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摘要：垃圾焚燒發(fā)電項目中最主要的設(shè)備即是垃圾焚燒爐，其中垃圾焚燒爐排的設(shè)計與控制顯得更加重要。適合于中小控制規(guī)模的三菱過程PLC用于垃圾焚燒爐排的自動燃燒控制系統(tǒng)（ACC），實(shí)現(xiàn)包括鍋爐主蒸汽流量控制、垃圾層厚度控制以及爐溫控制等6個主要PID控制功能，過程控制運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)價值。

關(guān)鍵詞：自動燃燒控制系統(tǒng)（ACC）；垃圾焚燒爐排；過程PLC；PID回路

Abstract: The most important equipment is the waste incinerator inthe waste incineration power generation project, in which the design and control of the waste incinerator grate is even more important.The Mitsubishi process PLC, which is also suitable for small andmedium scale control, is used in the automatic combustion control system (ACC) of the waste incineration grate. It realizes six main PIDcontrol functions, including the main steam flow control of the boiler, the thickness control of the waste layer and the temperature control of the furnace, and so on. The process control is stable and reliable,achieving good social and economic benefits.

Key words: Automatic combustion control system (ACC); Wasteincineration grate; Process PLC; PID circuit

隨著城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，城市垃圾日益增長，垃圾處理壓力增大。受益于國家政策利好、城市垃圾分類處理剛需等眾多因素影響下，我國垃圾焚燒發(fā)電市場不斷擴(kuò)大。特別是在2019年里，垃圾焚燒發(fā)電市場份額不斷增長。據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，僅2019年全國在建、擬建的垃圾發(fā)電項目已超400個。2020年我國垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊未來市場有望高達(dá)千億元。

通過工業(yè)自動化設(shè)備的應(yīng)用為垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)保駕護(hù)航。近年來我國生活垃圾焚燒發(fā)電處理能力快速提升。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，在2017年，我國生活垃圾焚燒無害化處理能力產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到了29.8萬噸/日，按照當(dāng)前趨勢及“十三五”規(guī)劃，預(yù)計到2020年，我國垃圾焚燒產(chǎn)能將達(dá)到59萬噸/日。而在環(huán)保強(qiáng)監(jiān)管和多項政策推動下，目前我國垃圾焚燒行業(yè)已進(jìn)入高質(zhì)量成長期。

1 自動燃燒控制系統(tǒng)

通常情況下，垃圾焚燒發(fā)電項目中最主要的設(shè)備即是垃圾焚燒爐，自動燃燒控制系統(tǒng)(以下簡稱ACC)組合圖如圖1所示，顯示垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)、主要工藝流程以及ACC計算、控制功能圖。

一次風(fēng)經(jīng)過一次風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，做溫度控制（TIC），生成的煙氣空氣進(jìn)行流量控制（FIC）輸入給垃圾焚燒燃燒爐排的不同爐段，一般爐排分為三段：干燥爐排、燃燒爐排以及燃燼爐排。

垃圾從進(jìn)料口由推送裝置送入干燥爐排，依次進(jìn)入燃燒段以及燃燼段，垃圾層厚度控制推料裝置和干燥爐排的速度。

爐溫控制主要根據(jù)爐內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)二次風(fēng)的流量以及溫度；鍋爐蒸汽流量控制根據(jù)檢測的流量調(diào)節(jié)燃燒爐排的速度。

垃圾燃燒位置控制根據(jù)燃燼段的溫度調(diào)節(jié)燃燒爐排速度；熱酌減率控制主要檢測燃燼爐排的的溫度去控制燃燼段爐排的速度以及燃燼段的一次風(fēng)流量。最后煙氣處理的氧濃度控制產(chǎn)生的煙氣可以采取流量控制，循環(huán)利用輸入燃燼段爐排。

工廠運(yùn)營商通過ACC可以方便地操作與控制垃圾焚燒爐，ACC用來滿足如下4個需求：（1）維持鍋爐主蒸汽流量在設(shè)定值；（2）將垃圾連續(xù)、恒定地輸送到焚燒爐排；（3）熱灼減率最小化；（4）減少焚燒爐產(chǎn)生的污染物。其中垃圾焚燒爐排的設(shè)計與控制顯得更加重要。

圖1 ACC組合圖

2 系統(tǒng)選型、設(shè)計

根據(jù)過程量控制回路數(shù)、控制規(guī)模以及程序容量等綜合考慮，該控制系統(tǒng)使用三菱電機(jī)自動化公司的Q系列過程PLC，其適合于構(gòu)建中小規(guī)模的過程控制系統(tǒng)。1臺過程控制CPU可同時執(zhí)行順序控制和回路控制。增強(qiáng)的回路控制功能，包括PID、采樣PI、blend PI、I-PD、級聯(lián)控制、前饋控制等52種回路控制指令。

本文介紹的是垃圾焚燒處理能力為300噸/天的垃圾焚燒爐排ACC系統(tǒng)。本套系統(tǒng)的垃圾焚燒爐控制回路數(shù)是20個左右，ACC主要包括6個控制功能：鍋爐主蒸汽流量控制、垃圾層厚度控制、垃圾燃燒位置控制、熱灼減率最小化控制、爐溫控制以及煙氣中氧濃度控制等。ACC系統(tǒng)里主要控制回路與動作如表1所示。

表1 ACC主要控制回路與動作

垃圾焚燒發(fā)電焚燒爐排控制系統(tǒng)解決方案原理圖如圖2所示，本解決方案具有以下特點(diǎn)：

（1）過程控制和邏輯控制在一套系統(tǒng)里完成，可簡單搭建處理連續(xù)過程量的集散控制系統(tǒng)；

（2）設(shè)備裝置的小型化，系統(tǒng)構(gòu)建成本低，無需搭建專門DCS系統(tǒng)；

（3）過程量處理數(shù)多（控制回路數(shù)最大達(dá)100個）；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理速度快；

（4）系統(tǒng)搭建組網(wǎng)、接線方便，程序編寫、調(diào)試簡單；

（5）三菱Q系列過程CPU適用領(lǐng)域廣泛，特別適合于中等規(guī)模的過程量處理需求的行業(yè)，如：化學(xué)（無機(jī)、有機(jī)、油脂）、食品（飲料、乳品、糕點(diǎn)）、環(huán)境（燃燒爐、垃圾處理、污水處理）、半導(dǎo)體、公共（上下水道、電力、燃?xì)猓撹F以及造紙等行業(yè)。

圖2 垃圾焚燒發(fā)電焚燒爐排控制系統(tǒng)解決方案原理圖

3 垃圾層厚度PID控制功能介紹

在此以垃圾層厚度控制為例來說明PLC編程設(shè)計思路。

垃圾層厚度控制通過監(jiān)測燃燒段爐排垃圾層厚度，來調(diào)整推料器和干燥爐排速度，以保持垃圾層厚度在設(shè)定值。

垃圾層的厚度可以通過測量穿過垃圾層產(chǎn)生的差壓和燃燒段爐排第一段的空氣流量來計算，如圖3所示。

圖3 垃圾層厚度的測量原理

根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以得到：

其中：QI為燃燒空氣流量，C為常數(shù)，F(xiàn)為垃圾層厚度成正比的流通面積，F(xiàn)=K×H，P2-P1為燃燒爐排上下的壓差，ρ1為空氣密度，根據(jù)以上公式可以計算出垃圾層厚度H。

垃圾層厚度PID控制以及推料器速度、干燥爐排速度的運(yùn)算如圖4所示。通常，如果垃圾層厚度變薄，推料器和干燥段爐排將會加速。相反，燃燒段和燃盡段爐排將降低速度，以免燃燒段缺少垃圾。穩(wěn)定垃圾輸送到燃燒爐排上的速度，以免由于垃圾的短缺或過剩造成焚燒爐溫度下降。

根據(jù)垃圾質(zhì)量推算出垃圾層厚度設(shè)置值，與檢測壓差以及燃燒空氣流量計算出的反饋垃圾層厚度作比較，進(jìn)行PID控制，輸出的操作量和標(biāo)準(zhǔn)推料速度疊加去控制燃燒空氣流量控制閥位置以及垃圾在干燥爐排上的循環(huán)時間。

圖4 垃圾層厚度控制

使用三菱過程PLC的編程軟件PXDeveloper編寫的垃圾層厚度控制的功能程序圖如圖5所示。垃圾層厚度PID控制的目標(biāo)值的運(yùn)算FB塊如圖6所示。推料器速度、干燥爐排速度的運(yùn)算功能塊程序圖如圖7所示。

使用FB功能塊編程操作簡便，工程技術(shù)人員很容易上手，程序可讀性強(qiáng)，調(diào)試維護(hù)方便，大大提高效率。

圖5 垃圾層厚度控制

圖6 垃圾層厚度PID控制目標(biāo)值的計算FB塊

圖7 推料器速度、干燥爐排速度的運(yùn)算

4 總結(jié)

本應(yīng)用案例系統(tǒng)構(gòu)建方便，程序開發(fā)、設(shè)計高效，調(diào)試維護(hù)容易，運(yùn)行后系統(tǒng)穩(wěn)定，得到客戶的贊譽(yù)，取得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

摘自《自動化博覽》2020年4月刊