西門子PLC在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用

西門子PLC在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用

本文介紹了垃圾處理的特點及處理方法，詳細介紹了垃圾焚燒發(fā)電廠控制系統(tǒng)的特點及相應(yīng)的控制系統(tǒng)的組態(tài)、邏輯控制及PID控制回路。


1 引言

城市生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)院衛(wèi)生廢棄物、淤泥和廢橡膠輪胎等垃圾焚燒處理技術(shù)，利用垃圾焚燒的余熱發(fā)電，變廢為寶，將是今后環(huán)保技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。這種垃圾焚燒日處理廢物能力為1～350t，余熱鍋爐的熱容量小，發(fā)電機組小，一般為20兆瓦以內(nèi)。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠的控制系統(tǒng)比大型電廠簡單得多。一般來說，大型電廠的主機控制系統(tǒng)是無法采用PLC來控制的，只有一些輔機系統(tǒng)才能夠使用PLC。但是，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)及微處理器性能的突飛猛進，高檔PLC集散控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在中型及較復(fù)雜的控制領(lǐng)域中，例如，垃圾焚燒發(fā)電廠就可以使用高檔PLC控制系統(tǒng)，這樣可以大大降低控制系統(tǒng)的成本。

本文將介紹廣東省南海市垃圾焚燒發(fā)電廠PLC控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)由珠海市廣東亞仿科技股份有限公司成功開發(fā)，并一次成功投入生產(chǎn)運行。

2 控制系統(tǒng)總體方案介紹

該集散控制系統(tǒng)采用Siemens S7-400系列PLC，Siemens公司的S7-400系列PLC是90年代推出的S7系列中的大型機型，具有完善的功能和強大的通訊能力，特別是總線國際標準之一的Profibus，得到很多廠家的支持，非常有利于分布式控制系統(tǒng)的使用，Profibus-DP總線的通訊速率可達12Mbps。S7-417H雙機熱備系統(tǒng)和ET200M分布式I/O組成的Profibus-DP總線網(wǎng)構(gòu)成切換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)故障時的無擾動自動切換，可用在安全性能要求極高的控制系統(tǒng)中。但是S7-417H雙機熱備系統(tǒng)造價相對昂貴，為了減少硬件投資，可以選用軟件雙冗余(用416CPU進行雙機熱備)，采用分布式I/O的Profibus-DP現(xiàn)場控制總線，上位機與PLC之間采用OSM/ESM環(huán)形100兆工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)進行通訊, 上位機采用Intouch7.1組態(tài)軟件進行系統(tǒng)組態(tài)。該廠的垃圾焚燒工藝引進美國Basic公司的專利技術(shù)，采用四級脈沖爐排，各項指標均達到國際環(huán)保要求, 一期日焚燒處理垃圾200t。該工藝技術(shù)在我國具有實際推廣的應(yīng)用價值。

(1) 工作原理

垃圾經(jīng)自動給料單元送入焚燒爐的干燥床干燥，然后送入爐排，爐排在脈沖空氣動力裝置的推動下拋動垃圾，垃圾與爐排片上的均勻氣孔噴出的助燃空氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量由余熱鍋爐回收。余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓水蒸汽推動汽機發(fā)電，燃盡后進入灰渣坑，由自動除渣裝置排出。由主燃燒室揮發(fā)和裂解出來的煙氣進入第二、三級燃燒室，進行進一步燃燒，使煙氣的溫度高達1000℃，煙氣在此停留時間不少于2s, 使有毒的煙氣迅速分解，后經(jīng)煙氣處理設(shè)備及除塵設(shè)備(電除塵、布袋除塵)處理合格后排入大氣。

(2) 環(huán)保發(fā)電廠主要設(shè)備

① 焚化爐鍋爐2臺，每臺主要的技術(shù)參數(shù)如下:

垃圾處理量: 8.33t/h
產(chǎn)生蒸汽量: 22.5t/h
過熱蒸汽壓力: 4.0MPa
過熱蒸汽溫度: 400℃
爐膛溫度: 980℃
給水溫度: 145℃
② 汽輪機發(fā)電機組一套，主要的技術(shù)參數(shù)如下:

主蒸汽壓力: 3.9MPa
主蒸汽溫度: 390℃
③ 發(fā)電機主要的技術(shù)參數(shù)如下:

功率: 12000kW
出線電壓: 10.5kV
頻率: 50Hz
額定轉(zhuǎn)速: 3000r/min
功率因數(shù): 0.8
勵磁方式: 無刷勵磁系統(tǒng)
④ 煙氣處理系統(tǒng)兩套

⑤ 配套電氣供配電系統(tǒng)

該PLC集散控制系統(tǒng)I/O點數(shù)有3000余點，其中模擬量300余個。全廠的PLC集散控制系統(tǒng)圖如附圖所示。

附圖 全廠PLC集散控制系統(tǒng)圖

3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)配置

系統(tǒng)共設(shè)4臺操作員站，1臺工程師站。其中2臺操作員站用于爐側(cè)設(shè)備的監(jiān)控，包括焚燒爐、鍋爐兩套系統(tǒng)，煙氣脫硫系統(tǒng)，除灰系統(tǒng);另2臺操作員站用于機側(cè)設(shè)備的監(jiān)控，包括汽機系統(tǒng)、制給水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、電氣及其它部分。爐側(cè)的兩臺操作員站和機側(cè)的2臺操作員站均為雙機熱備。爐側(cè)和機側(cè)的操作員站之間功能獨立，不能互換操作。工程師工作站，進行系統(tǒng)軟件開發(fā)組態(tài)和警報順序事件記錄，工程師站將能夠作為任一操作員站完成相關(guān)控制監(jiān)測功能。工程師站、操作員站及PLC之間采用OSM/ESM環(huán)形100兆工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)進行互連通訊。操作系統(tǒng)采用中文Windows NT 窗口操作系統(tǒng)。

上位機采用Intouch7.1組態(tài)軟件進行系統(tǒng)組態(tài)。人機界面主要設(shè)計有以下內(nèi)容:

(1) 系統(tǒng)工藝流程顯示:依據(jù)設(shè)計院提供的系統(tǒng)工藝流程圖，按照功能組區(qū)域劃分;

(2) 順控系統(tǒng)操作指導(dǎo)顯示:有順控步序顯示，即順控程序步驟的狀態(tài)顯示，以及操作提示等;

(3) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)畫面:回路手操站，調(diào)節(jié)參數(shù)與參數(shù)趨勢的集中顯示;

(4) 重要參數(shù)趨勢顯示:有實時趨勢與歷史趨勢兩種顯示;

(5) 汽輪機狀態(tài)等參數(shù)的棒圖顯示;

(6) 全局報警顯示:系統(tǒng)按照功能區(qū)分為若干個報警組，各個報警組的報警窗口分布于相應(yīng)功能顯示窗口的上方，全局報警顯示提供集中查看系統(tǒng)所有報警的能力，或按優(yōu)先級、報警組過濾查看，并具有全局報警確認;

(7) 報表管理:提供日報、月報打印功能，打印方式有:定時打印、事件驅(qū)動打印、運行人員召喚打印，提供歷史報表數(shù)據(jù)查看功能;

(8) PLC系統(tǒng)狀態(tài)顯示:提供系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)的查錯、維護功能;

(9) 多級地圖式菜單顯示;

(10) 系統(tǒng)安全級別定義

為了保證系統(tǒng)的安全操作，設(shè)計有三級權(quán)限:工程師級、高級操作員級、操作員級，操作員級用戶可進行系統(tǒng)正常操作，高級操作員級用戶除具有操作員級的功能外，還具有修改調(diào)節(jié)參數(shù)、修改時間、查看歷史報表、召喚打印等功能，程師級擁有最高權(quán)限，具有高級操作員級所有功能，還可進入開發(fā)環(huán)境進行組態(tài)修改。

4 PLC控制系統(tǒng)配置

整個系統(tǒng)分1#、2#PLC主站。1#PLC主站分別控制1#及2#鍋爐焚燒爐;2#PLC主站分別控制汽機系統(tǒng)、制給水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、電氣及其它部分。每個PLC主站分別由2個CPU416-2DP(訂貨號:6ES74162XL010AB0)組成雙機熱備，通過實時冗余軟件實現(xiàn)控制系統(tǒng)無擾動換，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，2個CPU通過MPI接口進行相互監(jiān)視和數(shù)據(jù)備份，每個CPU分別通過CP443-1工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊與上位機進行通信。Siemens的416CPU組成雙機熱備，只能通過軟件來實現(xiàn)，因此稱之為軟冗余，原則上CPU315以上的CPU都可以組成軟冗余。用戶必需自己編寫冗余管理程序，把需要冗余的數(shù)據(jù)放在特定的DB里，在每個掃描周期里主CPU就把這些特定DB里的數(shù)據(jù)影像到從CPU中。軟冗余與硬冗余具有開發(fā)人員可以自定義冗余數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點，這樣可以大大縮短在每個掃描周期中冗余數(shù)據(jù)的影像時間。

制信號的輸入/輸出由相關(guān)ET200M 分布式I/O模塊完成，采用“就近原則”，以最大程度減少現(xiàn)場的硬布線。每個ET200M分別有兩塊IM153-2通信模塊，分別掛在DP總線上，組成冗余的DP總線。ET200M采用是Siemens 300系列分布式I/O模塊，價格低廉。每個ET200M可擴展8個I/O模塊，容量可高達128字輸入/128字輸出，最大傳輸速率為12Mbps。

本控制系統(tǒng)由西門子400系列的CPU416-2組成雙機熱備，進行數(shù)據(jù)冗余，300系列分布式I/O組成雙冗余的DP總線，是性價比極高的集散控制系統(tǒng)，在今后的各種環(huán)保電廠主機控制及大型發(fā)電機組的輔機控制領(lǐng)域中具有極大的推廣價值。

CPU416具有非凡的性能，它二進制指令的執(zhí)行時間為0.08μs(CPU417H為0.12μs)，最大的數(shù)字量IO或模擬量IO高達65536或4096點。本集散控制系統(tǒng)有8000余條邏輯控制語句，30個PID控制回路，其中:帶微分前饋控制的回路2個，條件切換輸出的回路10個，三沖量調(diào)節(jié)回路2個，單沖量調(diào)節(jié)回路26個。系統(tǒng)實時性可靠性要求較高。

本集散控制系統(tǒng)中，PLC完成全廠邏輯順序控制及所有PID回路控制。其中, 邏輯順序控制分以下幾個部分:

(1) 1-2-3級吹掃:其目的是為了確保1-2-3級燃燒室風煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備正常且信道暢通，是爐膛保護要求的重要操作之一; (2) 風機啟動; (3) 焚化爐—鍋爐吹掃:其目的是為了確保焚化爐—鍋爐整個風煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備正常且信道暢通，是爐膛保護要求的重要操作之一; (4) 第二級預(yù)熱:其目的是為了提高第二級溫度使其達到設(shè)定值，是第一級預(yù)熱及第一燃燒室燃燒器投入的前提條件; (5) 第一級預(yù)熱:目的是為了提高第一級溫度使其達到設(shè)定值; (6) 順序停運;(7) 燃燒器順序點火/停運; (8) 給料系統(tǒng)自動循環(huán); (9) 除渣系統(tǒng)自動循環(huán); (10) 渣坑水位聯(lián)鎖控制; (11) 吹灰系統(tǒng)順序控制; (12) 鍋爐保護; (13) 主燃料跳閘; (14) 料油跳閘; (15) 正常發(fā)電模式; (16) 孤立運行模式; (17) 汽輪機故障模式; (18) 化學(xué)水處理控制; (19) 污水處理控制。

5 主要PID控制回路

(1) 爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，爐膛應(yīng)保持一定的負壓值(PT101)，故需對引風機(PV101)進行PI 調(diào)節(jié)。為防止引風機變頻器運行過大或過小，造成鍋爐熄火，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入高、低限幅模塊。

(2) 干燥爐排溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，進入焚燒爐一燃室1#爐排的垃圾含有一定水分，直接影響爐膛溫度，增加1#-2#燃燒器的負擔。因此，從三燃室引入混合煙氣進行干燥。由于三燃室混合煙氣的溫度較高，故通過調(diào)節(jié)干燥風機(TV108)使干燥爐排溫度(TE108)維持在設(shè)定的工作范圍。

(3) 再循環(huán)煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。通過調(diào)節(jié)再循環(huán)風機(TV109)使四燃室煙氣溫度(TE109)維持在設(shè)定的工作范圍。

(4) 一燃區(qū)爐膛溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為條件切換多輸出調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，焚燒爐一燃室分為起爐運行和正常運行兩個階段。在起爐運行階段，爐膛溫度(TE101)主要由1#-6#燃燒器的燃油量來控制，通過調(diào)節(jié)1#-6#燃燒器回油調(diào)節(jié)閥(HV107、HV111、HV117、HV121、HV127、HV131)來維持系統(tǒng)對爐膛溫度(TE101)的要求。在正常運行階段，爐膛溫度主要靠1#-4#爐排上垃圾的燃燒來維持，通過調(diào)節(jié)1#-4#爐排的排風調(diào)節(jié)閥(HV104、HV114、HV124、HV134)(送風機轉(zhuǎn)速一定，排風調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)送風量)來控制1#-4#爐排上垃圾的燃燒，從而達到系統(tǒng)對爐膛溫度(TE101)的要求。此調(diào)節(jié)過程將直接影響爐膛負壓，為防止爐膛負壓的減少對系統(tǒng)的影響，當爐膛負壓突破一定值時(如小于1kpa)，對排風調(diào)節(jié)閥限幅。

(5) 鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為三沖量調(diào)節(jié)回路。通過采用給水流量(FT101)、蒸汽流量(FT103)和汽包水位(LT102)主信號一起對給水調(diào)節(jié)閥(LV102)進行PI調(diào)節(jié)，使汽包水位保持在設(shè)定范圍內(nèi)，以適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。

(6) 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)將減溫器后蒸汽溫度(TE116)作為前饋信號引入調(diào)節(jié)，與過熱蒸汽溫度(TE119)主信號一起對減溫水調(diào)節(jié)閥(TV119)進行PI調(diào)節(jié)。

(7) 汽機前壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。正常發(fā)電時，利用汽輪機與旁路系統(tǒng)平衡配置，通過汽輪機同步控制器調(diào)速汽門來調(diào)節(jié)主汽門前壓力(PT302)，使其穩(wěn)定在工作壓力上下。當發(fā)電機甩負荷時，控制旁路蒸汽調(diào)節(jié)閥(PV302)，退出自動狀態(tài)。

(8) 減溫減壓器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

減溫減壓器共有兩項調(diào)節(jié)任務(wù):調(diào)節(jié)噴水量維持減壓后蒸汽溫度在工作范圍內(nèi);調(diào)節(jié)減壓閥的開度維持減壓后蒸汽壓力在工作范圍內(nèi)。

本調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過減溫水調(diào)節(jié)閥(TV327)來調(diào)節(jié)減溫減壓器后溫度(TE327)，使其穩(wěn)定在工作溫度上下。

(9) 減溫減壓器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。在低負荷狀態(tài)時，本調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽旁路調(diào)節(jié)閥(HV302)來維持減溫減壓器后壓力(PT325)，使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍內(nèi)。當處于甩負荷狀態(tài)時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥(PV325)。

(10) 低壓分汽缸壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為雙調(diào)節(jié)器條件切換單輸出回路。低壓分汽缸的蒸汽在正常發(fā)電模式下來自汽輪機的抽汽;當發(fā)電機處于甩負荷狀態(tài)或汽輪機故障狀態(tài)時，則來自于主蒸汽經(jīng)減溫減壓器后的一部分蒸汽(而另一部分蒸汽則進入高壓冷凝器)。本調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)要求，通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥來安全合理的分配這兩部分蒸汽。

當高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)小于0.2Mpa時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥(PV326)來維持低壓分汽缸壓力(PT326)，使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍內(nèi)。當高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)大于0.2Mpa時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥(PV326)來維持高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)，使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍內(nèi)。

(11) 除氧器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)

此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。正常發(fā)電模式時，大量的凝結(jié)水由凝汽器通過低加直接送回到除氧器，不通過疏水箱，除氧器的補給水通過調(diào)節(jié)進水調(diào)節(jié)閥(LV304_1)，實現(xiàn)除氧器液位(LT404)的恒定。當汽輪機故障狀態(tài)時，大量的凝結(jié)水從高壓冷凝器聚到疏水箱，除氧器的補給水則通過疏水箱輸送，除氧器液位(LT404)通過調(diào)節(jié)進水調(diào)節(jié)閥(LV304_2)，實現(xiàn)液位的恒定。

6 結(jié)束語

該PLC集散控制系統(tǒng)經(jīng)兩年多的運行證明，各項技術(shù)指標均達到國際先進水平，主要表現(xiàn)如下:

(1) 燃燒效率高:垃圾在爐排上與空氣混合均勻燃燒充分，垃圾燃盡率高;

(2) 回熱效率高:余熱鍋爐分布在主爐膛和煙道中，可充分吸收垃圾燃燒熱量，正常燃燒熱效率80%以上，即使水份很大的生活垃圾，燃燒熱效率也在70%以上;

(3) 處理垃圾范圍廣泛:能夠處理工業(yè)垃圾、生活垃圾、醫(yī)院垃圾廢棄物、廢棄橡膠輪胎等;

(4) 運行維護費用低:爐排采用了整塊設(shè)計維護量小，自動控制水平高，運行人員少;

(5) 可靠性高:經(jīng)過近2年運行表明，此焚燒爐故障率非常低，年運行8000小時以上，利用率可達95%以上;

(6) 排放物控制水平高:由于采用二級煙氣再燃燒和先進的煙氣處理設(shè)備，使煙氣得到了充分的處理。經(jīng)長期測試，煙氣排放物中CO含量1～10PPM，HC含量2～3PPM，NOx含量35PPM，完全符合歐美排放標準。煙氣在二、三級燃燒室燃燒時溫度達1000℃，并且停留時間達2s以上, 可使二惡英基本分解，煙氣中二惡英的含量為0.04ng/m3, 遠低于歐美標準0.5ng/m3