CN103900092A - 城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，具体地说是基于机械往复式炉排炉的自动燃烧管理，应用于生活垃圾焚烧发电行业。它公开了利用能量平衡原理，根据垃圾焚烧产生的蒸汽量反推算出垃圾的热值，同时结合焚烧炉负荷需求，进行对焚烧炉垃圾进料器、炉排运动速度、一次风、二次风风量自动调整。它根据垃圾热值的不确定性及时调整垃圾入炉量、燃烧风量等，保证炉内垃圾燃烧的稳定和充分，保证设备安全、经济运行，同时大大提高了生产率和自动化程度，降低工人的劳动强度，具有很强的实用意义。

Description

城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统

技术领域

本发明涉及焚烧自动化控制,具体地说是基于机械往复式炉排炉的自动燃烧管理，应用于生活垃圾焚烧发电行业。 

背景技术

随着城市经济高速发展，城市人口剧增，从而产生了大量生活垃圾，甚而出现垃圾围城。焚烧发电是最有效的垃圾减量化、无害化资源化处理手段，对解决“垃圾围城”这一难题具有积极作用，且符合我国循环经济发展要求，而且对于促进经济发展，减缓供电压力也有显著的帮助，垃圾处理发电也正逐渐成为我国大中型城市主要垃圾处理方式。 

由于垃圾热值的波动性，如何实现垃圾燃烧稳定性，燃烧的完全性，以及排放的烟气优于国家标准，已成为垃圾焚烧业界的研究难题。本系统借鉴丹麦伟伦公司WTC（垃圾技术概念）先进技术控制理念（伟伦公司过去70年间，在全球各地有超过500例垃圾焚烧发电案例，机械往复式炉排炉技术应用广泛），WTC技术涵盖了垃圾的热值不确定性、热值设计、环境、性能与效率、工程可行性、操作与维护设计等各个技术方面。 

发明内容

为了有效地处理以上问题，本发明提供一种城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统。目的是根据垃圾热值的不确定性及时调整垃圾入炉量、燃烧风量等，保证炉内垃圾燃烧的稳定和充分，保证设备安全、经济运行，同时大大提高了生产率和自动化程度，降低工人的劳动强度，具有很强的实用意义。 

本发明的技术解决方案是：利用能量平衡原理，根据垃圾焚烧产生的蒸汽量反推算出垃圾的热值，同时结合焚烧炉负荷需求，进行对焚烧炉垃圾进料器、炉排运动速度、一次风、二次风风量自动调整。从而达到一个相对稳定、科学焚烧控制状态（控制SAMA图见附件2）。整个系统过程分为如下几点，第一：信号采集，通过现场仪表监控设备收集并转换成计算机可识别的所需信号库。第二：逻辑计算与控制调节，收集信号传送到控制器后，通过坏点判断、滤波、延时等合理化处理得到可靠数据，然后再按照工艺计算、PID（比例-积分-微分算法）、顺序控制等逻辑计算控制后得出炉排、推料器、出渣机速度数值以及一次风、二次风风量数值。第三：信号执行，根据上一步所计算出相关数值输出转换成对应回路开关、电流信号连接到现场设备实际操作。 

其中，所述控制系统的输入信号为以下： 

锅炉能量LBA10CJ001XJ69

燃烧空气能流量HLA01CJ001XJ69

烟气损失HNA10CJ001XJ69

辐射损失HBK01CJ001XJ68

炉渣损失HDA30CJ001XJ69

锅炉灰损失ETG01CJ001XJ69

油燃烧器能量1EGD11CJ001XJ69

垃圾进料量HFA01CW001XJ68

按以上输入信号计算所得信号：

总损失 HBK01CJ001XJ69

垃圾能量HFA01CJ001XJ69

垃圾低热值HFA01CJ001XJ68

所述的垃圾的热值计算公式：

 

 

        。

系统主要控制对象主要有进料档板及斜槽、推料器、炉排、液压系统、一次风、二次风、出渣机等。 

垃圾投料及进料斜槽 

垃圾进料挡板位于进料斗与进料斜槽之间，关闭时其作用是保持焚烧炉内部的负压；

推料器，炉排和液压系统

液压系统设置有两台100 %容量液压油泵，提供推料器，炉排，垃圾进料挡板和出渣机的液压驱动；

垃圾通过十一个推料器的推动作用进入焚烧炉。为了让焚烧炉按照设定负荷工作，通过控制推料器的速度，进而控制进入焚烧炉的垃圾流量；

机械往复式炉排从上至下分为四级，垃圾随炉排移动而移动，完成烘干、燃烧、燃烬的系统过程；

一次风系统

作用是烘干垃圾，提供助燃空气，经过蒸汽空气预热器加热后的一次风，从炉排下方通过8个进风口送入焚烧炉；

二次风系统

二次风的作用是在二次气相燃烧区中建立过量燃烧空气，以确保烟气混合物的完全燃烧。而且，二次风的喷入还可以在烟气中形成湍流，可使空气与烟气良好混合；

出渣机系统

出渣机系统包括三台水浸式液压驱动出渣机，用于推动由焚烧炉后部出渣口排出的炉渣到下级的炉渣输送机上，炉渣最终输送到渣坑里。

所述系统与现场信号之间设备包括有： 

控制器采用冗余配置，输入/输出接口使用S800系列I/O，实现包括自动化功能，操作员界面显示和记录，历史记录报表存档，同时通过现场总线设备和工业以太网与各辅助系统通讯联接，对于现场设备、过程控制站和操作员站，整个控制系统采用一个统一的全局数据库，模件参数可以通过总线进行组态，模件状态通过一系列指示灯表示，同时也可以通过总线进行远程诊断，使用Profibus DP通信标准与控制器进行通信。

本发明的工作原理是：本焚烧控制系统的基本原理为能量平衡。计算进入焚烧炉系统的各种能量之和，并充分考虑能量转化过程中的各种损失，输入能量与输出能量和能量损失的和相等。本发明中，进入焚烧炉系统的能量有：垃圾热量、给水热量、必要时加入的燃油热量、一次风热量、二次风热量；产生的热量有：蒸汽热量；损失的热量有：烟气热量、炉渣热量、热辐射损失、锅炉灰损失等。 

根据能量平衡的原理，根据垃圾焚烧产生的蒸汽量反推算出垃圾的热值，并利用该垃圾热值结合焚烧炉负荷要求，对焚烧炉垃圾进料速度、炉排运动速度、输入焚烧炉的一、二风量进行自动调整，最终实现焚烧炉内垃圾燃烧自动控制功能。 

由于垃圾热值无法直接测量，需利用能量平衡原理，即进入焚烧炉系统的热量和产生的能量与损失的能量之和相等的原理，计算出焚烧所用的垃圾能量，从而计算出所用的垃圾的热值。计算出垃圾热值后，反推算出产生一定的蒸汽量，所需要的垃圾量，从而计算出给定的蒸汽负荷条件下，推料器、炉排运动的速度设定值。 

本发明的优点在于： 

1、焚烧炉控制系统采用先进成熟的ABB公司AC800F系统，其在性能、处理速度、运算性能方面的优越性，避免了传统PLC方式传输速率受限和通讯接口的影响，更有利于焚烧炉自动燃烧管理的实现，减少操作人员劳动强度和操作人员经验对垃圾焚烧效果的影响。

2、本ACC控制系统在李坑二厂的成功应用，通过调节推料器、炉排的运动速度及一、二次风流量来调节焚烧状况，达到稳定蒸汽产出、保护设备安全的目的，大大提高了生产率和自动化程度，具有很强的实用意义。 

3、扩展性强：兼容Profibus，Foundation，Fieldbus，HART等多种现场总线协议以及工业以太网，为日后系统升级扩展提供优越的接口。 

附图说明

图1是本发明的硬件配置图。 

图2是本发明的垃圾焚烧工艺流程图。 

图3是本发明的液压油站工艺流程图。 

图4是本发明的焚烧过程能量平衡示意图。 

图5 是本发明的助燃空气流量和给料速度控制SAMA图。 

图6是本发明的推料器速度控制SAMA图。 

图7是本发明的炉排速度控制SAMA图。 

图8是本发明的一次风流量控制SAMA图。 

图9是本发明的二次风前端控制SAMA图。 

图10是本发明的二次风OFA控制SAMA图。 

图11是本发明的总控制SAMA图。 

具体实施方式

如图1、图11所示，使用ABB公司AC800F系统硬件，S800系列IO模块，控制器之间通过以太网连接，控制器与IO之间通过Profibus DP连接，与panel 800触摸屏通过Modbus连接，兼容多种总线协议。 

ACC系统主要控制对象为进料档板及斜槽、推料器、炉排、一次风档板、二次风档板、出渣机（图2），液压油站、液压油泵及液压油管关断阀（图3）。如图2所示，垃圾通过进料档板、进料斜槽进入焚烧炉，通过推料器、炉排的移动作用，由一次风、二次风提供助燃空气，在焚烧炉内进行焚烧，燃烬的炉渣通过出渣机冷却、输送。 

如图4、图5所示，在垃圾焚烧过程中，会发生热量转移的过程，而焚烧过程输入和输出的热量应该是总量相等的。而除了垃圾所含的热量，其他热量值都能通过实际测量值计算出来，根据热量平衡原理，计算出一段时间内所焚烧垃圾的热量。然后用于计算在给定蒸汽量的需求下，所需要的垃圾量，从而计算出所需的垃圾进料的速度，以及助燃空气量，这就是ACC主要的功能。 

垃圾进料挡板位于进料斗与进料斜槽之间，作用是：1)当垃圾进料挡板关闭，垃圾就无法进入进料斜槽；2)一旦斜槽内的垃圾料位过低，则需要关闭档板来保持焚烧炉内部的负压，防止臭气扩散或焚烧炉内的火苗点燃垃圾坑内的废气和垃圾，以保安全。 

    在正常操作中，进料斜槽中的垃圾进料挡板是打开的，但如果垃圾进料斜槽中的垃圾料位太低，垃圾进料挡板自动关闭。在机组启动和停止过程中，垃圾进料挡板必须关闭。 

    出现以下任一情况时，垃圾进料挡板应执行关闭指令：1) 当进料斜槽中的垃圾料位低至不能够保证足够的焚烧炉空气密封；2) 或垃圾不能进料到炉排上；3) 锅炉停止时。 

    以下情况同时满足时，向垃圾吊发出投料指令：1)进料斜槽料位低；2)进料档板叶片已打开。进料斜槽回水温度过高时，向垃圾吊发出区域危险信号。区域危险信号及叶片以打开信号同时存在时，向垃圾吊发出禁止投料指令。 

根据图6所示，垃圾通过11个推料器的推动作用进入焚烧炉。为了让焚烧炉按照设定负荷工作，计算出推料器的速度设定值，同时受第二级炉排上的垃圾厚度影响，控制推料器的速度，进而控制进入焚烧炉的垃圾流量。 

    11个推料器分为左、右两组，分别给左、右两侧炉排给料。为了保证进入焚烧炉炉排上的垃圾相对能够均匀地分布，要求各组推料器内的推料单元同步动作。 

    推料器的动作分为三个阶段：1)压缩冲程，以固定速度高速向前移动，推料器前的垃圾将会被压缩。2) 进料冲程，推料器以可控制的较低速度向前移动，将垃圾从进料斜槽下方推到第一级炉排上。3）返回冲程，在这个阶段推料器以固定速度高速返回。本系统只控制推料器在进料冲程的速度，其他阶段以固定速度动作。 

    进料冲程过程中，子组内任意一个推料器检测到油压高的信号，则整个子组的推料器全部停止并返回，从压缩冲程重新开始动作。非调试模式下，当出现以下任意一个条件，推料器功能组停止，所有的推料器返回后限位置并停止：1) 3取2（请问是冗余信号吗？）停炉信号；2) 烟气停留2秒温度低于850℃（超过10分钟）；3) 所有炉排停止。 

根据图7所示，炉排从上至下分为四级，每级炉排分为左右两侧，共8个部分，分开控制。垃圾在随炉排的动作自上而下移动，完成烘干、燃烧、燃烬等一系统过程。 

    每个炉排部分可由操作人员单独启停操作，当操作人员发出停止命令，炉排将返回到后限位置并停止。操作人员也可以发出“炉排组启/停命令”，同时启动或停止所有炉排。 

    在锅炉跳闸时或者2秒停留后烟气温度≤850℃超过10分钟, 所有的炉排返回后限位置并停止。 

    为了保证炉排上的垃圾能够完全燃烧并燃烬，必须控制炉排上垃圾的厚度。每级炉排的控制相对独立，其运动速度主要受负荷要求和炉排本身垃圾厚度影响。其中第二级炉排是主燃烧段，其速度控制设定值直接由负荷设定值决定；而第一级炉排、第三级炉排速度设定值除了由负荷设定值决定，还受第二级炉排垃圾厚度影响，以保证主燃烧段维持在第二级，达到最好的焚烧效果，同时使垃圾均匀分布，保护炉排。 

 液压站系统见图3，设置有两台100 %容量液压油泵，提供推料器，炉排，垃圾进料挡板和出渣机的液压驱动。液压油泵出口配置有速关阀。液压油箱液位低低时，液压油泵联锁保护停止，同时打开油泵出口速关阀。 

    2台液压油泵组成子组，当任意一台泵运行时，操作人员可选择投入泵组备用联锁。泵组备用联锁投入时，如果工作泵发生“电气跳闸”，另外一台泵将自动启动；如果出口压力低，另外一台泵将自动启动。两台泵都停止或都运行时，泵组备用联锁自动解除，以防止出现两台泵之间循环反复启动。 

 液压油站冷却油泵一台，联锁投入后，当液压油温高时，自动启动，防止液压油温过热。液压油温恢复正常后，自动停止。 

液压油关断阀一个，出现锅炉跳闸情况下，延时45s后保护关闭，保护炉排和推料器能退回到安全位置，且保护液压油站。 

一次风系统如图8所示，一次风的作用是烘干垃圾，提供助燃空气，经过蒸汽空气预热器加热后的一次风，从炉排下方通过8个进风口送入焚烧炉。焚烧炉有四级炉排，每级炉排分成左右两侧，每段炉排下对应一个进风口。 

  进入每段炉排的一次风风量用德尔塔巴流量计测量，一次风风量测量值用“至炉排一次风温度”做温度补偿计算。 

    主蒸汽流量设定点（来自DCS锅炉负荷控制中心，代表着锅炉负荷的需求），经过函数块转换，产生出总燃烧空气风量（即一、二次风总风量）设定点。一次风、二次风的比例可以由操作员在一定的范围内调整。此部分得出一次风基础风量。 

    一次风可变风量来自锅炉负荷控制。一次风可变风量控制被设计成串级+前馈控制方式，它包含主蒸汽流量调节器，主蒸汽压力前馈调节器，以及第一烟道顶部烟气温度前馈调节器。一次风可变风量的范围是±21200Nm3/h，在理想情况下一次风可变风量的控制输出应该接近为零。 

    一次风基本风量设定点和一次风可变风量分别按照操作人员设定的风量分配系数，按比例分配到炉排1，2，3和4。经过比例计算的一次风基本风量设定点和一次风可变风量加起来的值作为相应炉排一次风量设定点。通过控制8个一次风调节挡板的开度，分别控制各段炉排的进风量，以满足各段炉排上垃圾燃烧对空气的需求。 

图9、图10为二次风控制SAMA图。二次风的作用是在二次气相燃烧区中建立过量燃烧空气，以确保烟气混合物的完全燃烧。而且，二次风的喷入还可以在烟气中形成湍流，可使空气与烟气良好混合。 

  炉膛前拱布置有两排二次风，靠近炉排的称为第一排（二次风前端1），离炉排稍远的为第二排（二次风前端2），每排有6只喷口。在锅炉第一烟道进口处的前后墙还布置两层OFA（Over Fire Air）（下层叫二次风OFA1，上层叫二次风OFA2），每层8只喷口，前后墙各4只，以上总共28只喷口。 

    进入焚烧炉/锅炉四个区域的一次风风量用德尔塔巴流量计测量，经过补偿计算后作为二次风流量控制器的过程值。 

    主蒸汽流量设定点通过函数转换计算出总风量，经过比例调整，计算出二次风总风量设定值。二次风总风量设定值按比例分成前端设定值和OFA设定值。前端设定值根据焚烧炉前端温度、燃烧热值等参数自动调整前端1、前端2的比例，从而控制前端1、前端2的风量。 

    OFA风量设定点来源于主蒸汽流量设定点计算出来的二次风总风量减前端风量，该基本设定点加上二次风氧量调节器（反作用PID， SP-PV）的输出调整，就得到了二次风OFA总风量设定点。省煤器出口烟气含氧量作为前馈控制，影响OFA的风量设定值。 

出渣机系统见图2，包括3台水浸式液压驱动出渣机，用于推动由焚烧炉后部出渣口排出的炉渣到下级的炉渣输送机上，炉渣最终输送到渣坑里。 

  ACC系统中仅包括对3台出渣机进行控制，炉渣输送机以及炉排底渣输送机等炉渣输送系统设备在DCS中控制。出渣机的启动条件是对应的下级输送机已启动。 

Claims (3)

1.城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，其特征在于该系统利用能量平衡原理，根据垃圾焚烧产生的蒸汽量反推算出垃圾的热值，同时结合焚烧炉负荷需求，进行对焚烧炉垃圾进料器、炉排运动速度、一次风、二次风风量自动调整；从而达到一个相对稳定的焚烧控制状态；整个系统过程分为如下几点，第一：信号采集，通过现场仪表监控设备收集并转换成计算机可识别的所需信号库；第二：逻辑计算与控制调节，收集信号传送到控制器后，通过坏点判断、滤波、延时等合理化处理得到可靠数据，然后再按照工艺计算、比例-积分-微分算法、顺序控制等逻辑计算控制后得出炉排、推料器、出渣机速度数值以及一次风、二次风风量数值；第三：信号执行，根据上一步所计算出相关数值输出转换成对应回路开关、电流信号连接到现场设备实际操作；

其中，所述控制系统的输入信号为以下：

锅炉能量LBA10CJ001XJ69

燃烧空气能流量HLA01CJ001XJ69

烟气损失HNA10CJ001XJ69

辐射损失HBK01CJ001XJ68

炉渣损失HDA30CJ001XJ69

锅炉灰损失ETG01CJ001XJ69

油燃烧器能量1EGD11CJ001XJ69

垃圾进料量HFA01CW001XJ68

按以上输入信号计算所得信号：

总损失 HBK01CJ001XJ69

垃圾能量HFA01CJ001XJ69

垃圾低热值HFA01CJ001XJ68

所述的垃圾的热值计算公式：

                                                

 

 

       。

2.根据权利要求1所述的城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，其特征在于所述的机械往复式城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统包括有以下设备：

垃圾投料及进料斜槽：

垃圾进料挡板位于进料斗与进料斜槽之间，关闭时其作用是保持焚烧炉内部的负压；

推料器，炉排和液压系统：

液压系统设置有两台100 %容量液压油泵，提供推料器，炉排，垃圾进料挡板和出渣机的液压驱动；

垃圾通过十一个推料器的推动作用进入焚烧炉；为了让焚烧炉按照设定负荷工作，通过控制推料器的速度，进而控制进入焚烧炉的垃圾流量；

机械往复式炉排从上至下分为四级，垃圾随炉排移动而移动，完成烘干、燃烧、燃烬的系统过程；

一次风系统：

作用是烘干垃圾，提供助燃空气，经过蒸汽空气预热器加热后的一次风，从炉排下方通过8个进风口送入焚烧炉；

二次风系统：

二次风的作用是在二次气相燃烧区中建立过量燃烧空气，以确保烟气混合物的完全燃烧；而且，二次风的喷入在烟气中形成湍流，使空气与烟气良好混合；

出渣机系统：

出渣机系统包括三台水浸式液压驱动出渣机，用于推动由焚烧炉后部出渣口排出的炉渣到下级的炉渣输送机上，炉渣最终输送到渣坑里。

3.根据权利要求1所述的城市生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，其特征在于所述系统与现场信号之间设备包括有：

控制器采用冗余配置，输入/输出接口使用S800系列I/O，实现包括自动化功能，操作员界面显示和记录，历史记录报表存档，同时通过现场总线设备和工业以太网与各辅助系统通讯联接，对于现场设备、过程控制站和操作员站，整个控制系统采用一个统一的全局数据库，模件参数可以通过总线进行组态，模件状态通过一系列指示灯表示，同时也可以通过总线进行远程诊断，使用Profibus DP通信标准与控制器进行通信。

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