在垃圾發電中的應用

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在垃圾發電中的應用NT6000 DCS在垃圾發電中的應用,垃圾發電不僅可以處理生活垃圾，還可廢物利用，故成為近年來比較流行的發電方式。垃圾焚燒發電中以垃圾燃燒為主，發電為輔，燃料成份中不可控因素較多，焚燒發電過程中爐膛壓力變化較快，從而在整個控制系統的構成上要求極高。本文在介紹NT6000DCS軟硬件的基礎上，對垃圾發電中的主要控制系統迴路做了詳細分析，重點介紹了科遠NT6000DCS在皖能宿州垃圾發電中的整體設計和運用。該項目控制高效，設計優化，在垃圾發電領域中可以起到示範作用，對節能減排、能源高效率運用具有一定的借鑑意義。

關鍵詞：垃圾發電；NT6000；DCS

目錄

1　引言

集散控制系統又稱分布式計算機控制系統，是以微處理器為基礎的集中分散控制系統，以滿足現代化工業生產和日益複雜的控制對象的要求為前提，應用於生產過程監視、控制技術發展和計算機網絡技術的一種新型過程控制系統。集中管理、分散控制是集散控制系統的主要特徵。集散控制系統作為一種多機系統，即多台計算機分別控制不同的對象或設備，各自構成子系統，各子系統間有通信或網絡互連關係，是集通信技術、CRT顯示技術、計算機技術、先進控制技術的結晶，並且已經在工業控制領域得到廣泛應用，成為過程工業自動控制的主流之一。NT6000DCS經過多年的發展，已形成高速、可靠的網絡和功能強大的分散處理單元，同時配套先進的運行和維護軟件，為用戶提供了一個可靠、先進、開放的控制平台，功能強大、使用方便、配置靈活，可解決多變量、非線性、大滯後等複雜對象的控制難題。

2　垃圾發電的發展現狀

近年來，隨着建設科技社會、生態社會步伐的加快，人們對發電機組的環保要求越來越高，垃圾焚燒發電技術在世界範圍內得到了迅猛發展和普遍應用。由於垃圾焚燒發電技術具有高效率處理生活垃圾、節約能源、建設周期短以及有利於環保等特點，目前世界各國正在逐步加大垃圾焚燒發電機組的技術和資金投入。我國垃圾焚燒發電起步於20世紀90年代末，隨着我國城鎮化進程和城市人口的增加，我國城市生活垃圾對環境造成的壓力不斷加大，垃圾無害化處理技術已越來越引起我國重視並快速發展起來。特別是2010年以來，國家和有關部門陸續出台和實施了市政公用事業的開放政策、特許經營政策、投資體制改革政策、鼓勵非公經濟政策等一系列相關的改革政策措施，加快了市政公用行業的改革開放和市場化經濟的發展。作為最為傳統的市政公用事業，垃圾處理領域也改變了政府單一的投融資渠道，而走向了投資主體多元化和融資渠道多樣化的發展道路。

隨着中國經濟的增速，城市人口也會不斷增加。預計2020年中國城市垃圾年產量將達3.23億噸。在中國人多地少、能源緊缺，城市化進程快速發展的情況下，選擇垃圾發電無疑是最符合當前國情的明智選擇。

3　垃圾焚燒發電機組的控制要求

垃圾焚燒發電機組的主要組成部分有：焚燒鍋爐、餘熱鍋爐、蒸汽輪機、發電機等設備。同常規的火電機組相比，垃圾焚燒發電中以發電為輔，垃圾燃燒為主。反映在燃燒系統上，燃燒的熱值變化較慢，燃料成份中非可控因素較多，蒸汽負荷的變動較小，壓力的變化較大。因而，對於垃圾焚燒發電，傳統的火電燃燒系統的機理和控制方法並不完全適用於垃圾焚燒發電。垃圾焚燒發電的獨特之處決定了其對控制系統的要求既等同於常規要求，又在常規要求中有着極大的變通性。

4　NT6000 DCS在垃圾發電中的整體設計

在皖能宿州垃圾發電項目中，南京科遠自動化垃圾焚燒發電解決方案以NT6000集散控制系統為基礎，結合高度集成焚燒爐燃燒控制系統（ACC）、汽輪機數字電液調節系統（DEH）及化學水處理、布袋除塵、爐內脫銷等輔助系統，克服垃圾焚燒發電廠普遍存在的自動化孤島現象，採用動態垃圾密度修正、模型分析控制算法等先進的控制和測量算法，對垃圾焚燒爐、餘熱鍋爐、汽輪發電機組及相關輔助設備實現協調控制，有效地提高全廠自動化水平。

該電廠安裝兩條垃圾焚燒線，日處理城市生活垃圾單台七百噸左右，一台12兆瓦凝汽式汽輪發電機組，母管制。全廠設置一套集散控制系統（DCS），以全廠集中操作與各工段分散控制相結合的系統運行模式實現垃圾焚燒發電廠整體生產過程的狀態監視和安全保護。完成數據採集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）和聯鎖保護疏水（PRO）等系統功能。系統共配置1台值長站、1台歷史數據站、1台接口站和10台操作員站（其中1台工程師站）；1個電源分配櫃、18個控制機櫃。10對冗餘的KM950控制器，完全滿足垃圾焚燒發電機組對於分系統的獨立性要求的特點，其中1#～3#控制器主要控制焚燒鍋爐、餘熱鍋爐及垃圾焚燒線輔助部分；4#控制器主要控制汽輪機及其輔助設備；5#控制器主要控制公用部分除氧給水系統，6#號控制器主要控制綜合水泵房循環水系統，7#控制器為煙氣淨化及布袋除塵處理系統，9#控制器為化水處理超濾反滲透系統，10#控制器為為電氣部分。該項目的總I/O點數達5575點左右。機組投產後，運行人員在主控室，就可以完成全廠各部分的控制，該機組的自動化水平在全國的垃圾焚燒發電機組中處於領先地位。

4.1　NT6000 DCS硬件體系介紹

NT6000 DCS是南京科遠基於現場總線技術而設計開發，融合了當今最先進的計算機與通訊技術，以高速、可靠、開放的網絡和功能強大的控制器為基礎；硬件都採用了國際標準或主流工業級產品，易於升級，使用方便、靈活。該系統能夠從變送器，執行機構、電氣保護裝置用數字通信獲得過程數據和診斷信息，能夠支持Hart、Profibus 、FF、Can 等多種現場總線的高可靠性混合應用，從而大大提高了現場設備的智能化和信息化水平。NT6000DCS的各部分硬件結構如圖1所示。主要由工程師站、操作員站、電源分配櫃、控制機櫃、控制器、I/O模件，網絡設備和特殊組件等組成。

工程師站是NT6000的重要組成部分，其主要功能是為工程師提供各種設計工具對DCS進行應用組態，可在線修改、下載、調試組態。操作站用來顯示並記錄來自備控制單元的過程數據和信息是人與生產過程的操作接口，通過操作站可以向用戶提供最佳的操作站見識畫面或窗口來控制、管理、見識生產過程以及整個系統的運行狀態，實現恰當的信息處理的生產操作的集中化。E-Net是NT6000系統的上層控制網絡，通過交換機實現控制器與操作站、工程師站之間的網絡通訊。E-Bus是NT6000系統的控制器與I/O分支之間進行通訊的系統網絡，總線通訊速率為3.125Mpbs，為單層多路並行分支結構。機櫃種類主要有兩種：電源機櫃和控制機櫃。機櫃中的各個部件，全部採用模塊化標準設計，標準機櫃配上不同的卡件就能夠滿足不同的需求。I/O模件均採用堅固的工程塑料外殼封裝，具有良好的散熱效果。能夠在現場複雜電磁環境中長期穩定工作。NT6000系統的I/O模件種類繁多，能夠滿足不同工業控制現場的需要。同時，I/O模件供電採用兩路冗餘直流電源均送到I/O模件，在I/O模件中實現兩路電源切換，變送器供電採用獨立冗餘電源模塊，充分做到危險分散。

4.2　NT6000 DCS組態軟件概述

科遠NT6000 DCS有着智能化，便捷化的組態軟件，而且功能齊全，適應於工業生產的各種需要。該軟件將系統配置、組態等一體化集成，支持上、下位機的各種組態，可快速訪問相關信息，同時可綜合化診斷，可以更早或者更快地進行事前預測，具有豐富的設備級操作功能，可以幫助用戶分清電氣故障跳閘、連鎖保護跳閘和操作跳閘等。高度集成的開發環境，融合了系統的各種組態功能，包括安全報警區設置、日誌配置，畫面配置、網絡配置和權限管理等。其以工程樹狀顯示，各種功能明了清晰。安全區可以進行相關測點及設備的安全可用區設置；報警區設置其報警值，包括高限和低限報警、高高限和低低限報警；日誌配置可以設置文件保存的類型和路徑，以及對重要的文件進行加密；畫面配置用來設置運行時畫面的顯示情況，包括分辨率，外觀以及初始化相關操作；權限管理設置了不同層級的權限，如操作員只能監視查看，而工程師可以修改、調試、在線下裝等；網絡為該項目當前的網絡信息，其包括控制器通訊、網絡節點通信情況等；畫面可進行流程工藝畫面編輯，將工程項目中各個系統清晰地展示出來，同時可顯示各個測點和設備運行的詳細信息。

系統診斷軟件可以診斷整個集散控制系統的運行情況，包括整個系統網絡、控制器、各個模件的I/O通道，可以方便地幫助用戶進行故障查找與排除，是整個系統正常運行的重要保障。歷史數據庫軟件記錄了所有操作的歷史信息，通過數據庫，用戶可以了解所有相關的操作情況，可以更好地進行事前預測。南京科遠開發了擁有獨立自主知識產權的歷史數據庫SyncBase，其50萬測點/秒的強大存儲能力，海量數據可瞬間存儲。邏輯組態軟件是涵蓋了下位機的所有組態，包括模件組態、設備組態和控制算法組態。算法組態軟件中包括各種常用的功能模塊，編程人員可以將軟件中的各種功能塊相互連線，完成各種功能組態。

5　主要控制系統迴路設計

5.1　鍋爐燃燒控制系統

焚燒鍋爐除配有相應的儀表系統外，主要有以下控制系統：汽包液位控制系統；燃燒控制系統；過熱器和再熱器出口蒸汽溫度的控制系統；燃燒器程序控制系統等等。不同類型的鍋爐，儘管其控制系統不盡相同，但是它們的工作原理大體是相同的。

而其中最重要的系統是燃燒控制系統。其主要功能是控制爐膛的燃料和空氣的輸入量，或控制燃燒率，以適應鍋爐負荷的變化。對鍋爐運行和控制系統來說，鍋爐出口蒸汽壓力的變化經常作為燃料量的輸入和蒸汽量的輸出之間不平衡的一個標誌。引起蒸汽壓力變化的因素很多，其中主要的擾動量是燃料量（內擾）和蒸汽量的變化（外擾）。燃燒控制系統的基本要求是：迅速適應外界負荷需求的變化；及時消除鍋爐燃料側的自發擾動；維持調節過程中各被調量在允許的範圍內；保證鍋爐運行的安全性和經濟性。燃燒控制系統一般包括燃料控制、送風控制和引風控制三個子系統。

燃料控制子系統中，蒸汽壓力的實際值相對於其設定值的偏差輸入到蒸汽壓力控制器，經控制運算後輸出調整鍋爐燃燒率的指令信號；燃燒控制器根據鍋爐燃燒率的指令信號的變化調整入爐燃料量。

同時，鍋爐燃燒率的指令信號也加入到送風控制子系統中，對送風量進行調整。為保證燃燒過程的經濟性，即保證燃燒過程合適的燃料和風量的比值，常採用具有煙氣氧量校正調節的送風控制系統，形成有燃料量前饋調節的串級控制系統，在保證送風量與燃料量基本成比例的粗調的基礎上，進一步通過氧量校正對送風量進行調節，保證煙氣含氧量等於設定值，實現經濟燃燒的細調。

引風控制子系統的任務是通過調整鍋爐引風量，保證爐膛負壓在規定的範圍內。引風機提供了鍋爐的抽吸力，把引風和送風加以平衡，爐膛壓力即可保持在適當的值。由於蒸汽量的波動和送風量是引起爐膛負壓變化的主要原因，可將蒸汽量或送風量作為前饋信號引入調節器，提高引風系統的穩定性，減小爐膛負壓的動態偏差。當爐膛負壓控制系統中被控變量是爐膛壓力（控制在負壓），操縱變量是引風量。當鍋爐負荷變化不大時，採用單迴路控制系統。當鍋爐負荷變化較大時，應引入擾動量的前饋信號，組成前饋-反饋控制系統。在爐膛壓力控制迴路中，採用引風機變頻反饋作為反饋值，爐膛壓力優選值作為測量值。通過調節引風機的變頻器，控制引風機轉速，並與送風系統相配合，使爐膛壓力保持在允許範圍內。