垃圾焚烧电厂控制系统材料讲解.docx

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垃圾焚烧电厂控制系统材料讲解

SIEMENSPTD和I&S集团的产品在垃圾焚烧电厂控制系统中的应用

（一）

2007-09-1403:

51:

31

】　　一、综述

　　垃圾焚烧可以实现垃圾处理的减量化、资源化、无害化，回收其热量用于发电、供热等。

垃圾焚烧处理已成为一些发达国家处理垃圾的主要方式。

某垃圾焚烧处理发电厂是某某市与加拿大建设的一座总投资4.1亿元的垃圾焚烧发电厂，总占地面积３万多平方米。

设计有四台垃圾焚烧炉、四台余热锅炉、两台6MW汽轮发电机组。

四条生产线共设计日处理垃圾600吨，年发电量为8797千瓦时，１吨垃圾可产生不少于300KWh的电能。

　　该工程的核心技术为世界第三代CAPS技术，即控气型固体废弃物热分解处理技术，使用此技术建设了4台CAPS热解炉。

4台余热锅炉产生的蒸汽供给两台6MW汽轮机发电机组发电，真正实现了变废物为资源。

　　某某垃圾焚烧电厂概貌

　　二、垃圾焚烧炉及相关设备

　　某垃圾焚烧电厂的垃圾焚烧炉采用加拿大制造的顺推、多级机械炉排焚烧炉。

焚烧炉应用了世界第三代控气型固体废弃物热分解处理技术（CAPS），可有效减少焚烧产生的有毒气体。

　　1.垃圾仓结构

　　垃圾由汽车运到处理厂后倒入垃圾仓内。

垃圾新入仓的垃圾在仓内存放3天后就可入炉燃烧。

垃圾在仓内存放时经过发酵、排出渗滤水后可提高进炉垃圾的热值，又使垃圾容易着火燃烧。

在仓内，用吊车的抓斗将垃圾送至炉前料斗。

　　2.一燃室及焚烧炉炉排结构

　　垃圾焚烧炉为往复式、顺推、多级机械炉排焚烧炉。

焚烧炉内有一个给料器和8个燃烧炉排单元组成，包括干燥段的两级炉排、气化燃烧段的四级炉排和燃尽段两级炉排。

焚烧炉内温度控制在700℃以内。

燃尽的垃圾从最后一级炉排离开焚烧炉落入灰槽中。

　　1）给料器和防火门

　　给料器通过给料器（LoadingRam）将落入料斗的垃圾从防火门前推入燃烧室。

給料器只负责给料，不提供燃烧空气，并通过防火门与燃烧区隔离。

防火门在给料器收回时保持关闭状态。

关闭防火门可使炉膛与外界隔开，维持炉内负压。

同时，燃烧室的入口处有温度测点，当燃烧室入口的垃圾温度过高时，电磁阀将控制防火门后的喷雾器喷水以防止防火门打开时给料斜槽上的垃圾将料斗中的垃圾引燃。

　　2）燃烧炉排

　　八级燃烧炉排分为两级干燥炉排、四级气化燃烧炉排和两级燃尽段炉排。

每级炉排下面都有液压驱动的脉冲推动装置。

8级推动装置（推床）按一定顺序推动垃圾，使进入焚烧炉的垃圾依次被与各级炉排相配合的的推床推到下一级炉排上。

炉排上有均匀分布的小孔，用于喷出燃烧所需一次风。

供燃的一次风由炉排下的一次风管供给。

垃圾在炉排推送过程中受到燃烧器和炉内的热辐射以及一次风的吹烘，水分迅速蒸发，着火燃烧。

　　3）燃烧器布置

　　一燃室有两个主燃烧器，如图二17，18所示。

焚烧炉内燃烧炉排上方有温度测点，当焚烧炉启炉时和燃烧温度低于要求时，燃烧器17投油助燃。

燃烧器18位于炉膛出口，用于补燃未燃尽的垃圾。

燃烧器所需的空气由四台焚烧炉公用的一台燃烧风机（如图二7所示）提供，燃烧器燃烧所需空气为由大气吸入的洁净空气。

当燃烧风机故障或供风不足时，由旁路（图二6所示）取送风机的部分送风供给燃烧器。

　　3.二燃室烟道

　　二燃室主要部分为圆筒形烟道，没有管道等造成的烟气死角。

设置二燃室的目的是为了使烟气在120~130%的理论空气量下，1000℃左右的条件下停留>2s，使有害气体在炉内分解。

在二燃室入口有副燃烧器，当系统检测到二燃室出口烟温小于一定值时将点火补燃。

二次风在二燃室入口处进入二燃室。

二燃室有上下两个出口通至余热锅炉，两个出口前各有一个液压驱动的挡板控制烟气的进入。

　　4.一、二次风系统

　　每台焚烧炉都配有一台送风机。

风机从垃圾池吸入空气，同时也吸入从一燃室推床下部泄露到焚烧炉外部的气体。

这样安排送风的来源是为了保证垃圾仓为微负压状态，避免垃圾仓的气体外泄。

送风进入余热锅炉，经余热锅炉的两级空气预热器后进入一个大混合集箱（如图二21），然后分别作为一、二次风进入焚烧炉的一燃室、二燃室。

集箱还可以接受从不经过余热锅炉的送风旁路返回的送风。

离开集箱的一次风又分两条管路：

管路1（图二10-1）通至三条风管，供风给1~3级炉排；另一条管路2（图二10-2）通至五条风管，供风给4~8级炉排。

供给炉排的一次风可以烘干垃圾、冷却炉排并供给燃烧所需的空气。

管路1上的风量调节阀应根据焚烧炉入口的温度进行调节。

管路2上的风量调节阀则应根据焚烧炉炉膛的温度和氧量进行调节。

炉膛的空气量应该为理论空气量的70~80%。

二次风则经过管路（图二25）进入二燃室。

二次风供应量为理论空气量的120~130%。

　　5.排灰系统

　　由焚烧炉排出的灰渣落入灰槽中。

两条相平行的灰槽的布置方向与焚烧炉的布置方向垂直，四台焚烧炉的灰槽横向贯通。

液压驱动的分灰器（图二23所示）选择将灰渣落入某个灰槽中。

灰槽底部布置有灰传送带，负责运走四台焚烧炉排出到灰槽中的灰渣。

灰槽中要求保证有一定的水位来浸没灰渣。

。

　　6.烟气处理设备

　　烟气由余热锅炉排出后首先进入半干式洗气塔，塔中利用雾化器将熟石灰浆从塔顶喷入塔内，与烟气中酸性气体中和，可有效清除HCl、HF、等气体。

在洗气塔出口管道上有活性炭喷嘴，活性炭用于吸附烟气中的二噁英/呋喃类物质。

烟气之后即进入布袋除尘器，使烟气中的颗粒物、重金属被吸附去除。

最后将烟气从烟囱排入大气。

　　垃圾焚烧电厂垃圾焚烧炉工艺示意图

　　1.由垃圾仓来的空气2.送风机吸入的洁净空气3.推床下泄漏出的的空气4.料斗5.燃烧器的供燃空气入口6.由其他焚烧炉送风机来的部分空气7.供给四台锅炉燃烧器燃烧空气的风机8.送风机9.炉下小混合集箱及旁路风门10.炉排风总管10-1.前总风门110-2.后总风门211.手动阀12.气动阀13.送风至余热锅炉的送风管道14.给料器15.一燃室16.二燃室17.主燃烧器118.主燃烧器219.副燃烧器20.烟气出口液压挡板21.空气大混合集箱22.余热锅炉23.洗气塔24.布袋除尘器25.防火门26.炉排冷却水27.出料冷却装置A.冷却水进口B.冷却水出口C.喷水D.熟石灰供给E.压缩空气

　　三、垃圾焚烧电厂垃圾焚烧炉在污染物控制上的优点

　　生活垃圾焚烧烟气中的二噁英是近几年来世界各国所普遍关心的问题。

二噁英类剧毒物质对环境造成很大危害，有效控制二噁英类物质的产生与扩散，直接关系到垃圾焚烧及垃圾发电技术的推广和应用。

　　1.二噁英的结构

　　二噁英的分子结构为1个或2个氧原子连接2个被氯取代的苯环。

两个氧原子连结的称为多氯二笨并二噁英（PCDD，Polycholorodiabenzo-p-dioxin），一个氧原子的称为多氯二笨并呋喃（PCDF，Plolycholorodibenzo-furan）。

统称二噁英（dioxin）。

毒性最强的2,3,7,8-PCDD的毒性为氰化钾的1000倍。

dioxin对哺乳动物有极强的毒性，且易溶于水，热稳定性好。

　　2.垃圾焚烧炉内二噁英的产生原理

　　二噁英在焚烧炉内的生成的来源是石油产品、含氯塑料，他们是二噁英的前体。

生成方式主要是燃烧生成。

生活垃圾中含大量的NaCl、KCl、等，而焚烧物中经常会有S元素，从而产生。

和含Cl元素的盐在有氧气存在时反应生成HCl。

HCl又和Cu被氧化生成的的CuO反应生成。

经研究发现，致使二噁英产生的最终要的催化物就是和C元素（以CO为标准）。

　　3.采用的控气型固体废弃物热分解处理技术的焚烧炉在抑制二噁英产生方面的优势

　　控气型热解焚烧炉将焚烧过程分为二级燃烧室，一燃室进行垃圾热分解温度控制为700℃以内，让垃圾在缺氧状态下低温分解，这时金属Cu、Fe、Al等金属元素不会被氧化，因而不会有的产生，会大大减少二噁英的量；同时，由于HCl的产生量受残氧浓度的影响，因而缺氧燃烧会减少HCl的产生；并且自还原气氛下也难以大量生成。

由于控气型垃圾焚烧炉是固体床，所以不会产生烟尘，不会有未燃尽的残碳进入二燃室。

垃圾中的可燃成份分解为可燃气体，并引入氧气充足的二燃室燃烧。

二燃室温度在1000℃左右并且烟道长度使烟气能够停留2s以上，保证了二噁英等有毒有机气体在高温下完全分解燃烧。

　　此外，使用布袋除尘器避免了使用静电除尘时Cu，Ni，Fe颗粒对二噁英生成的催化作用。

　　四、余热锅炉设备

　　垃圾焚烧电厂的余热锅炉为烟道式余热锅炉，烟气流动方向在锅炉中进行5次转折。

锅炉压力4MPa，蒸发量15t/h。

余热锅炉的结构如下图所示。

在炉膛、烟道以及高温烟气入口布置有水冷壁

　　1.烟气流程

　　如图三所示，烟气从焚烧炉的二燃室通过上部或下部烟道（烟气从下部经过时不经过水冷壁K）进入余热锅炉。

先经过第二级过热器E、第一级过热器F、第二级空气预热器G，然后从下部进入主炉膛与水冷壁换热。

之后在炉膛上部出口改变角度后向下依次通过第一级省煤器I、第一级空气预热器H、第二级省煤器J，之后的烟气由烟道N离开余热锅炉。

　　2.送风流程

　　如图三所示，送风机来的风经过管路A进入余热锅炉，在炉内经过两级空气预热器H、G换热，之后由管路离开锅炉。

　　3.汽水流程

　　如图三所示，145℃的给水经过两级省煤器J、I（省煤器设置有给水旁路），进入锅炉汽包L、汽包中过冷水由下降管进入下集箱，经炉内水冷壁在4MPa下定压加热，蒸汽进入两级过热器F、E后达到400℃，离开锅炉进入蒸汽总管。

　　余热锅炉结构图

　　A.送风入口管道B.送风出口管道C.上部高温烟道D.下部烟道E.第二级过热器F.第一级过热器G.第二级空气预热器H.第一级空气预热器I.第二级省煤器J.第一级省煤器K.水冷壁L.汽包M.集箱

　　五、汽轮发电机组及辅机系统

　　某某垃圾焚烧电厂的四台余热锅炉配有两台汽轮机。

主蒸汽系统采用集中母管制，两台汽轮发电机组在厂房内纵向布置。

汽轮机采用广州斯科达生产的6MW凝汽式汽轮机。

设计进汽压力3.9MPa，进汽温度390℃，额定进汽量35t/h。

　　机组配备两级射汽抽汽器，一级汽封抽气器。

设计一级抽气供除氧器使用。

机组的冷凝方式为水冷，采用机械通风冷却塔二次循环水冷系统。

循环水的流动由循环水泵保证，循环水系统同时经空气冷却器和润滑油站进行相关的冷却。

凝结水由凝结水泵经汽封加热器进入除氧器。

除氧器出口的低压给水通过给水泵升压后进入余热锅炉。

四炉两机配备两台除氧器，除凝结水进入除氧器外，还有化学补水（温度、流量）以及由疏水泵送来的疏水箱的疏水。

　　汽轮机汽水系统示意图

　　1.除氧器2.五台给水泵（4用1备）3.余热锅炉4.汽轮机5.凝汽器6.循环水泵7.凝结水泵8.机械通风冷却塔

　　六、控制方案介绍

　　1.焚烧炉及锅炉的控制系统方案

　　焚烧炉及锅炉系统的控制包括公共系统的控制、4个焚烧炉的控制以及4台余热锅炉的控制。

　　1.1硬件构成

　　系统在硬件采构成上采用PROFIBUS+PROFINET结构。

采用5块SIEMENS317-2PN/DPCPU，分别控制公共系统及四套焚烧炉-余热锅炉系统。

CPU317-2PN/DP具有大容量程序存储器，可用于要求很高的应用。

可在PROFInet上实现基于组件的自动化中实现分布式智能系统。

可作为PROFINETI/O控制器，用于在PROFINET上运行分布式I/O。

并可与集中式I/O和分布式I/O一起，可用作生产线上的中央控制器，可用于大规模的I/O配置或分布式I/O结构。

此外，CPU对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。

　　在本系统中，CPU317-2PN/DP通过PROFIBUS接口构成PROFIBUS网络的控制设备，读取PROFIBUS总线上各I/O站的数据。

同时配有PROFInet接口，可与上位机通过PROFINET通讯，实现与上位机的高速数据监视与控制功能。

　　I/O站采用了ET200S模块化分布式I/O站，防护等级IP20，可用于危险区域（Zone2）。

采用按“位”模板化设计，能精确地适配自动化任务的要求。

　　在对电机的控制上，没有采用传统的控制方式。

而是采用了SIEMENS的电动机保护和控制设备3UF5SIMOCODE-DP。

它除了控制电机启停以外，还集成了过载保护、热敏电阻用于电动机的过热保护、接地故障保护、堵转保护、电流值检测功能于一身。

3UF5SIMOCODE-DP通过PROFIBUS通讯口连接到PROFIBUS总线中，成为一个PROFIBUS从站与PLC通讯。

　　送风机采用了SIMOVERTMASTERDRIVES变频器控制，可通过变频调节风量，这是电厂送风系统经常使用的方案。

　　三相交流传动系统电压源型变频调速SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制的变频器是具有IGBT逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。

它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。

SIMOVERTMASTERDRIVES基于系统的传动技术，一种通用和模块式的标准系列装置SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列变频器是全系列通用和模块化的产品，标准装置功率范围从0.55kW～2300kW。

覆盖全球的三相交流电网电压，380V～690V。

　　操作员站采用5台工控机进行系统的监视与操作。

其中一台监视公共系统，另外每套焚烧炉-余热锅炉系统用一台工控机进行监视。

工控机与三台PLC通过网线和交换机连入PROFINET进行数据交换。

　　1.2硬件组态

　　公共系统硬件组态图

　　焚烧炉-余热锅炉系统组态图

　　1.3控制系统的具体控制调节

　　a）公共系统

　　公共系统包括四台焚烧炉公共使用的一台燃烧风机，和炉排冷却水系统。

　　主要需要控制的设备有：

燃烧风机启停、3台散热风机启停与连锁（两用一备）、两台冷却水泵启停（一用一备，泵出口管压力低时联启）、以及分灰挡板下两条灰传送电机的控制（两套传送装置的工作切换）。

如前面所介绍，系统内电机大多采用SIMOCODE-DP进行启停控制。

　　b）系统总图与液压系统

　　垃圾加载系统由人工操作。

不纳入控制系统。

　　液压系统的控制主要包括三台液压泵的启停控制。

　　c）1#焚烧炉系统

　　焚烧炉系统的控制包括:

　　三台燃烧器的控制:

包括锅炉启动时的控制，以及当炉内相应测点温度达不到要求时自动助燃。

（二燃室燃烧器根据二燃室出口烟温进行开停判断）

　　进气风门的控制：

炉排下共布置三个用于一次风调节的总风门。

供给前三级炉排的前总风管风门开度根据前三级炉排上方烟温进行调节；供给后5级炉排的后总风管风门根据后5级炉排上方烟温进行调节；供给后5级炉排的后总风管风门根据后5级炉排上方烟温进行调节。

进入二燃室的二次风风管的风门则根据二燃室的温度和氧量进行调节，保证二燃室烟气温度和氧量达到要求。

　　送风机（鼓风机）控制：

采用变频器控制。

根据炉内压力进行调节，保证炉内微负压运行。

　　防火门、给料器及炉排的运动控制：

按照开启防火门，给料，各级依次顺推的顺序运行。

可切换手/自动操作和炉排运动的循环时间。

　　d）余热锅炉

　　余热锅炉的控制包括：

　　蒸汽出口电动门和紧急放水电动门的控制。

减温水PID调节和炉汽水三冲量PID调节。

　　2.汽轮机和辅机控制DCS系统控制方案

　　某某垃圾焚烧电厂汽机和辅机控制系统包括以下部分的控制：

除氧给水系统、循环水系统、燃油泵房系统、1#，2#汽轮机汽水系统、汽轮机ETS紧急停机保护系统。

由DCS负责这些系统的数据采集，以及数字量和模拟量控制。

　　整个系统从控制规模上属于小型机组。

因而DCS系统的自动控制系统（AS）站只采用了一套冗余的SIEMENS414-4HCPU。

AS414H的中央处理器是冗余配置，当主处理器出现故障时，则后备处理器立即无扰切换为主处理器。

处于后备的中央处理器与主中央处理器同时更新。

I/O系统采用9个冗余的ET200M分布式I/O站，通过PROFIBUSDP进行通讯。

另外单独为汽轮机ETS保护系统配置了一台414-3DPCPU做AS站，以建立独立的ETS系统。

ETS还配有SICAMMCPTS及SICAMDI模版，配合SICLOCKTM时钟发生器实现1ms精度的SOE（事件顺序记录）功能。

系列配置了一个工程师站（ES），两个操作员站（OS）。

AS站通过CP443-1连入工业以太网，ES站与OS站则采用CP1613连入工业以太网。

　　某某垃圾焚烧电厂汽机及辅机硬件系统示意图

　　2.1输入输出点表:

　　汽轮机紧急停机系统（ETS）通过判断一些危及到汽轮机安全运行的DI信号状态，从而输出汽轮机紧急停机、电磁阀紧急动作、发电机连跳等信号，保护汽轮发电机组在异常状态下的安全。

ETS系统包括50DI，20DO，并留25%余量。

　　2.2DCS系统硬件构成

　　DCS系统采用一套冗余的SIMATIC414-4HCPU，包括两块CPU构成冗余结构。

通过集成的冗余PROFIBUSDP接口，与9个ET200M分布式I/O站进行通讯，同时通过冗余的CP443-1卡接入工业以太网。

现场变送器、热电阻、热电偶的模拟量输入、模拟控制量输出与现场I/O直接通过电缆接到各个ET200M站的相应I/O模块。

　　a）自动控制系统AS414-4H

　　自动系统AS414H用于汽轮机及辅机DCS系统的控制。

414-4H的中央处理器模件集成了PROFIBUSDP接口，可以作为主站直接与PROFIBUSDP现场总线I/O单元（ET200M）连接。

AS414H每条开关量指令的执行时间小于0.1us，用户存储器可达64MB，最大I/O数量可以达到65K开关量/4K模拟量。

　　AS414H的中央处理器是冗余配置，当主处理器出现故障时，则后备处理器立即无扰切换为主处理器。

处于后备的中央处理器与主中央处理器同时更新。

并且相互之间不断地按事件同步方式进行信息交换和数据更新，保证了冗余切换时系统的数据、控制功能和保护功能不会因冗余切换而丢失或延迟。

电源模件也是冗余配置，并且电源故障也是系统的恢复性故障，重新受电后，中央处理器模件将自动恢复工作，不需工作人员干预。

数据总线的故障对中央处理器的正常工作没有影响。

　　b）分布式I/O

　　ET200M是模块化的I/O站，具有IP20的保护等级。

ET200M包括：

两块IM153-2构成冗余接口模件（连接PROFIBUSDP）；I/O模件（最多8个）。

PROFIBUSDP和ET200M之间是隔离的；最大传输速率为12Mbps。

在ET200M中，I/O模块可以带电插拔。