垃圾焚烧发电厂热工控制方案

垃圾焚烧发电工程热工控制系统方案李宏文摘要：本文以某大型环保能源集团的一个垃圾焚烧发电厂为例，阐述了垃圾焚烧发电厂控制特点、方案策略、控制手段及控制系统选择与优化。关键词：垃圾发电，热工控制方案，选择与优化。垃圾焚烧发电在国内经过十几年的发展，经过引进国外先进设备，消化吸收国外先进技术，形成适应我国垃圾成分特点的相应技术，并开发出有效的分散集约化控制系统。根据工程的可行性研究、环境影响报告书、初步设计和施工图设计，分析垃圾焚烧发电的热工控制系统。一、.工程概述垃圾焚烧发电项目一期工程由两条原生垃圾焚烧线和二套汽轮机发电机组以及辅助公用系统组成。原生垃圾焚烧，主要工艺设备为两台日处理量350t/d马丁式逆、顺推（两段）炉排，单锅筒自然循环垃圾焚烧余热锅炉，蒸发量22t/h、过热器出口温度400℃、压力4.0MPa，两套烟气净化处理系统。两套额定电压10.5KV功率7500KW，进汽压力3.8Mpa进气温度395℃的汽轮机发电机组。发电机组年发电量12000万度。垃圾电厂的机组装机容量都比较小，垃圾焚烧发电厂的控制系统与常规小型燃煤火力发电厂基本一样，由于垃圾发电厂的自动化程度要求高于小型燃煤火力发电厂，从控制方式、控制手段和控制规模上讲，可以说是还要复杂一些。由于垃圾成分复杂、受季节变化影响其热值和含水率变化较大，基本是每一次投料的垃圾成分都不一样，就对稳定焚烧控制系统有较高的要求。二、垃圾焚烧发电对热工自动化的控制要求1、每天焚烧处理的垃圾量，必须充分燃烧；通过燃烧控制使余热锅炉蒸发量稳定在额定值范围内；必须保证炉膛的温度在850℃以上，必须保证二恶英的分解时间2S；烟气通过烟气净化处理设备，脱硫-脱销-去除有害气体（二恶英类）-除尘，控制烟气排放指标参数在国家标准规定值以下；并优化焚烧控制减低单耗（耗电量、耗水量）提高产汽量；做到保证排放标准的前提下提高发电量。2、保证垃圾焚烧生产线工艺设备对热工自动化控制系统的要求，确保工艺设备能够安全、可靠稳定的运行。在保证经济合理性的前提下，遵照先进适用的原则，尽量采用先进的技术、质量可靠的设备，并适宜地提高自动化水平。3、热控专业包括热工检测、热工报警、热工保护、热工控制等部分，尽量采用标准设计、典型设计和通用设计。三、垃圾焚烧发电监控系统的构成本工程以和利时MACSV为核心构成DCS控制系统，完成对两条焚烧线和两套汽轮发电机组及其辅助公用系统和热力系统的监控，为二期设备预留相应的通道和容量。和利时MACSVDCS控制系统由服务器站、现场控制站、工程师站、操作员站、冗余通讯网络、现场仪表等成。本一期工程配置5个现场I/O控制站，均配置有一对高性能、大容量的冗余主控单元（一台主控单元可控制多达2048点数字量和模拟量，34M内存），在通过冗余100M工业以太网与操作站间构成一个可靠的实时控制网络的同时，又具备各自独立的控制功能（每对冗余的主控单元分别控制和管理各自的输入输出模块），加上每个现场I/O站内的各卡件都是独立的1：1冗余供电，所以系统的可靠性特别高（系统危险性降到最低）。另外，本系统远程I/O（控制）机柜，由于是采用防腐、防尘、防雨、微正压设计，加上本系统的控制层采用ProfibusDP总线方式结构，所以将I/O站放在I/O点比较集中的现场，也可以放在集中控制室内（每个站可以根据需要带远程扩展柜），这样不仅可以大大降低成本（可以节省大量信号电缆和减少工程量），还可以提高系统信号的抗干扰能力。1、监控系统的功能1.1数据采集系统（DAS)1.1.1图形显示功能：包括回路操作显示，分组显示，棒状图显示，趋势显示，工艺流程图显示等等。1.1.2报警管理：报警显示，可按报警时间，报警优先级，报警区域，报警类型来管理所有报警。报警包括工艺参数越限报警、控制设备故障报警、控制系统自诊断故障报警等。1.1.3制表记录：包括操作工艺设备的记录与定期记录，事故追忆记录，联锁动作的记录，事故顺序（SOE)记录，跳闸记录等。1.1.4历史数据存储和检索、性能计算、指导信息、管理报告。1.2模拟量控制系统（MCS)模拟量控制系统能满足焚烧炉、锅炉和汽机及其辅助系统安全可靠、稳定高效运行。在系统故障时，自动地将系统无扰动地从“自动”方式切换为“手动”方式。1.3顺序控制系统（SCS)以程序控制为基础，对下列系统进行顺序控制，焚烧炉联锁控制、焚烧炉炉排的控制、出渣系统控制、锅炉吹灰器和布袋除尘器反吹程序控制，汽机联锁保护等。1.4开环控制和联锁控制系统对于泵阀联锁、泵泵联锁、各个水池液位控制泵启停、等需要开环控制、联锁控制。2.监控系统的构成2.1现场控制站控制站由主控单元控制器、模拟量输入输出卡件、数字量输入输出卡件、网络通讯等单元构成。为了确保焚烧线和汽轮发电机组更安全可靠运行，尽量减少停炉停机，控制站采用双机热备结构。其中一台为主控单元，另一台为后备主控单元，它随时准备在主控单元出现故障时代替主控单元来继续对I/O进行控制。通讯系统为双网冗余，部分重要输入、输出冗余配置，参与保护的参数实现三取二信号输入确保系统安全可靠，三取二配置的I/O要接入不同的I/O卡件上。每条焚烧线（焚烧余热锅炉）各设一个现场控制站，汽机各设一个现场控制站，公用辅助系统设一个现场控制站，1对冗余的服务器，各个站之间1:1冗余以100M工业以太网。2.2操作员站由工业级控制机与人机接口LCD、操作台、打印机。DCS系统共提供6台全功能操作员站2台炉各1套、2台机各1套，值长台1套布置在集中控室内。提供1台工程师站布置在工程师站，各个站之间1:1冗余以100M工业以太网。台操作站、工程师站平时各自完成所控的对象，在特殊需要时通过密码身份的切换可完全对等，互为备用，只要任意一台操作员站正常，即可完成全功能操作，此外，在特殊情况下，也可通过身份密码和权限的切换，实现操作员站和工程师站的切换。2.3打印机控制系统设两个网络打印机，一台黑白A3激光打印机(用于报表打印)，一台彩色A3激光打印机（用于事件、报警、图形等打印）安放在工程师站内。2.4GPS脉冲时钟装置2.4.1GPS时钟装置包括天线、接受器、整套装置内部设备之间及GPS装置至DCS系统的连接。2.4.2装置的时钟输出信号精度至少为1uS，GPS与DCS之间每秒进行一次时钟同步。2.4.3GPS时钟装置提供至少8路时钟信号输出通道，能支持以下可选的接口形式：IRIGB（调制或非调制）、1PPS、RS-232、RS422/485、NTP（10Base-T以太网接口）。2.4.4当GPS时钟装置的实时时钟无法跟踪GPS时，装置提供继电器输出接点输出进行报警。2.4.5所供GPS时钟装置提供一路输出信号给电气监控系统，并满足电气监控系统时钟精度需求，达到统一全厂控制系统的时钟。2.5电源2.5.1和利时电源柜内配置冗余电源切换装置和回路保护设备，二路电源中的一路来自不停电电源(UPS)，另一路来自厂用电源，并用这二路电源在机柜内馈电给DCS现场控制站、服务器机柜、操作员站和工程师站（正常使用UPS电源）。2.5.2和利时控制柜内的二套冗余直流电源，并这二套直流电源都具有足够的容量和适当的电压，能满足设备负载的要求。2.5.3任一路电源故障都报警，二路冗余电源自动切换，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。3.监控系统可靠性措施3.1控制站具有分散性首先控制站在地理位置上是分散布置的，其次控制站所实现的如数据采集、过程控制等按功能进行分散，也就意味着整个控制系统的危险性分散。3.2冗余配置3.2.1DCS系统服务器冗余配置3.2.2控制站主控单元采用双机热备配置3.2.3通讯总线双缆冗余，重要的I/O通道冗余3.2.4DCS网络分为服务器自操作员双网冗余、服务器与工程师站双网冗余供4个网段3.2.5操作员站为多站互备冗余配置，其中任一操作员站有故障其它的站均能实现上位控制功能，并能冗余后备工程师站（带有有权限管理）。3.3锅炉和机组的重要保护和跳闸功能采用独立的多个测量通道，跳闸回路采取三取二逻辑。3.4对每个独立的控制对象，有投入运行的许可条件，以避免不符合条件的投运，还有动作联锁，以便在危险的运行条件下使设备联锁保护跳闸。3.5当主控系统发生全局性或产生大故障时，为确保机组紧急安全停机，设置独立于主控系统的紧急停机按钮。锅炉操作台需要布置以下操作按钮：（1）紧急停炉（双确认双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）汽包事故放水门（双按钮，开、关各一副，加防护罩带指示灯）；（3）向空排汽门（双按钮，开、关各一副，加防护罩带指示灯）；汽机操作台需要布置以下操作按钮：（1）紧急停机（双确认双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）启动交流润滑油泵（单按钮，加防护罩带指示灯）；（3）启动直流润滑油泵（单按钮，加防护罩带指示灯）；（4）开真空破坏门（单按钮，加防护罩指示灯）；电气操作台需要布置以下操作按钮：（1）紧急停发电机（双确认双按钮，加防护罩不带指示灯）；（2）分发电机灭磁开关（双按钮，加防护罩不带指示灯）；（3）启动消防水泵（单按钮，加防护罩指示灯）；（4）增磁、减磁（各一副按钮，加防护罩指示灯）；4、DCS监控系统通讯网络4.1DCS系统外部设备通讯网络设有并支持，RS323RS422/485接口MODBUS协议、及PROFIBUS-DP现场总线、HATE协议等。4.2DCS与厂级监控信息系统（SIS）4.2.1和利时DCS系统配置一台数据采集接口可以与SIS相连。数据采集接口功能由值长站完成。包括数据库、网络接口卡(冗余)、驱动程序、相关网络通讯接口功能软件包。该接口计算机提供的服务能够让SIS系统通过该计算机访问DCS数据，除了这种数据采集接口功能以外该计算机可监视DCS数据，但不具有DCS系统的其它功能。SIS系统向数据采集接口计算机请求获得数据，数据采集接口计算机接到SIS系统的请求后从DCS系统取得数据并发送给SIS系统。使得SIS系统可以方便地定义所要采集的数据并且与接口计算机实现通讯、实时地取得数据。4.2.2SIS系统的接入不会降低DCS的性能，如分辨率、操作响应速度、网络的负荷率等。5、垃圾焚烧余热锅炉控制方式垃圾焚烧炉的控制原则是按余热锅炉的蒸发量控制垃圾的投入量、炉排运动及一、二次燃烧空气量，保证余热锅炉效率最大。当炉膛温度＜850℃时，投入辅助燃烧器，确保二恶英的分解。垃圾焚烧余热锅炉热工控制系统主要由以下几大部分构成：5.1、以DCS为核心的监控系统；DCS系统同时提供MODBUS和PROFIBUS-DP两种通讯协议与控制子系统进行通讯。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。常用于智能仪表的通讯。PROFIBUS-DP具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。是一种用于自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场智能化提供了可行的解决方案，最大优点在于具有稳定的国际标准保证，并经实际应用验证具有普遍性，用于PLC等车间级控制系统的通讯。5.2、焚烧炉综合燃烧控制系统（ACC）ACC（炉排控制系统）与焚烧余热锅炉主控系统通讯通过PLC（S7-300）实现炉排液压自动控制和接受DCS来的含氧量、炉膛温度和主汽流量信号，可实现自动燃烧控制。ACC系统与焚烧余热锅炉总控DCS通讯采用ProfiBus-DP现场总线通讯。5.2.1在ACC就地控制柜设有操作面板，并设有切换开关,可以选择“DCS信号接受/不接受”,当选择“不接受”时，DCS不能操作炉排系统所有动作，但显示仍正常。5.2.2当选择“DCS信号接受时”,大部分动作都能就地(OP面板)和主控室同时操作,以最后操作的动作为最后指令。主要控制推料器、逆顺推炉排的进退，料层调节、炉排冷却风机、清灰风机各风室风门的开关，主油泵、滤油泵和冷却油泵的启停，还有行程和阀位的反馈显示，液压站压力、油温、