变频调速技术在垃圾焚烧中的应用及实现的相关技术讨.docx

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变频调速技术在垃圾焚烧中的应用及实现的相关技术讨

变频调速技术在垃圾焚烧中的应用及实现的相关技术讨

1引言

用焚烧的方法来处理垃圾是现有垃圾处理方法中占地少、效果较好的方法,可解决垃圾渗沥液污染地下水的问题。

焚烧是对垃圾进行高温热化学处理的一种技术,焚烧炉内垃圾中的可燃组分与空气中的氧气在800~1000℃的高温下燃烧,转化为气体和性质稳定的残渣,并释放出热量。

燃烧产生的热量可回收利用,残渣经处理后可作制砖材料或作填埋处理。

垃圾焚烧处理的优点:

（1）减容效果好，可以使城市垃圾体积减少80%~90%;

（2）消毒彻底，能彻底杀灭病原菌,并使垃圾中的有害成分得到完全分解;

（3）后续处置对环境影响小;焚烧后的残渣有机物含量一般小于5%,对填埋要求比较低;

（4）可以实现资源回收利用,垃圾焚烧产生的热量可用于发电和供热。

因此，环境、社会和经济效益是比较明显的。

当然也存在一些问题:

（1）设施一次性投资大;

（2）对垃圾热值有一定的要求;

（3）对焚烧产生的烟气处理需要花费较大的代价,特别是飞灰中含有重金属和二恶英类有害物质,需要作特殊处理以防止对地表和地下水产生污染[1]。

但是，垃圾焚烧发电并非易事，如用于发电，除满足发电工艺要求外，还要满足极高的净化环境的需要。

这涉及到对象（城市固体垃圾）特性、调控策略研究等许多问题，以下从控制工程角度对相关技术问题作些讨论。

2城市固体垃圾焚烧的控制策略

由于城市固体垃圾特性的复杂多变以及垃圾焚烧炉燃烧过程的非线性、时变性和不确定性，因此被控对象是一个不确定性的复杂对象。

2.1存在的问题

考虑影响垃圾焚烧炉燃烧稳定性的因素,在燃烧控制中存在许多问题，主要表现在:

（1）不确定性问题

传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或者通过辩识可以得到的。

但复杂系统中的很多控制问题具有不确定性，甚至会发生突变。

对于“未知”、不确定、或者知之甚少的控制问题，用传统方法难以建模，因而难以实现有效的控制。

（2）高度非线性

传统控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法可资利用，但总体上看，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂在工程上难以应用，在复杂的燃烧系统中有大量的非线性问题存在。

（3）半结构化与非结构化问题

传统控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具，其本质是一种数值计算方法，属定量控制范畴，要求控制问题结构化程度高，易于用定量数学方法进行描述或建模。

而复杂燃烧系统中最关注的和需要支持的，恰恰是半结构化与非结构化问题。

（4）系统复杂性问题

按系统工程观点,广义的对象应包括通常意义下的操作对象和所处的环境。

而复杂燃烧系统中各子系统之间关系错综复杂,各要素间的高度耦合,互相制约,外部环境又极其复杂,有时甚至变化莫测。

传统控制缺乏有效的解决方法。

（5）可靠性问题

常规的基于数学模型的控制问题倾向于是一个相互依赖的整体，尽管基于这种方法的系统经常存在鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，但对简单系统的控制可靠性问题并不突出。

而对复杂燃烧系统，如果采用上述方法，则可能由于条件的改变使得整个控制系统崩溃。

2.2固体垃圾焚烧的特点

归纳上述问题，城市固体垃圾这个复杂对象（过程）表现出如下的一些特性:

（1）系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性;

（2）系统时滞的未知性和时变性;

（3）系统严重的非线性;

（4）系统各变量间的关联性;

（5）环境干扰的未知性、多样性和随机性。

针对上述特性，因其属于不确定性复杂对象（或过程）的控制问题，传统的控制方法难以对这类对象进行有效的控制，必须探索更有效的控制策略。

因此，用大量引入人的智能与智慧、经验与技巧，控制器只能是用基于数学模型和知识系统相结合的广义模型进行设计的，也就是说对不确定性复杂系统的控制一般应采用智能控制策略[2]。

2.3控制系统的特点

这类控制系统有以下基本特点:

（1）具有足够的关于人的控制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的知识;

（2）是能以知识表示的非数学广义模型和以数学描述表示的混合过程，采用开闭环控制和定性及定量控制相结合的多模态控制方式;

（3）具有变结构特点，能总体自寻优，具有自适应、自组织、自学习和自协调能力;

（4）具有补偿和自修复能力、判断决策能力和高度的可靠性。

智能控制策略的突出优点是充分利用关于人的控制性能、信息获取、传递、处理性能的研究结果和心理、生理测试数据，建立控制者—“人”环节的模型，以便与被控制对象—机器的模型相互配合，设计人机系统，为系统分析设计提供灵活性。

例如，当建立被控制对象模型很困难时，可以建立控制者模型，如建立控制专家模型，设计专家控制器等;当建立控制者模型很困难时，可以建立被控制对象模型;设计被控对象模型有困难时，可建立“控制者—被控制对象”的联合模型，即控制论系统模型，如“人—人”控制论系统的对策论模型[3]。

由于现代传感变换检测技术和计算机硬件相关技术的发展基本上已经妥善地解决了控制系统中的硬件问题，难点在于信息的处理和信息流的控制,因此其控制目标的实现和控制功能的完成是采用全软件方式实现的。

不同的控制策略所构造出的算法其复杂程度、鲁棒性、解耦性能等差别是很大的，在技术实现上软硬件资源开销也不同,人们期待的是开销最少的控制策略，在这方面仿人智能控制策略有其独特的优势。

仿人智能控制是总结人的控制经验、模仿人的控制经验和行为,以产生式规则描述人在控制方面的启发与直觉推理行为,其基本特点是模仿控制专家的控制行为,控制算法是多模态的和多模态控制间的交替使用,并具有较好的解耦性能和很强的鲁棒性[4]。

一般垃圾焚烧炉控制可采用专家控制系统[5]、仿人智能控制、模糊神经网络控制]等策略，以改善垃圾焚烧炉运行的稳定性，使炉温波动尽量小。

3变频调速技术的应用

3.1焚烧引起的二次污染

以炉排式垃圾焚烧为例，其最大缺点是容易导致二次剧毒污染物二恶英的产生。

垃圾中含有苯环的有机物，它与含氯物质（如塑料）在400~600℃高温下产生的挥发性物质,在烟气中易合成为二恶英，即四氯二苯。

炉排焚烧炉的炉膛中，由于助燃物（油、煤等）的投入量不均匀，使得烟气温度和烟气成分很不均匀，在炉膛的局部极易形成400~600℃的温区，给二恶英的生成创造了条件，在我国炉排焚烧炉的烟气出口处也测出过二恶英。

二恶英由2组共210种氯代三环芳烃类化合物组成，其中毒性最强的ld50为每公斤体重1百万分之一克，相当于氰化钾毒性的50到100倍。

二恶英的水溶解度极低，在脂肪中具有很高的溶解度，吸附性能和热稳定性非常强。

它可经皮肤、粘膜、呼吸道、消化道进入体内，不易被排出，从人体内排除一半平均需要7年时间。

它还可使人免疫力下降、内分泌紊乱等,损伤肝、肾,使人发生变应性皮炎及出血，还会伤及胎儿。

其对生态的危害作用至今还在不断地发现与认识中。

1995年,美国环境保护局公布的对二恶英的重新评价结果时指出,它不仅具有致癌性，还具有生殖毒性、内分泌毒性和免疫抑制作用。

特别是其具有环境雌激素效应，可能造成男性雌性化。

1997年世界卫生组织国际癌症研究中心将其从致癌物名单的二级致癌物地位提升到一级致癌物（对人肯定致癌物）。

鉴于二恶英的毒性如此之高，1998年世界卫生组织规定的人体每日容许摄入量已经从极低的10皮克减低到1~4皮克（万亿分之一克）（以每公斤体重计）。

二恶英的生态危害程度在发达国家已经到了谈及色变的程度[6]。

又如cfb（circulatoryfluidizedbed）垃圾焚烧炉不产生二恶英。

实验证明，当烟气温度高于1000℃时，或烟气温度高于780℃并在炉内停留时间超过2s时,均不产生二恶英。

cfb垃圾焚烧炉内的垃圾颗粒上下流动,当炉膛高度大于烟速乘2s时也不会产生二恶英,这在cfb垃圾焚烧炉的设计中是完全可以实现的。

此外，cfb炉的优点是效率高、发电量大、垃圾减量明显，不用助燃油，可节省发电成本，可分布式建在市区内，减少垃圾的贮运量等[7]。

cfb垃圾焚烧炉因其成本低、二次污染小、能量综合利用率高等得到越来越多的应用。

为实现垃圾的清洁焚烧，减少和避免二恶英的生成，焚烧垃圾需要在一定的焚烧温度和湍流度下停留一定的时间。

对cfb垃圾焚烧炉而言，湍流度和停留时间可由其炉膛结构设计保证，而垃圾的燃烧温度可在运行过程加以调节。

由于垃圾的焚烧是在整个炉膛内进行的，因此要求炉膛内各点温度均维持850℃~950℃之间。

因此，采用焚烧法处理垃圾时，必须特别注意烟气的处理问题。

二次污染是在燃烧过程中产生的，它的降低或消除离不开这个过程。

充足的空气（氧气）是充分燃烧的前提，如何获得足够的空气是解决焚烧引起的二次污染问题的关键。

3.2风量调节方法的比较

在垃圾焚烧炉燃烧过程中，风量调节是极其重要的，有两种调节方式:

变阀调节与变速调节。

前者就是在输送风的管道上利用改变阀门的开度来调节输送风的流量，一般称为节流调节。

节流调节是利用改变管道系统阻力，变更管道阻力特性以适合用户要求的工作点。

但是采用这种方法效率将急剧降低，风机功率基本不变。

目前，还有大量风机都是靠风门来节流，系统输入功率并未减少，能量白白浪费在节流过程中。

变速调节是利用改变风机的性能曲线来改变工作点，变速调节中没有附加阻力，效率高，是一种比较理想的调节方法。

使用变速调节，风机负载消耗的功率与转速成3次关系，基本上有负载功率p与n（n，电动机转速）的3次方成正比。

变频变速技术的应用就是通过改变电源的工作频率对交流电动机进行无级调速，只要把变频器当作频率可调的交流电源装置，接入工频电源与电动机之间，原有的其它设备无须改动。

风机采用变频变速调节时，其效率几乎不变，风流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按3次方规律变化。

采用变转速调节时，还可以降低风机的噪声，减轻磨损，延长使用寿命。

上述比较表明，为了保证充分燃烧，采用变频调速调节风量是明智的。

3.3变频调速与垃圾特性跟踪

城市固体垃圾特性的复杂多变性及垃圾焚烧炉燃烧过程的非线性、时变性与不确定性决定了燃烧过程优化控制的难度，充分燃烧是指无论何种燃料燃质总能在燃烧过程中完全氧化烧净，即在任何一个时刻在燃烧空间的任何一个点都要保证恰当的空（气）燃（料）比，从控制理论角度考虑这是必须的，也就是空气流量要同步跟踪燃料燃质流量，否则难以保证充分燃烧。

但是燃料燃质是随时间变化的不确定性量，并无严格的变化规律。

因此，从执行机构角度考虑采用变频调速方式响应速度快，相比之下能比较好地保证空（气）燃（料）比的跟踪特性，显然电气传动部分应该采用变频器。

4垃圾焚烧控制系统结构

一般垃圾焚烧处理都采用分布式控制系统（dcs）结构。

例如，某垃圾发电厂[8]安装2条垃圾焚烧线（每条垃圾焚烧线日处理垃圾能力为225t），1台6mw凝汽式汽轮发电机组，母管制。

全厂配置1套dcs，以实现对垃圾焚烧发电整个生产过程的状态监视、运行操作、过程控制、事件报警、运行联锁、安全保护，完成数据采集（das）、模拟量控制（mcs）、顺序控制（scs）和联锁保护（pro）等系统功能。

控制系统通过先进的、开放的计算机网络及profibus现场总线技术、远程i/o机柜布置方式、可靠的硬件系统和良好的人机界面，实现对垃圾焚烧发电机组的监控。

其监控范围涉及:

（1）垃圾焚烧线辅助子系统;

（2）余热锅炉子系统;

（3）除渣除灰子系统;

（4）汽轮机及辅机子系统。

其它生产过程,如焚烧线燃烧控制、烟气处理系统、汽机数字电调、化学水处理和垃圾起吊控制等子系统通过数据通信方式分别接入dcs，系统配置如图1所示。

图1垃圾焚烧发电dcs系统配置图

该系统共配置3台操作员站（其中1台兼工程师站）和2对冗余cpu417h控制器,1号控制器主要控制余热锅炉及垃圾焚烧线辅助子系统,2号控制器主要控制汽轮机及其辅助设备。

系统采用s7300系统i/o模件，通过et200m远程机架与控制器相连，i/o点总数达1000点左右。

系统的控制组态软件为simaticpcs7v5.2。

从系统角度考虑问题，可以认为该系统还是比较完美的。

但是，从燃烧优化方面考虑似乎还有值得进一步探讨的，即控制算法如何保证实现充分燃烧及如何检测已实现的充分燃烧，这涉及到检测方法及检测设备。

对于具有城市固体垃圾特性这样复杂的对象要实现优化控制其控制难度是很大的。

在构建系统方面，除选购成套dcs系统外，也可自己搭建开发dcs系统，如可选择美国wonderware公司的套件产品过程可视化（组态）软件intouch，industrialsqlserver工厂实时历史及其分析工具，报表与趋势工具activefactory,通过i/oserverdaserver或者opc进行设备集成等构建dcs系统。

5基于wonderware的垃圾焚烧系统解决方案

系统的现场设备控制级可由plc等系统构成,生产过程监控采用wonderwareintouch来实现,采用wonderwareindustrialsqlserver完成生产数据的存储，通过wonderwaresuitevoyager实现对生产数据和生产状况的远程监控，通过wonderwareactivefactory对生产数据进行全面的数据分析。

wonderware公司的工控组态软件intouch在开发上位机监控软件方面具有简单、快捷、稳定、高效的特点,是当今最流行的工控软件开发工具之一。

wonderware与其他组态软件相比，有以下特点:

（1）系统稳定性好。

wonderware软件系统虽然庞大，但即使在配置较低的系统上，仍能流畅运行。

死机的情况比许多同类软件都少。

（2）图形功能强,动画制作功能强大。

wonderware支持真彩色。

（3）连接设备广泛,连接方法相对简单。

在一个地区为了从整体上对环境进行净化处理和优化控制，必须强化上层管理功能，将各分散的子系统作更大规模的集成，以便发挥信息对环境控制的效益，既要考虑新建垃圾焚烧厂的需要，又有照顾到有的垃圾焚烧厂已经运行多年，期间的dcs设备可能由数个品牌构成，上位机监控软件也可能由多个不同厂家提供，鉴于这种情况，可以使用insql+intouch的系统解决方案，如图2所示。

图2insql+intouch的系统解决方案

5.1网络结构

采用分层的网络架构,以insql为核心,遵循开放的tcp/ip协议。

由于insql同时兼有关系型数据库的特点，所以方便与其他数据库连接,为用户开发提供良好的接口。

5.2软件配置

如果用户使用intouch，那么只要添加insql数据库服务器在一级网络上就可以方便地导入intouch的测点，无需编程就可实现和dcs设备通讯;如果用户使用的是其他的监控软件，那么insql也提供手工建点的方式连接测点;或者insql也可直接和opcserver实现通讯，把所需要的dcs数据导入到insql服务器中。

5.3数据管理

具有良好的性能，比一般关系型数据的数据存储快100倍，提供ms级的数据采集。

支持标准的sql查询，并可根据需要返回等间隔的数据，或返回一定数量的数据。

数据备份极为方便，每天生成一个目录来存储数据，也可使用内置的策略方式来定义循环存储数据。

对不能自动采集的数据，利用insql内的mdas（manualdataacquisitionservice）服务实现多种手工导入。

能够实现事件触发的功能，一旦条件满足，则会快速记录所有相关测点的信息，或者执行一些相关的语句。

提供手工加测点的方法，随时都可以增减数据测点。

在修改完毕后，不需要重新起停数据采集服务。

对于数据源的冗余提供了多种方案，保证最大程度的数据完整性。

5.4数据压缩

insql的数据压缩性能是令人满意的，它不仅具有非常优秀的压缩率，而且其压缩算法是无损压缩，为垃圾焚烧厂数据的海量存储提供了最有力的支持。

以每个数值占4个字节，时标占8个字节，1个为质量字节计算，共有22000点，2s周期的循环方式存储:

每日数据=13×200000×（60/2）×60×24=11,232,000,000≈11g，再加上索引文件和日志文件就更大了。

但是insql实际只占用了1g，并且是无损压缩，压缩率大于90%。

如果采用delta的存储方式，即状态变化时才存放，文件至少可以再减少70%。

5.5性能优越

占用cpu的资源比较少，一般的负荷仅为5%~10%，如果有20个用户同时访问，也能很好的运作，cpu的最高负荷为70%。

除了提供历史数据还提供实时数据，并且可以使用28.8k的modem进行远程监控查询。

5.6强大的客户端

提供多种客户端连接方式,有一个专门的activefactory客户端软件。

包含了趋势工具，查询工具，以及和excel，word连接的工具集，使用非常方便，整个过程不需要编写任何一句代码。

如果用户需要自行编写程序，也可直接使用ole-db的方式连接到数据库，然后就与其他标准的关系型数据库一样使用sql查询。

对于实时数据的查看，可以通过insql内的一个专用服务器，再连接到factoryfocus（intouch只监视不控制的版本）上进行显示，速度和效率都和现场的操作员看到的完全一样。

采用wonderware公司的intouch监控软件、insql工厂实时关系数据库、suitevoyager网络门户网站及所提供的其他软件，即可实现现场自动化监控、数据存储、远程网络实时浏览、历史数据查询和曲线绘制等功能，通过不同软件的组合，可以很好地满足垃圾焚烧对控制和数据管理的要求[9]。

5结束语

由于采用变频调速能使风量比较好地跟踪垃圾特性的变化，所以，变频器应用是必不可少的。

但是，充分燃烧要依靠系统保证，因此，文章从系统角度对实现的相关技术也作了粗略讨论。