西門子PLC在垃圾焚燒發電廠的應用

本文介紹了垃圾處理的特點及處理方法，詳細介紹了垃圾焚燒發電廠控制系統的特點及相應的控制系統的組態、邏輯控制及PID控制回路。


1 引言

城市生活垃圾、工業垃圾、醫院衛生廢棄物、淤泥和廢橡膠輪胎等垃圾焚燒處理技術，利用垃圾焚燒的余熱發電，變廢為寶，將是今后環保技術的一個重要發展方向。這種垃圾焚燒日處理廢物能力為1～350t，余熱鍋爐的熱容量小，發電機組小，一般為20兆瓦以內。因此，垃圾焚燒發電廠的控制系統比大型電廠簡單得多。一般來說，大型電廠的主機控制系統是無法采用PLC來控制的，只有一些輔機系統才能夠使用PLC。但是，隨著現場總線技術及微處理器性能的突飛猛進，高檔PLC集散控制系統已經成功應用在中型及較復雜的控制領域中，例如，垃圾焚燒發電廠就可以使用高檔PLC控制系統，這樣可以大大降低控制系統的成本。

本文將介紹廣東省南海市垃圾焚燒發電廠PLC控制系統，此控制系統由珠海市廣東亞仿科技股份有限公司成功開發，并一次成功投入生產運行。

2 控制系統總體方案介紹

該集散控制系統采用Siemens S7-400系列PLC，Siemens公司的S7-400系列PLC是90年代推出的S7系列中的大型機型，具有完善的功能和強大的通訊能力，特別是總線國際標準之一的Profibus，得到很多廠家的支持，非常有利于分布式控制系統的使用，Profibus-DP總線的通訊速率可達12Mbps。S7-417H雙機熱備系統和ET200M分布式I/O組成的Profibus-DP總線網構成切換結構，實現故障時的無擾動自動切換，可用在安全性能要求極高的控制系統中。但是S7-417H雙機熱備系統造價相對昂貴，為了減少硬件投資，可以選用軟件雙冗余(用416CPU進行雙機熱備)，采用分布式I/O的Profibus-DP現場控制總線，上位機與PLC之間采用OSM/ESM環形100兆工業以太網光網進行通訊, 上位機采用Intouch7.1組態軟件進行系統組態。該廠的垃圾焚燒工藝引進美國Basic公司的專利技術，采用四級脈沖爐排，各項指標均達到國際環保要求, 一期日焚燒處理垃圾200t。該工藝技術在我國具有實際推廣的應用價值。

(1) 工作原理

垃圾經自動給料單元送入焚燒爐的干燥床干燥，然后送入爐排，爐排在脈沖空氣動力裝置的推動下拋動垃圾，垃圾與爐排片上的均勻氣孔噴出的助燃空氣混合燃燒，燃燒產生的熱量由余熱鍋爐回收。余熱鍋爐產生的高溫高壓水蒸汽推動汽機發電，燃盡后進入灰渣坑，由自動除渣裝置排出。由主燃燒室揮發和裂解出來的煙氣進入第二、三級燃燒室，進行進一步燃燒，使煙氣的溫度高達1000℃，煙氣在此停留時間不少于2s, 使有毒的煙氣迅速分解，后經煙氣處理設備及除塵設備(電除塵、布袋除塵)處理合格后排入大氣。

(2) 環保發電廠主要設備

① 焚化爐鍋爐2臺，每臺主要的技術參數如下:

垃圾處理量: 8.33t/h
產生蒸汽量: 22.5t/h
過熱蒸汽壓力: 4.0MPa
過熱蒸汽溫度: 400℃
爐膛溫度: 980℃
給水溫度: 145℃
② 汽輪機發電機組一套，主要的技術參數如下:

主蒸汽壓力: 3.9MPa
主蒸汽溫度: 390℃
③ 發電機主要的技術參數如下:

功率: 12000kW
出線電壓: 10.5kV
頻率: 50Hz
額定轉速: 3000r/min
功率因數: 0.8
勵磁方式: 無刷勵磁系統
④ 煙氣處理系統兩套

⑤ 配套電氣供配電系統

該PLC集散控制系統I/O點數有3000余點，其中模擬量300余個。全廠的PLC集散控制系統圖如附圖所示。

附圖 全廠PLC集散控制系統圖

3 上位機監控系統配置

系統共設4臺操作員站，1臺工程師站。其中2臺操作員站用于爐側設備的監控，包括焚燒爐、鍋爐兩套系統，煙氣脫硫系統，除灰系統;另2臺操作員站用于機側設備的監控，包括汽機系統、制給水系統、廢水處理系統、電氣及其它部分。爐側的兩臺操作員站和機側的2臺操作員站均為雙機熱備。爐側和機側的操作員站之間功能獨立，不能互換操作。工程師工作站，進行系統軟件開發組態和警報順序事件記錄，工程師站將能夠作為任一操作員站完成相關控制監測功能。工程師站、操作員站及PLC之間采用OSM/ESM環形100兆工業以太網光網進行互連通訊。操作系統采用中文Windows NT 窗口操作系統。

上位機采用Intouch7.1組態軟件進行系統組態。人機界面主要設計有以下內容:

(1) 系統工藝流程顯示:依據設計院提供的系統工藝流程圖，按照功能組區域劃分;

(2) 順控系統操作指導顯示:有順控步序顯示，即順控程序步驟的狀態顯示，以及操作提示等;

(3) 調節系統、調節畫面:回路手操站，調節參數與參數趨勢的集中顯示;

(4) 重要參數趨勢顯示:有實時趨勢與歷史趨勢兩種顯示;

(5) 汽輪機狀態等參數的棒圖顯示;

(6) 全局報警顯示:系統按照功能區分為若干個報警組，各個報警組的報警窗口分布于相應功能顯示窗口的上方，全局報警顯示提供集中查看系統所有報警的能力，或按優先級、報警組過濾查看，并具有全局報警確認;

(7) 報表管理:提供日報、月報打印功能，打印方式有:定時打印、事件驅動打印、運行人員召喚打印，提供歷史報表數據查看功能;

(8) PLC系統狀態顯示:提供系統硬件網絡的查錯、維護功能;

(9) 多級地圖式菜單顯示;

(10) 系統安全級別定義

為了保證系統的安全操作，設計有三級權限:工程師級、高級操作員級、操作員級，操作員級用戶可進行系統正常操作，高級操作員級用戶除具有操作員級的功能外，還具有修改調節參數、修改時間、查看歷史報表、召喚打印等功能，程師級擁有最高權限，具有高級操作員級所有功能，還可進入開發環境進行組態修改。

4 PLC控制系統配置

整個系統分1#、2#PLC主站。1#PLC主站分別控制1#及2#鍋爐焚燒爐;2#PLC主站分別控制汽機系統、制給水系統、廢水處理系統、電氣及其它部分。每個PLC主站分別由2個CPU416-2DP(訂貨號:6ES74162XL010AB0)組成雙機熱備，通過實時冗余軟件實現控制系統無擾動換，確保系統安全穩定運行，2個CPU通過MPI接口進行相互監視和數據備份，每個CPU分別通過CP443-1工業以太網通信模塊與上位機進行通信。Siemens的416CPU組成雙機熱備，只能通過軟件來實現，因此稱之為軟冗余，原則上CPU315以上的CPU都可以組成軟冗余。用戶必需自己編寫冗余管理程序，把需要冗余的數據放在特定的DB里，在每個掃描周期里主CPU就把這些特定DB里的數據影像到從CPU中。軟冗余與硬冗余具有開發人員可以自定義冗余數據庫的優點，這樣可以大大縮短在每個掃描周期中冗余數據的影像時間。

制信號的輸入/輸出由相關ET200M 分布式I/O模塊完成，采用“就近原則”，以最大程度減少現場的硬布線。每個ET200M分別有兩塊IM153-2通信模塊，分別掛在DP總線上，組成冗余的DP總線。ET200M采用是Siemens 300系列分布式I/O模塊，價格低廉。每個ET200M可擴展8個I/O模塊，容量可高達128字輸入/128字輸出，最大傳輸速率為12Mbps。

本控制系統由西門子400系列的CPU416-2組成雙機熱備，進行數據冗余，300系列分布式I/O組成雙冗余的DP總線，是性價比極高的集散控制系統，在今后的各種環保電廠主機控制及大型發電機組的輔機控制領域中具有極大的推廣價值。

CPU416具有非凡的性能，它二進制指令的執行時間為0.08μs(CPU417H為0.12μs)，最大的數字量IO或模擬量IO高達65536或4096點。本集散控制系統有8000余條邏輯控制語句，30個PID控制回路，其中:帶微分前饋控制的回路2個，條件切換輸出的回路10個，三沖量調節回路2個，單沖量調節回路26個。系統實時性可靠性要求較高。

本集散控制系統中，PLC完成全廠邏輯順序控制及所有PID回路控制。其中, 邏輯順序控制分以下幾個部分:

(1) 1-2-3級吹掃:其目的是為了確保1-2-3級燃燒室風煙系統相關設備正常且信道暢通，是爐膛保護要求的重要操作之一; (2) 風機啟動; (3) 焚化爐—鍋爐吹掃:其目的是為了確保焚化爐—鍋爐整個風煙系統相關設備正常且信道暢通，是爐膛保護要求的重要操作之一; (4) 第二級預熱:其目的是為了提高第二級溫度使其達到設定值，是第一級預熱及第一燃燒室燃燒器投入的前提條件; (5) 第一級預熱:目的是為了提高第一級溫度使其達到設定值; (6) 順序停運;(7) 燃燒器順序點火/停運; (8) 給料系統自動循環; (9) 除渣系統自動循環; (10) 渣坑水位聯鎖控制; (11) 吹灰系統順序控制; (12) 鍋爐保護; (13) 主燃料跳閘; (14) 料油跳閘; (15) 正常發電模式; (16) 孤立運行模式; (17) 汽輪機故障模式; (18) 化學水處理控制; (19) 污水處理控制。

5 主要PID控制回路

(1) 爐膛壓力調節系統

此系統為單沖量調節回路。按系統工藝，爐膛應保持一定的負壓值(PT101)，故需對引風機(PV101)進行PI 調節。為防止引風機變頻器運行過大或過小，造成鍋爐熄火，調節系統中引入高、低限幅模塊。

(2) 干燥爐排溫度調節系統

此系統為單沖量調節回路。按系統工藝，進入焚燒爐一燃室1#爐排的垃圾含有一定水分，直接影響爐膛溫度，增加1#-2#燃燒器的負擔。因此，從三燃室引入混合煙氣進行干燥。由于三燃室混合煙氣的溫度較高，故通過調節干燥風機(TV108)使干燥爐排溫度(TE108)維持在設定的工作范圍。

(3) 再循環煙氣溫度調節系統

此系統為單沖量調節回路。通過調節再循環風機(TV109)使四燃室煙氣溫度(TE109)維持在設定的工作范圍。

(4) 一燃區爐膛溫度調節系統

此系統為條件切換多輸出調節回路。按系統工藝，焚燒爐一燃室分為起爐運行和正常運行兩個階段。在起爐運行階段，爐膛溫度(TE101)主要由1#-6#燃燒器的燃油量來控制，通過調節1#-6#燃燒器回油調節閥(HV107、HV111、HV117、HV121、HV127、HV131)來維持系統對爐膛溫度(TE101)的要求。在正常運行階段，爐膛溫度主要靠1#-4#爐排上垃圾的燃燒來維持，通過調節1#-4#爐排的排風調節閥(HV104、HV114、HV124、HV134)(送風機轉速一定，排風調節閥可調節送風量)來控制1#-4#爐排上垃圾的燃燒，從而達到系統對爐膛溫度(TE101)的要求。此調節過程將直接影響爐膛負壓，為防止爐膛負壓的減少對系統的影響，當爐膛負壓突破一定值時(如小于1kpa)，對排風調節閥限幅。

(5) 鍋爐汽包水位調節系統

此系統為三沖量調節回路。通過采用給水流量(FT101)、蒸汽流量(FT103)和汽包水位(LT102)主信號一起對給水調節閥(LV102)進行PI調節，使汽包水位保持在設定范圍內，以適應鍋爐的蒸發量。

(6) 過熱蒸汽溫度調節系統

系統將減溫器后蒸汽溫度(TE116)作為前饋信號引入調節，與過熱蒸汽溫度(TE119)主信號一起對減溫水調節閥(TV119)進行PI調節。

(7) 汽機前壓調節系統

此系統為條件切換輸出調節回路。正常發電時，利用汽輪機與旁路系統平衡配置，通過汽輪機同步控制器調速汽門來調節主汽門前壓力(PT302)，使其穩定在工作壓力上下。當發電機甩負荷時，控制旁路蒸汽調節閥(PV302)，退出自動狀態。

(8) 減溫減壓器溫度調節系統

減溫減壓器共有兩項調節任務:調節噴水量維持減壓后蒸汽溫度在工作范圍內;調節減壓閥的開度維持減壓后蒸汽壓力在工作范圍內。

本調節系統通過減溫水調節閥(TV327)來調節減溫減壓器后溫度(TE327)，使其穩定在工作溫度上下。

(9) 減溫減壓器壓力調節系統

此系統為條件切換輸出調節回路。在低負荷狀態時，本調節系統通過調節蒸汽旁路調節閥(HV302)來維持減溫減壓器后壓力(PT325)，使其穩定在設定工作范圍內。當處于甩負荷狀態時，調節系統來調節蒸汽調節閥(PV325)。

(10) 低壓分汽缸壓力調節系統

此系統為雙調節器條件切換單輸出回路。低壓分汽缸的蒸汽在正常發電模式下來自汽輪機的抽汽;當發電機處于甩負荷狀態或汽輪機故障狀態時，則來自于主蒸汽經減溫減壓器后的一部分蒸汽(而另一部分蒸汽則進入高壓冷凝器)。本調節系統根據系統要求，通過調節蒸汽調節閥來安全合理的分配這兩部分蒸汽。

當高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)小于0.2Mpa時，調節系統通過調節蒸汽調節閥(PV326)來維持低壓分汽缸壓力(PT326)，使其穩定在設定工作范圍內。當高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)大于0.2Mpa時，調節系統通過調節蒸汽調節閥(PV326)來維持高壓蒸汽冷凝器的壓力(PT327)，使其穩定在設定工作范圍內。

(11) 除氧器液位調節系統

此系統為條件切換輸出調節回路。正常發電模式時，大量的凝結水由凝汽器通過低加直接送回到除氧器，不通過疏水箱，除氧器的補給水通過調節進水調節閥(LV304_1)，實現除氧器液位(LT404)的恒定。當汽輪機故障狀態時，大量的凝結水從高壓冷凝器聚到疏水箱，除氧器的補給水則通過疏水箱輸送，除氧器液位(LT404)通過調節進水調節閥(LV304_2)，實現液位的恒定。

6 結束語

該PLC集散控制系統經兩年多的運行證明，各項技術指標均達到國際先進水平，主要表現如下:

(1) 燃燒效率高:垃圾在爐排上與空氣混合均勻燃燒充分，垃圾燃盡率高;

(2) 回熱效率高:余熱鍋爐分布在主爐膛和煙道中，可充分吸收垃圾燃燒熱量，正常燃燒熱效率80%以上，即使水份很大的生活垃圾，燃燒熱效率也在70%以上;

(3) 處理垃圾范圍廣泛:能夠處理工業垃圾、生活垃圾、醫院垃圾廢棄物、廢棄橡膠輪胎等;

(4) 運行維護費用低:爐排采用了整塊設計維護量小，自動控制水平高，運行人員少;

(5) 可靠性高:經過近2年運行表明，此焚燒爐故障率非常低，年運行8000小時以上，利用率可達95%以上;

(6) 排放物控制水平高:由于采用二級煙氣再燃燒和先進的煙氣處理設備，使煙氣得到了充分的處理。經長期測試，煙氣排放物中CO含量1～10PPM，HC含量2～3PPM，NOx含量35PPM，完全符合歐美排放標準。煙氣在二、三級燃燒室燃燒時溫度達1000℃，并且停留時間達2s以上, 可使二惡英基本分解，煙氣中二惡英的含量為0.04ng/m3, 遠低于歐美標準0.5ng/m3