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案例详细

标题

垃圾发电厂的电厂监督控制系统

技术领域

电源

行业

简介

内容

    徐霖（1974-）
男，安徽桐城人，博士，主要从事电气和仪
控专业工作。

1    前言

    江苏常熟生活垃圾焚烧发电厂于2006年9月正式投运。设置有比利时西格斯（SKG）公司进口的300t/d垃圾焚烧炉2台（额定蒸发量2X23.4t/h；额定温度400℃；额定压力4.0MPa）；广州斯科达.劲马汽轮机有限公司生产的12MW凝汽式汽轮机1台。目前运行良好，垃圾日处理量可以达到600 t/d（最大可到630t/d）；发电量可以达到8～9MW。

    江苏常熟生活垃圾焚烧发电厂底层的子系统广泛采用了可编程控制器PLC控制；计有9套：

    （1）比利时西格斯公司提供的“顺推+翻转”垃圾焚烧炉炉排液压驱动系统2套；采用西门子公司的S7 400系列PLC：

    （2）比利时西格斯公司提供的烟气净化系统2套；采用西门子S7 300系列PLC；

    （3）比利时西格斯公司提供的锅炉清灰系统2套；采用西门子S7 300系列PLC；

    （4）化水处理系统1套；采用西门子S7 300系列PLC；

    （5）压缩空气系统1套；采用西门子S7 300系列PLC；

    （6）污水处理系统1套；采用西门子S7 300系列PLC。
这些PLC共同特点是：本身具有可靠、良好的开关量控制功能；并具有一定的模拟量控制功能；但是由于PLC的结构相对比较简单；比较少考虑大规模的模拟量采集和控制功能；比较难以实现各个子系统相互之间的通讯；因此难以实现电厂全面的数据采集和全面的监控功能。

    针对这个问题，该厂进行了大量的调查分析工作，最终得出结论：必须采用全面开放的、具有完善而强大通讯功能的分散控制系统（DCS）来作为整个垃圾发电厂的电厂监督控制系统；从而可以方便地实现和垃圾发电厂底层各个子系统的PLC全面的通讯和数据采集。

    除此之外，电厂监督控制系统还可以直接实现大规模的模拟量数据采集和复杂的模拟量控制功能。其中包括：整个垃圾炉燃烧系统的模拟量数据采集和控制；余热锅炉汽水系统的数据采集和控制；汽轮机和除氧给水等公用系统的数据采集和控制。限于篇幅，本文重点介绍的是：电厂监督控制系统（DCS）和PLC的通讯问题，以及对于垃圾焚烧炉燃烧系统的控制问题。

2    DCS和PLC的通讯

    比利时西格斯公司提供的PLC全部是西门子公司的S7 300/400系列产品，并且分别提供了以太网通讯处理器CP343-1（用于和S7 300通讯）和CP443-1（用于和S7 400通讯）。

    比利时西格斯（SKG）公司提供的自动燃烧控制应用软件（SIGMA软件）考虑的垃圾焚烧控制方案比较完善，实时数据的采集量比较大。尽管来自现场实际的I/O点是2800点左右，但是DCS系统和各个PLC子系统的实时通讯数据量达到了13073点左右。

    因此， DCS专门配置了2台I/O服务器和2套冗余的以太网通讯接口来和全厂各个子系统的PLC进行通讯。其中：#1 I/O服务器负责和#1垃圾焚烧炉的炉排液压驱动系统（S7 400系列PLC）、烟气净化系统（S7 300系列PLC）、锅炉清灰系统（S7 300系列PLC）以及化学水处理系统（S7 300系列PLC）、污水处理系统（S7 300系列PLC）通讯；共计有5套PLC。#2 I/O服务器负责和#2垃圾焚烧炉的炉排液压驱动系统（S7 400系列PLC）、烟气净化系统（S7 300系列PLC）、锅炉清灰系统（S7 300系列PLC）以及压缩空气等公用系统的通讯（S7 300系列PLC）；共计有4套PLC。

    表1    PLC及以太网通讯处理器相关数据：

PLC 数量：9套	CPU 模块型号	通讯卡型号
S7300 7套	CPU 315－2 DP	CP343－1
S7400 2套	CPU 412－2 DP	CP433－1

    而DCS能和PLC实现“无缝连接”和顺利通讯最重要的条件是：DCS系统必须有全面开放的软件；具有功能强大的OPC软件接口，从而可以和多种厂家的PLC直接通讯而不需要加“网关”。

    具体到本项目，实现DCS系统和PLC“无缝连接”和顺利通讯的关键是：

    ·必须全面考虑PLC通过以太网接入DCS的资源配置；其中包括：
软件资源：

    操作系统：Windows 2000 Professional + sp4

    PLC组态软件(STEP 7 5.3 + SP1)

    PLC网络通信软件(SIMATIC NET 6.2)

    DCS系统本身具有全面开放的组态软件（带功能完善的OPC接口）
硬件资源：

    电源，PLC，输入输出模块（可选）

    网卡，IE/PB Link，网线

    本工程的PLC硬件配置为：

    ·必须认真考虑PLC通过以太网接入DCS时，编程组态中关键性的细节问题，其中包括：

    在DCS系统中添加300个站，取名为“SIMATIC XXX”；

    为该站进行硬件组态（注意：要选取正确的硬件型号）；

    配置有关参数，设置各自的网络IP地址；

    点击“Properties”，输入IP地址和子网掩码；

    添加PC Station 站，点击Configuration，进入硬件配置进行组态；
配置网络：保存并编译PLC组态程序后，选择“Configure Net Work”命令，进入网络及其属性配置；

    将应用程序下载到PC与PLC；并且对PLC中的各个变量进行实时和全面的监视等。

    江苏常熟生活垃圾焚烧发电厂电厂DCS和PLC的通讯工程具体由DCS公司来完成。由于涉及两类不同厂家的产品，涉及多种通讯协议，编程组态中的细节问题比较多，比较烦琐，特别是添加的变量类型很多，有内存变量、输入变量、输出变量以及DB模块等，各有各的处理程序，情况比较复杂，不能搞错；因此必须选择有开发实力、有实际通讯业绩、熟悉PLC编程、有实践经验的DCS公司来完成此项比较复杂庞大的通讯工程。否则，投运后会出现一系列通讯故障问题。

3     DCS实现的垃圾焚烧炉燃烧控制功能

    江苏常熟生活垃圾焚烧发电厂DCS燃烧工程控制功能的实现，得到了比利时西格斯公司专家的全面指导，并且全面实现了自动燃烧控制SIGMA软件的要求。

    比利时西格斯公司的自动燃烧控制SIGMA软件主要分为：智能炉排控制系统和燃烧控制系统两大部分。DCS对于这两个系统的主要控制功能简单介绍如下：

    3.1 DCS实现的智能炉排控制功能

    比利时西格斯公司的智能炉排控制系统实现的主要控制目标是：

    （1）保证烟气含氧量稳定；并且烟气排放量达到最少；

    （2）炉渣的热灼减量达到最低；

    （3）对于环境的污染达到最小；

    （4）垃圾焚烧炉的生产率达到最高；

    （5）每天焚烧的垃圾量达到最多；

    （6）余热锅炉产生的蒸汽蒸发量达到最大。

    为了实现上述控制目标，比利时西格斯公司设计了两大类型的智能炉排：送料炉排和燃烧炉排。这两大类型的炉排液压驱动油缸都依靠智能化的比例电磁阀来控制。因此，DCS可通过PLC来控制比例电磁阀的动作而实现对各个液压驱动油缸的进退控制。

    需要指出的是：不同类型的炉排片的机械驱动是相似的：顺推（滑动）炉排片（耐火板）安装在可移动的框架上，利用液压油缸和连接杆来驱动。翻转炉排片（耐火板）安装在轴上，利用杠杆臂来直接转动。杠杆臂也由液压油缸来驱动。其中：

    （1）送料炉排的主要功能是把送料滑槽中的垃圾按照预先规定的给料量推到燃烧炉排上。也就是说，送料炉排实际上是一台定容投料机。必须指出的是：为了使燃烧区和垃圾源之间分离（并以这种方式避免送料滑槽中着火），DCS设计中不对送料炉排提供助燃空气。

    送料炉排上的垃圾给料量的指令可以由SIGMA软件实现。也可以由操作员在DCS系统的监视器屏幕上给出进料量的指令，然后以通讯方式下达给对应的PLC去执行。

    （2）燃烧炉排的主要功能是在燃烧炉排上，对垃圾进行焚烧。除此之外，燃烧炉排还实现了下述功能：炉膛内焚烧垃圾的承载；炉膛内焚烧垃圾的运输或移动；炉膛内一次助燃空气的分配；以及在炉膛内特定区间特定时间段对垃圾进行拨火、破碎和翻转。

    比利时西格斯公司设计的燃烧炉排比较先进、合理、可靠，由布置在炉膛中前部干燥段、燃烧段的4个标准单元和炉膛后部燃烬段的1个特殊单元所组成。

    由于翻转炉排片和顺推炉排片可以由操作员分别控制；或者由DCS分别实现程序控制，因此对于燃烧过程的控制就非常灵活和方便。特别是针对中国垃圾热值比较低（4000kj/kg左右），水分比较高（含水量接近50%）的特点， DCS可以通过增加炉排翻转频率和减缓顺推炉排动作频率而使得高水分、低热值的垃圾彻底被焚烧。

    在翻转炉排片抬起的同时，可以有更多的一次风自炉膛底下的一次风室进入炉膛，保持了空气的流通，从而使得垃圾实现了富氧燃烧。

    DCS按照比利时西格斯公司SIGMA软件的要求，以通讯方式控制对应的PLC，使得顺推炉排片和翻转炉排片按照一定的程序动作。特别是对于有非常低热值或非常高密度的垃圾，DCS或者操作员可以给出指令，命令在一定的时间间隔内，仅有翻转炉排片的“拨火翻转”动作；同时命令不送料或不移动垃圾，因而可以使得炉膛内的垃圾充分彻底地燃烧。

    必须特别强调指出的是，翻转炉排片的拨火翻转功能可以灵活方便地用DCS的命令来激活和停止；并且，在“拨火”期间，可以中断其它各炉排片的正常工作循环并停止送料炉排。因此非常适合焚烧低热值、高水分的城市生活垃圾。

    3.2 DCS实现的垃圾燃烧控制功能

    DCS对于垃圾炉的燃烧控制功能完全是按照比利时西格斯公司SIGMA软件的要求来实现的。垃圾焚烧炉正常运行时，有2个非常重要的技术参数通常需要由操作员在DCS监视器屏幕上来设定：

    （1）垃圾炉蒸汽蒸发量的设定值 (t/h);在此基础上， DCS可以基本决定烟气含氧量的设定值和总的助燃空气设定值（可以修正）；

    （2）垃圾炉炉膛垃圾层厚度的设定值(m);在此基础上， DCS可决定：进料炉排基本速度修正；燃烧炉排速度分配（Ck参数）；主要的空气分配（Li参数）；燃烬参数等。

    比利时西格斯公司SIGMA软件对于垃圾的焚烧可以有两种不同的燃烧控制策略和控制方式：“恒定热负载控制方式”和“垃圾层厚度控制方式”;在“恒定热负载控制方式”下，燃烧炉排的基本速度与进料炉排速度成比例；在“垃圾层厚度控制方式”下，燃烧炉排的速度基本上是恒定的。这两种运行方式在DCS的控制下，可以方便灵活地实现平稳而无扰地切换。下面分别简单介绍之：

    （１）恒定热负载控制方式

    燃烧控制的目标是使垃圾焚烧炉产生的蒸汽量基本恒定。此时，蒸汽流量要满足DCS设定值规定的要求；同时，设定值也决定了总的助燃空气流量。一般来说，较高的蒸汽流量设定值将同时要求增加总的助燃空气流量。具体由现场调试决定。

    助燃空气流量是一次风流量和二次风流量的总和。就一次风流量而言，是通过空气预热器的侧墙冷却空气流量和一次风流量的总和。助燃空气流量的调节主要是通过分别调节一次风量和二次风量来实现的；并且还要保证燃烧炉排移动时垃圾中的氧量。

    总的一次风量在燃烧过程中，在炉排下面的5个一次风室进行分配。对于各个风室，为了产生正确的所需空气流量，每个风室都分别安装一台一次风机。这5台一次风机和1台独立的二次风机都采用变频调速装置，由DCS直接进行控制和实现风量的自动调节分配。

    在“恒定热负载控制方式下”，操作员可以通过DCS提供的一个预编程曲线里的蒸汽设定值来决定进料炉排的基本速度。并且，在实际运行过程中，操作员还可在监视器屏幕上增加（或在负数的情况下减去）一个修正速度来手动增加或降低炉排运动的基本速度。此外，操作员还可以通过设置一个最小限值和最大限值来限制该修正速度的范围。

    通过DCS中建立的烟气含氧量控制器，可以对烟气含氧量进行PI调节；使得氧量满足设定值的要求。烟气含氧量增加，意味着在燃烧炉排上缺少垃圾，因而，DCS将自动增加进料炉排的速度。相反，烟气含氧量下降，意味着在燃烧炉排上的垃圾量过多，因此DCS将自动减少进料炉排速度，并增加翻转炉排动作的频率。

    同时，DCS中还建立有蒸汽量控制器，可以对余热锅炉的蒸汽蒸发量进行PID调节。同样地，蒸汽流量增加，意味着垃圾的热值增加；此时DCS将自动使得进料炉排速度下降。反之，蒸汽流量降低，意味着垃圾的热值降低，此时DCS将自动使得进料炉排速度增加，并且命令翻转炉排动作的频率增加。

    （２）垃圾层厚度控制方式

    当垃圾的热值比较低，已经无法产生额定的蒸汽蒸发量时，DCS通过输送可能的最大量的垃圾来产生最大化的蒸汽量。此时，燃烬质量将是限制因素。

    也就是说，如果由于垃圾的热值下降，达不到所需的蒸汽设定值时，DCS中设计的垃圾层厚度控制器将起作用。垃圾层厚度控制器的目标是给垃圾焚烧炉供给最大量的垃圾，同时又不危及垃圾燃烬的质量。为此，就需要在前文提到过的炉膛后部燃烬段的炉排特殊单元中第一部分的某个位置上，设置2台灵敏的差压变送器；这2个差压变送器测量到的一次风的差压，经过函数运算和现场修正，基本上就可以代表垃圾的厚度。

    因此，DCS可以检测和控制炉膛后部燃烬段炉排特殊单元第一部分上的压差，从而来控制炉排上的垃圾量（或垃圾层厚度）。因此可避免垃圾进给过量以及可能的燃不烬问题。

    垃圾层厚度控制器将以下列方式影响燃烧工艺：如果测得的垃圾层厚度低于垃圾层厚度设定值的要求，DCS将使得进料炉排的速度增加。相反地，如果测得的垃圾层厚度高于垃圾层厚度设定值，那么，DCS将使得进料炉排的速度下降。

    在DCS中，“垃圾层厚度控制”设定值基本上是一个固定值。但是，当垃圾的成分改变时（密度改变等），操作员可在监视器屏幕上相应地更改垃圾层厚度的设定值。

    当在炉排特殊单元第一部分上，差压变送器测量到的压降超过一定的阈值时，意味着垃圾进料过多，DCS立即命令退出进料炉排，停止进料。然后，当在炉排特殊单元第一部分上，差压变送器测量到的压降下降至另一特定阈值，DCS立即命令再次开始进料。

    除此之外，在垃圾焚烧炉的后墙上，装有2个火焰检测器（左和右）。2个火焰检测器根据火焰（红外光）的强度给出信号。在DCS的监视器屏幕上，操作员可在燃烬控制回路的逻辑中，选择使用其中的一个信号（左边值、右边值、平均值或最大值）。并且，操作员可在火焰检测器仪表本体上，直接调节火焰检测器的灵敏度。

    DCS建立的燃烬控制回路是一个开关量（ON/OFF）控制回路。当在炉膛后部燃烬段的炉排特殊单元上检测到火焰时，为了增强燃烧，避免发生垃圾燃不烬的问题，可以在炉膛中部燃烧段第4个标准单元上增加额外量的一次风量。

    基本的控制原则是：在正常条件下，用炉膛后部燃烬段的炉排特殊单元来冷却炉灰，而不是燃烧垃圾。而操作员可以在监视器屏幕上，调节用于第4个标准单元上的额外量的一次风量来控制垃圾的焚烧。

    除此之外，由于燃烬检测将影响总的助燃空气，因此，在DCS的控制逻辑中，增加了这样一个逻辑控制条件：只有在通过氧气控制器（即为针对蒸汽/助燃空气曲线的“恒定助燃空气开关“）决定了助燃空气的总量后才可以释放ON/OFF调节。

    根据以上原则，在江苏常熟生活垃圾焚烧发电厂的DCS中，设置了以下四个燃烧控制回路来控制PLC的动作：

    ·给料炉排控制回路；

    ·燃烧炉排控制回路；

    ·总助燃空气控制回路；

    ·助燃空气分配控制回路

    目前这些回路已经全面满足了比利时西格斯公司SIGMA软件的要求。并且得到了比利时西格斯公司的认可。

4    DCS的选择

    根据以上分析可见，DCS临驾于垃圾焚烧发电厂的所有子系统之上，它通过和各个子系统进行全面的、实时的通讯，来实现大规模的数据采集和控制室的监视器集中监控；并进而可以对锅炉（垃圾焚烧炉）-汽轮机-发电机实现灵活方便的协调控制。

    特别值得指出的是：比利时西格斯公司对于垃圾焚烧积累了比较丰富的经验，在这基础上，开发了一套针对垃圾焚烧发电厂的成熟、可靠、完整的自动燃烧控制SIGMA软件；并且要求通过DCS的编程组态，把这套软件下装到垃圾发电厂的各个子系统的PLC中去。因此，电厂监控系统的工程人员必须熟悉PLC的编程组态方式；必须采用全面开放的DCS实现和PLC的“无缝连接”（不加“网关”或额外的通讯站）和通讯；并且电厂监督控制系统的工程人员必须熟悉整个垃圾焚烧发电厂的工艺过程；并且能够消化、掌握和应用比利时西格斯（SKG）公司的自动燃烧控制SIGMA软件。
综上所述，选择合适的DCS来作为整个垃圾发电厂的“电厂监督控制系统”十分关键。经过对国内外多家DCS公司的考察、分析和比较，结论是：国外和国内有实力的DCS公司都可以作为电厂监督控制系统的选择对象，但是必须满足三个重要的条件：

    （1）DCS本身必须是全面开放的，可以和PLC实现“无缝连接”而不需要“网关”；即DCS和PLC可以直接互连而不需要加额外的“通讯站”。

    （2）DCS必须有与多个电厂PLC成功通讯的业绩；

    （3）DCS供应商必须有强大的工程实力，有多个垃圾焚烧发电厂工程的业绩；并且相当熟悉整个垃圾焚烧发电厂的工艺过程。

    经过激烈的竞争，最终选择了杭州和利时自动化有限公司最新一代DCS—HOLLiAS/MACS系统。这是因为：和利时公司的HOLLiAS/MACS系统全面开放：既可以和西门子的PLC通过以太网实现直接的网络通讯，也可以通过符合国际开放标准的现场总线Profibus DP和西门子的PLC直接通讯；同时，和利时公司最新一代的DCS--HOLLiAS/MACS系统已经有与宁波大榭岛热电厂、北仑热电厂等多个电厂PLC成功通讯的业绩；并且，和利时公司是国内最大的DCS公司之一，已经有多个成功投运的垃圾发电厂业绩；并且有比较熟悉垃圾焚烧发电厂工艺过程的专家和专业人员。

5     结论

    通过几个月成功运行实践的考验，初步有以下几点体会：

    （1）比利时西格斯公司提供的“顺推炉排+翻转炉排”型垃圾焚烧炉比较适合焚烧我国的高水分、低热值的生活垃圾；

    （2）比利时西格斯公司提供的自动燃烧控制SIGMA软件比较科学和全面地实现了对我国高水分、低热值的生活垃圾焚烧过程的控制；

    （3）DCS是垃圾发电厂控制工程中非常关键、非常重要的系统之一。实践证明：国内有实力的DCS公司完全有能力掌握比利时西格斯公司的自动燃烧控制SIGMA软件；并采用国产的、全面开放的DCS系统实现和PLC的“无缝连接”和大数据量的实时通讯。从而可以节省大量投资和外汇。并且，将来可取消PLC，直接用DCS实现炉排液压系统的控制，从而方便地用一套DCS系统来实现垃圾焚烧发电厂的“全厂一体化”。

作者信息：

    徐   霖，许广惠，刘广林，张   正（上海浦东工程建设管理有限公司，上海   201203）

    陶之未，徐凌芳，刘德成，王占海（杭州和利时自动化有限公司，浙江   杭州   310018）