積分微分(PID)運算得到總鍋爐指令，然后按比例將指令分配給每臺鍋爐(BD) ，或者根據(jù)總負荷需求按比例分配給每臺鍋爐(BD)。

　　熱量信號(HR) ：汽包壓力微分乘以鍋爐蓄熱系數(shù)與蒸汽流量之和即為熱量信號。

　　熱量信號與鍋爐指令經(jīng)過高選模塊得到輸出信號，此輸出信號根據(jù)鍋爐燃料一風特性曲線擬合相應(yīng)風量后，得到總風量指令，總風量指令減去一次風量指令則為二次風量指令SAFD。

　　床溫控制：床溫為主要控制對象，控制策略是當負荷需求變化時一次風量變化，一次風量變化直接引起床溫變化，床溫變化則引起給煤量變化，從而達到床溫控制，且滿足負荷需求。

　?、芤淮物L量控制

　　一次風量控制用來保證流化且按負荷需求。

　　⑤二次風量控制

　　二次風量指令SAFD經(jīng)氧量校正，為最后二次風量指令，與實際二次風比較后經(jīng)PID運算，調(diào)節(jié)二次風量。

　　負荷需求不變時，不調(diào)一次風，主要通過調(diào)節(jié)煤來滿足床溫變化。垃圾量不受控，則人工進行操作。

　?、蘖蠈硬顗嚎刂屏蠈硬顗和ㄟ^排渣(冷渣機轉(zhuǎn)速)來穩(wěn)定(風室壓力由布風阻力和料層差壓組成，料層差壓由風室壓力減空板阻力得到，且對應(yīng)負荷需求)。

　　4.3.3爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)

　　爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)執(zhí)行對供風系統(tǒng)、引風系統(tǒng)、爐膛壓力和汽包水位等的監(jiān)視，一旦檢測到危及系統(tǒng)安全的條件，立即進行MFT(main fuel trip)動作，切斷主燃料，迫降減溫器，并指出首次跳閘原因，給出聲光報警信號，進行有關(guān)的聯(lián)鎖動作，以保證鍋爐的安全。當出現(xiàn)以下情況時，燃燒系統(tǒng)停止。

　?、費FT保護邏輯由DCS系統(tǒng)組態(tài)完成，觸發(fā)條件為：手動MFT、引風機跳閘、一次風機跳閘、兩臺返料風機跳閘、爐膛壓力高高、風室風壓高高、風室風壓過低、汽包水位高高、汽包水位低低、床溫連續(xù)高高、床溫連續(xù)低低、一次風量低低。

　?、贛FT復位：由熱態(tài)和冷態(tài)不同啟動條件經(jīng)過爐膛吹掃后復位。