西門子PLC 在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用

城市生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)院衛(wèi)生廢棄物、淤泥和廢橡膠輪胎等垃圾焚燒處理技術(shù)，利用垃圾焚燒的余熱發(fā)電，變廢為寶，將是今后環(huán)保技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。這種垃圾焚燒日處理廢物能力為1—350 噸，余熱鍋爐的熱容量小，發(fā)電機(jī)組小，一般為了20 兆瓦以內(nèi)。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠的控制系統(tǒng)較大型電廠簡單得多。一般來說，大型電廠的主機(jī)控制系統(tǒng)是無法用PLC 來控制的，只有一些輔機(jī)系統(tǒng)才用得上PLC 控制系統(tǒng)；但是，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)及微處理器性能的突飛猛進(jìn)，高檔PLC 集散控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在中型、較復(fù)雜的控制領(lǐng)域中，像垃圾焚燒發(fā)電廠用高檔的PLC 控制系統(tǒng)就足夠了，這樣可以大大降低控制系統(tǒng)的造價。
　　 本文將介紹廣東省南海市垃圾焚燒發(fā)電廠PLC 控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)由珠海市廣東亞仿科技股份有限公司成功開發(fā)，并一次成功投入生產(chǎn)運(yùn)行。
　　 該集散控制系統(tǒng)采用Siemens S7-400 系列PLC。SIEMENS 公司的S7-400 系列PLC 是九十年代推出的S7 系列中的大型機(jī)型，具有完善的功能和強(qiáng)大的通訊能力，特別是PROFIBUS 是總線國際標(biāo)準(zhǔn)之一，得到很多廠家的支持，很有利于分布式控制系統(tǒng)的使用，PROFIBUS-DP 總線的通訊速率可達(dá)12Mbps。S7-417H雙機(jī)熱備系統(tǒng)和ET200M分布式I/O組成的PROFIBUS-DP總線網(wǎng)構(gòu)成切換結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在故障時無擾動自動切換，可用在安全性能要求極高的控制系統(tǒng)中。但是S7-417H 雙機(jī)熱備系統(tǒng)造價相對昂貴，為了減少硬件的投資，我們選用軟件雙冗余（用416CPU 進(jìn)行雙機(jī)熱備），采用分布式I/O 的Profibus-DP 現(xiàn)場控制總線，上位機(jī)與PLC 之間采用OSM/ESM 環(huán)形100 兆工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)進(jìn)行通訊，上位機(jī)采用Intouch7.1 組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。該廠垃圾的焚燒工藝引進(jìn)美國Basic公司的專利技術(shù)，采用四級脈沖爐排，各項指標(biāo)均達(dá)到國際環(huán)保要求；一期日焚
　　燒處理垃圾200 噸，該工藝技術(shù)在我國是有很廣的推廣應(yīng)用價值。
　　 工作原理：垃圾經(jīng)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，與爐排片上的均勻氣孔噴出的助燃空氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量由余熱鍋爐回收，余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓的水蒸汽推動汽機(jī)發(fā)電；燃盡后進(jìn)入灰渣坑，由自動除渣裝置排出；由主燃燒室揮發(fā)和裂解出來的煙氣進(jìn)入第二、三級燃燒室，進(jìn)行進(jìn)一步燃燒，使煙氣的溫度高達(dá)
　　攝氏1000 度，并煙氣在此停留時間不短于2 秒，使有毒的煙氣迅速分解，后經(jīng)煙氣處理設(shè)備及除塵設(shè)備（電除塵及布袋除塵）處理合格后排入大氣。
　　 本環(huán)保發(fā)電廠主要設(shè)備包括：
　　 焚化爐鍋爐兩臺；每臺主要的技術(shù)參數(shù)如下：
　　 ·垃圾處理量： 8.33 t/h
　　 ·產(chǎn)生蒸汽量： 22.5 t/h
　　 ·過熱蒸汽壓力： 4.0 MPa
　　 ·過熱蒸汽溫度： 400 ℃
　　 ·爐膛溫度： 980 ℃
　　 ·給水溫度： 145 ℃
　　?? 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組一套；主要的技術(shù)參數(shù)如下：
　　 ·主蒸汽壓力： 3.9 MPa
　　 ·主蒸汽溫度： 390 ℃
　　 發(fā)電機(jī)，主要的技術(shù)參數(shù)如下：
　　 ·功率： 12000 kw
　　 ·出線電壓： 10.5 kv
　　 ·頻率： 50 Hz
　　 ·額定轉(zhuǎn)速： 3000 RPM
　　 ·功率因素： 0.8
　　 ·勵磁方式： 無刷勵磁系統(tǒng)
　　?? 煙氣處理系統(tǒng)兩套；
　　?? 配套電氣供配電系統(tǒng),其中，
　　一、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置如下：
　　共設(shè)四臺操作員站，一臺工程師站。其中兩臺操作員站用于爐．側(cè)．設(shè)．備．的監(jiān)控，包括焚燒爐、鍋爐兩套系統(tǒng)，煙氣脫硫系統(tǒng)，除灰系統(tǒng)；另兩臺操作員站用于機(jī)．側(cè)．設(shè)．備．的監(jiān)控，包括汽機(jī)系統(tǒng)，制給水系統(tǒng)，廢水處理系統(tǒng)，電氣及其它部分。
　　
　　爐側(cè)的兩臺操作員站和機(jī)側(cè)的兩臺操作員站均為雙機(jī)熱備。爐側(cè)和機(jī)側(cè)的操作員站之間功能獨(dú)立，不能互換操作。程師工作站，用于系統(tǒng)軟件開發(fā)組態(tài)和警報順序事件記錄之用；工程師站將能夠作為任一操作員站完成相關(guān)控制監(jiān)測功能。工程師站、操作員站及PLC 之間采用采用OSM/ESM 環(huán)形100 兆工業(yè)以太網(wǎng)光網(wǎng)進(jìn)行互連通訊。操作系統(tǒng)采用中文Windows NT 窗口操作系統(tǒng)。
　　
　　上位機(jī)采用Intouch7.1 組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。人機(jī)界面主要設(shè)計有以下內(nèi)容：
　　①系統(tǒng)工藝流程顯示。
　　依據(jù)設(shè)計院提供的系統(tǒng)工藝流程圖，按照功能組區(qū)域劃分。
　　②順控系統(tǒng)操作指導(dǎo)顯示。
　　有順控步序顯示，即順控程序步驟的狀態(tài)顯示，以及操作提示等。
　　③調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)畫面。
　　回路手操站，調(diào)節(jié)參數(shù)與參數(shù)趨勢的集中顯示。
　　④重要參數(shù)趨勢顯示。有實時趨勢與歷史趨勢兩種顯示。
　　⑤汽輪機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的棒圖顯示。
　　⑥全局報警顯示。
　　系統(tǒng)按照功能區(qū)分為若干個報警組，各個報警組的報警窗口分布于相應(yīng)功能顯示窗口的上方。全局報警顯示提供集中查看系統(tǒng)所有報警的能力，或按優(yōu)先級或報警組過濾查看，并具有全局報警確認(rèn)。
　　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(qū)動打印，運(yùn)行人員召喚打印。提供歷史報表數(shù)據(jù)查看功能。
　　⑧PLC 系統(tǒng)狀態(tài)顯示。
　　提供系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)的查錯維護(hù)功能。
　　⑨多級地圖式菜單顯示。
　　⑩系統(tǒng)安全級別定義。
　　為了保證系統(tǒng)的安全操作，設(shè)計有三級權(quán)限：工程師級，高級操作員級，操作員級。操作員級用戶可進(jìn)行系統(tǒng)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(diào)節(jié)參數(shù)，修改時間，查看歷史報表，召喚打印等功能；工程師級擁有最高權(quán)限，具有高級操作員級所有功能，還可進(jìn)入開發(fā)環(huán)境進(jìn)行組態(tài)修改。
　　二、PLC 控制系統(tǒng)配置如下：
　　 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(jī)系統(tǒng)，制給水系統(tǒng)，廢水處理系統(tǒng)，電氣及其它部分。每個PLC 主站分別由兩個CPU416-2DP(訂貨號：6ES74162XL010AB0)組成雙機(jī)熱備，通過實時冗余軟件實現(xiàn)控制系統(tǒng)無擾動換，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，兩個CPU 通過MPI 接口進(jìn)行相互監(jiān)視及數(shù)據(jù)相互備份，每個CPU 分別通過CP443-1 工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊與上位機(jī)通信。Siemens 的416CPU 組成雙機(jī)熱備，只能通過軟件來實現(xiàn)，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，把要冗余的數(shù)據(jù)放在特定的DB 里，每個掃描周期里主CPU 就把這些特定DB 里的數(shù)據(jù)影像到從CPU 中。軟冗余比硬冗余有一個優(yōu)點，就是開發(fā)人員可以自定義冗余數(shù)據(jù)庫，這樣就可以大大縮短在每個掃描周期中冗余數(shù)據(jù)的影像時間。
　　 控制信號的輸入及輸出由相關(guān)ET200M 分布式I/O 模塊完成，采用“就近原則”，以最大程度減少現(xiàn)場的硬布線，每個ET200M 分別有兩塊IM153-2 通信模塊，分別與掛在DP 總線上，組成冗余的DP 總線。由于ET200M 采用是Siemens 300系列分布式I/O 模塊，因此價格較為便宜。每個ET200M 可擴(kuò)展8 個IO 模塊，容量可高達(dá)128 字輸入/128 字輸出。最大傳輸速率為12Mbps。
　　 這樣，本控制系統(tǒng)就由于西門子400 系列的CPU416-2 組成雙機(jī)熱備，進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余，帶上300 系列的分布式I/O 組成雙冗余的DP 總線，這是性價比極高的集散控制系統(tǒng)，在今后的各種環(huán)保電廠主機(jī)控制及大型發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)控制領(lǐng)域中的極大的推廣價值。
　　CPU416 具有非凡的性能，它二進(jìn)制指令的執(zhí)行時間為0.08 微秒（CPU417H為0.12 微秒），最大的數(shù)字量IO 或模擬量IO 高達(dá)65536 或4096 點。本集散控制系統(tǒng)有八千多條邏輯控制語句，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(diào)節(jié)回路2 個；單沖量調(diào)節(jié)回路26 個。系統(tǒng)實時性可靠性要求較高。
　　 本集散控制系統(tǒng)中，PLC 完成全廠邏輯順序控制及所有PID 回路控制。其中，
　　I、邏輯順序控制分下列幾大部分：
　　1）1-2-3 級吹掃 其目的是為了確保1-2-3 級燃燒室風(fēng)煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備正
　　常且信道暢通，是爐膛保護(hù)要求的重要操作。
　　2）引風(fēng)機(jī)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(fēng)煙系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備正常且信道暢通，是爐膛保護(hù)要求的重要操作。
　　4）第二級預(yù)熱 其目的是為了提高第二級溫度達(dá)到設(shè)定值，是第一級預(yù)熱、第一燃燒室燃燒器投入的前提條件。
　　5）第一級預(yù)熱的目的是為了提高第一級溫度達(dá)到設(shè)定值。
　　6）順序停運(yùn)。
　　7）燃燒器順序點火/停運(yùn)。
　　8）給料系統(tǒng)自動循環(huán)。
　　9）除渣系統(tǒng)自動循環(huán)。
　　10）渣坑水位聯(lián)鎖控制。
　　11）吹灰系統(tǒng)順序控制。
　　12）鍋爐保護(hù)
　　13）主燃料跳閘
　　14）料油跳閘
　　15）正常發(fā)電模式
　　16）孤立運(yùn)行模式
　　17）汽輪機(jī)故障模式
　　18）化學(xué)水處理控制
　　19）污水處理控制II、主要PID 控制回路略舉如下：
　　1）爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-PT101）
　　此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，爐膛應(yīng)保持一定的負(fù)壓值
　　（PT101），故需對引風(fēng)機(jī)（PV101）進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)。為防止引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行過大或過小，而造成鍋爐熄火，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入高、低限幅模塊。
　　2) 干燥爐排溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-TE108）
　　此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，進(jìn)入焚燒爐一燃室1#爐排的垃圾含有一定的水分，直接影響爐膛溫度，增加1~2#燃燒器的負(fù)擔(dān)。
　　因此，從三燃室引入混合煙氣進(jìn)行干燥。由于三燃室混合煙氣的溫度較高，故通過調(diào)節(jié)干燥風(fēng)機(jī)（TV108）使干燥爐排溫度（TE108）維持在設(shè)定的工作范圍。
　　3) 再循環(huán)煙氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-TE109）
　　此系統(tǒng)為單沖量調(diào)節(jié)回路。通過調(diào)節(jié)再循環(huán)風(fēng)機(jī)（TV109）使四燃室煙氣溫度（TE109）維持在設(shè)定的工作范圍。
　　4) 一燃區(qū)爐膛溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-TE101）
　　此系統(tǒng)為條件切換多輸出調(diào)節(jié)回路。按系統(tǒng)工藝，焚燒爐一燃室分為起爐運(yùn)行和正常運(yùn)行兩個階段。在起爐運(yùn)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(diào)節(jié)#1~#6 燃燒器回油調(diào)節(jié)閥（HV107、HV111、HV117、HV121、HV127、HV131）來維持系統(tǒng)對爐膛溫度（TE101）的要求。在正常運(yùn)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(diào)節(jié)#1~#4 爐排的排風(fēng)調(diào)節(jié)閥（HV104、HV114、HV124、HV134）（因送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，排風(fēng)調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)送風(fēng)量）來控制#1~#4 爐排上垃圾的燃
　　燒，從而達(dá)到系統(tǒng)對爐膛溫度（TE101）的要求。此調(diào)節(jié)過程將直接影響爐膛負(fù)壓，為防止?fàn)t膛負(fù)壓的減少對系統(tǒng)的影響，當(dāng)爐膛負(fù)壓突破一定值時（如小于1Kpa），對排風(fēng)調(diào)節(jié)閥限幅。
　　5) 鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-LT102）
　　此系統(tǒng)為三沖量調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥（LV102）進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，使汽包水位保持在設(shè)定范圍內(nèi)，以適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。
　　6) 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-TE119）
　　系統(tǒng)將減溫器后蒸汽溫度（TE116）作為前饋信號引入調(diào)節(jié)，與過熱蒸汽溫度（TE119）主信號一起對減溫水調(diào)節(jié)閥（TV119）進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)。
　　7) 汽機(jī)前壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。正常發(fā)電時，利用汽輪機(jī)與旁路系統(tǒng)平衡配置，通過汽輪機(jī)同步控制器調(diào)速汽門來調(diào)節(jié)主汽門前壓力（PT302），使其穩(wěn)定在工作壓力左右。當(dāng)發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷時，控制旁路蒸汽調(diào)節(jié)閥（PV302），退出自動狀態(tài)。
　　8) 減溫減壓器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-TE327）
　　減溫減壓器共有兩項調(diào)節(jié)任務(wù)：調(diào)節(jié)噴水量維持減壓后蒸汽溫度在工作范圍；調(diào)節(jié)減壓閥的開度維持減壓后蒸汽壓力在工作范圍。
　　本調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過減溫水調(diào)節(jié)閥（TV327）來調(diào)節(jié)減溫減壓器后溫度
　　（TE327），使其穩(wěn)定在工作溫度左右。
　　9) 減溫減壓器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-PT325）
　　此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。在低負(fù)荷狀態(tài)時，本調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽旁路調(diào)節(jié)閥（HV302）來維持減溫減壓器后壓力（PT325），使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍。當(dāng)處于甩負(fù)荷狀態(tài)時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥（PV325）。
　　10) 低壓分汽缸壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-PT326-327）
　　此系統(tǒng)為雙調(diào)節(jié)器條件切換單輸出回路。低壓分汽缸的蒸汽：在正常發(fā)電模式下來自汽輪機(jī)的抽汽；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于甩負(fù)荷狀態(tài)或汽輪機(jī)故障狀態(tài)時，則來自于主蒸汽經(jīng)減溫減壓器后的一部分蒸汽（而另一部分蒸汽則進(jìn)入高壓冷凝器）。本調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)要求，通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥來安全合理的分配這兩部分蒸汽。
　　當(dāng)高壓蒸汽冷凝器的壓力（PT327）小于0.2Mpa 時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥（PV326）來維持低壓分汽缸壓力（PT326），使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍。當(dāng)高壓蒸汽冷凝器的壓力（PT327）大于0.2Mpa 時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥（PV326）來維持高壓蒸汽冷凝器的壓力（PT327），使其穩(wěn)定在設(shè)定工作范圍。
　　11) 除氧器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)（回路號：RL-LT404）
　　此系統(tǒng)為條件切換輸出調(diào)節(jié)回路。正常發(fā)電模式時，大量的凝結(jié)水由凝汽器通過低加直接送回到除氧器，不通過蔬水箱，除氧器的補(bǔ)給水通過調(diào)節(jié)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（LV304_1），實現(xiàn)除氧器液位（LT404）的恒定。當(dāng)汽輪機(jī)故障狀態(tài)時，大量的凝結(jié)水從高壓冷凝器聚到蔬水箱，除氧器的補(bǔ)給水則通過蔬水箱輸送，除氧器液位（LT404）通過調(diào)節(jié)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（LV304_2），實現(xiàn)液位的恒定。
　　該P(yáng)LC 集散控制系統(tǒng)經(jīng)兩年多的運(yùn)行證明，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，主要表現(xiàn)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?zé)嵝矢?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(yè)垃圾、生活垃圾、醫(yī)院垃圾廢棄物、廢棄橡膠輪胎等。
　　（4）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低 爐排采用了整塊設(shè)計維護(hù)量小；自動控制水平高，運(yùn)行人員少。
　　（5）可靠性高 經(jīng)過近2 年運(yùn)行表明，此焚燒爐故障率非常低，年運(yùn)行8000小時以上，利用率可達(dá)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(jìn)的煙氣處理設(shè)備，使煙氣得到了充分的處理。經(jīng)長期測試，煙氣排放物中CO 含量1—10 PPM，HC 含量2—3 PPM，NOx 含量35 PPM，完全符合歐美排放標(biāo)準(zhǔn)。煙氣在二、三級燃燒室燃燒時溫度達(dá)1000℃，并且停留時間達(dá)2 秒以上，可使二惡英基本分解，煙氣中二惡英的含量為0.04 ng/m3，遠(yuǎn)低于歐美標(biāo)準(zhǔn)0.5 ng/m3。