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UniMAT PLC在垃圾焚燒電廠項目中的應用

一、綜述
        垃圾焚燒可以實現垃圾處理的減量化、資源化、無害化,回收其熱量用于發電、供熱等。垃圾焚燒處理已成為一些發達國家處理垃圾的主要方式。此垃圾焚燒處理發電廠是廣東省與加拿大建設的一座總投資4.1億元的垃圾焚燒發電廠,總占地面積3萬多平方米。設計有四臺垃圾焚燒爐、四臺余熱鍋爐、兩臺6MW汽輪發電機組。四條生產線共設計日處理垃圾600噸,年發電量為8797千瓦時,1噸垃圾可產生不少于300KWh的電能。


 該工程的核心技術為世界第三代CAPS技術,即控氣型固體廢棄物熱分解處理技術,使用此技術建設了4臺CAPS熱解爐。4臺余熱鍋爐產生的蒸汽供給兩臺6MW汽輪機發電機組發電,真正實現了變廢物為資源。

 

二、垃圾焚燒爐及相關設備
  此垃圾焚燒電廠的垃圾焚燒爐采用加拿大制造的順推、多級機械爐排焚燒爐。焚燒爐應用了世界第三代控氣型固體廢棄物熱分解處理技術(CAPS),可有效減少焚燒產生的有毒氣體。
 1.垃圾倉結構
  垃圾由汽車運到處理廠后倒入垃圾倉內。垃圾新入倉的垃圾在倉內存放3天后就可入爐燃燒。垃圾在倉內存放時經過發酵、排出滲濾水后可提高進爐垃圾的熱值,又使垃圾容易著火燃燒。在倉內,用吊車的抓斗將垃圾送至爐前料斗。
2.一燃室及焚燒爐爐排結構
  垃圾焚燒爐為往復式、順推、多級機械爐排焚燒爐。焚燒爐內有一個給料器和8個燃燒爐排單元組成,包括干燥段的兩級爐排、氣化燃燒段的四級爐排和燃盡段兩級爐排。焚燒爐內溫度控制在700以內。燃盡的垃圾從最后一級爐排離開焚燒爐落入灰槽中。
  1)給料器和防火門
  給料器通過給料器(Loading Ram)將落入料斗的垃圾從防火門前推入燃燒室。給料器只負責給料,不提供燃燒空氣,并通過防火門與燃燒區隔離。防火門在給料器收回時保持關閉狀態。關閉防火門可使爐膛與外界隔開,維持爐內負壓。同時,燃燒室的入口處有溫度測點,當燃燒室入口的垃圾溫度過高時,電磁閥將控制防火門后的噴霧器噴水以防止防火門打開時給料斜槽上的垃圾將料斗中的垃圾引燃。
  2)燃燒爐排
  八級燃燒爐排分為兩級干燥爐排、四級氣化燃燒爐排和兩級燃盡段爐排。每級爐排下面都有液壓驅動的脈沖推動裝置。8級推動裝置(推床)按一定順序推動垃圾,使進入焚燒爐的垃圾依次被與各級爐排相配合的的推床推到下一級爐排上。爐排上有均勻分布的小孔,用于噴出燃燒所需一次風。供燃的一次風由爐排下的一次風管供給。垃圾在爐排推送過程中受到燃燒器和爐內的熱輻射以及一次風的吹烘,水分迅速蒸發,著火燃燒。
  3)燃燒器布置
  一燃室有兩個主燃燒器,如圖二17,18所示。焚燒爐內燃燒爐排上方有溫度測點,當焚燒爐啟爐時和燃燒溫度低于要求時,燃燒器17投油助燃。燃燒器18位于爐膛出口,用于補燃未燃盡的垃圾。燃燒器所需的空氣由四臺焚燒爐公用的一臺燃燒風機(如圖二7所示)提供,燃燒器燃燒所需空氣為由大氣吸入的潔凈空氣。當燃燒風機故障或供風不足時,由旁路(圖二 6所示)取送風機的部分送風供給燃燒器。

3. 二燃室煙道
  二燃室主要部分為圓筒形煙道,沒有管道等造成的煙氣死角。設置二燃室的目的是為了使煙氣在120~130%的理論空氣量下,1000左右的條件下停留>2s,使有害氣體在爐內分解。在二燃室入口有副燃燒器,當系統檢測到二燃室出口煙溫小于一定值時將點火補燃。二次風在二燃室入口處進入二燃室。二燃室有上下兩個出口通至余熱鍋爐,兩個出口前各有一個液壓驅動的擋板控制煙氣的進入。
   4. 一、二次風系統
  每臺焚燒爐都配有一臺送風機。風機從垃圾池吸入空氣,同時也吸入從一燃室推床下部泄露到焚燒爐外部的氣體。這樣安排送風的來源是為了保證垃圾倉為微負壓狀態,避免垃圾倉的氣體外泄。送風進入余熱鍋爐,經余熱鍋爐的兩級空氣預熱器后進入一個大混合集箱(如圖二21),然后分別作為一、二次風進入焚燒爐的一燃室、二燃室。集箱還可以接受從不經過余熱鍋爐的送風旁路返回的送風。離開集箱的一次風又分兩條管路:管路1(圖二 10-1)通至三條風管,供風給1~3級爐排;另一條管路2(圖二 10-2)通至五條風管,供風給4~8級爐排。供給爐排的一次風可以烘干垃圾、冷卻爐排并供給燃燒所需的空氣。管路1上的風量調節閥應根據焚燒爐入口的溫度進行調節。管路2上的風量調節閥則應根據焚燒爐爐膛的溫度和氧量進行調節。爐膛的空氣量應該為理論空氣量的70~80%。二次風則經過管路(圖二 25)進入二燃室。二次風供應量為理論空氣量的120~130%。
5. 排灰系統
  由焚燒爐排出的灰渣落入灰槽中。兩條相平行的灰槽的布置方向與焚燒爐的布置方向垂直,四臺焚燒爐的灰槽橫向貫通。液壓驅動的分灰器(圖二 23所示)選擇將灰渣落入某個灰槽中?;也鄣撞坎贾糜谢覀魉蛶?,負責運走四臺焚燒爐排出到灰槽中的灰渣?;也壑幸蟊WC有一定的水位來浸沒灰渣。。
  6.煙氣處理設備
  煙氣由余熱鍋爐排出后首先進入半干式洗氣塔,塔中利用霧化器將熟石灰漿從塔頂噴入塔內,與煙氣中酸性氣體中和,可有效清除HCl、HF、等氣體。在洗氣塔出口管道上有活性炭噴嘴,活性炭用于吸附煙氣中的二噁英/呋喃類物質。煙氣之后即進入布袋除塵器,使煙氣中的顆粒物、重金屬被吸附去除。最后將煙氣從煙囪排入大氣。

                            垃圾焚燒電廠垃圾焚燒爐工藝示意圖


1.由垃圾倉來的空氣  2.送風機吸入的潔凈空氣  3.推床下泄漏出的的空氣  4.料斗  5.燃燒器的供燃空氣入口  6.由其他焚燒爐送風機來的部分空氣  7.供給四臺鍋爐燃燒器燃燒空氣的風機  8.送風機  9.爐下小混合集箱及旁路風門  10.爐排風總管  10-1. 前總風門1   10-2.后總風門2   11.手動閥  12.氣動閥  13.送風至余熱鍋爐的送風管道  14.給料器  15.一燃室  16.二燃室  17.主燃燒器1  18.主燃燒器2  19.副燃燒器  20.煙氣出口液壓擋板  21.空氣大混合集箱  22.余熱鍋爐  23.洗氣塔  24.布袋除塵器  25.防火門  26.爐排冷卻水  27.出料冷卻裝置    A.冷卻水進口  B.冷卻水出口  C.噴水  D.熟石灰供給  E.壓縮空氣


三、垃圾焚燒電廠垃圾焚燒爐在污染物控制上的優點
  生活垃圾焚燒煙氣中的二噁英是近幾年來世界各國所普遍關心的問題。二噁英類劇毒物質對環境造成很大危害,有效控制二噁英類物質的產生與擴散,直接關系到垃圾焚燒及垃圾發電技術的推廣和應用。
1.二噁英的結構
  二噁英的分子結構為1個或2個氧原子連接2個被氯取代的苯環。兩個氧原子連結的稱為多氯二笨并二噁英(PCDD,Polycholoro diabenzo-p-dioxin),一個氧原子的稱為多氯二笨并呋喃(PCDF,Plolycholoro dibenzo-furan)。統稱二噁英(dioxin)。毒性最強的2,3,7,8-PCDD的毒性為氰化鉀的1000倍。dioxin對哺乳動物有極強的毒性,且易溶于水,熱穩定性好。


2.垃圾焚燒爐內二噁英的產生原理
  二噁英在焚燒爐內的生成的來源是石油產品、含氯塑料,他們是二噁英的前體。生成方式主要是燃燒生成。生活垃圾中含大量的NaCl、KCl、等,而焚燒物中經常會有S元素,從而產生。和含Cl元素的鹽在有氧氣存在時反應生成HCl。HCl又和Cu被氧化生成的的CuO反應生成。經研究發現,致使二噁英產生的最終要的催化物就是和C元素(以CO為標準)。
  3.采用的控氣型固體廢棄物熱分解處理技術的焚燒爐在抑制二噁英產生方面的優勢
  控氣型熱解焚燒爐將焚燒過程分為二級燃燒室,一燃室進行垃圾熱分解溫度控制為700以內,讓垃圾在缺氧狀態下低溫分解,這時金屬Cu、Fe、Al等金屬元素不會被氧化,因而不會有的產生,會大大減少二噁英的量;同時,由于HCl的產生量受殘氧濃度的影響,因而缺氧燃燒會減少HCl的產生;并且自還原氣氛下也難以大量生成。由于控氣型垃圾焚燒爐是固體床,所以不會產生煙塵,不會有未燃盡的殘碳進入二燃室。垃圾中的可燃成份分解為可燃氣體,并引入氧氣充足的二燃室燃燒。二燃室溫度在1000左右并且煙道長度使煙氣能夠停留2s以上,保證了二噁英等有毒有機氣體在高溫下完全分解燃燒。
  此外,使用布袋除塵器避免了使用靜電除塵時Cu,Ni,Fe顆粒對二噁英生成的催化作用。


四、余熱鍋爐設備
  垃圾焚燒電廠的余熱鍋爐為煙道式余熱鍋爐,煙氣流動方向在鍋爐中進行5次轉折。鍋爐壓力4MPa,蒸發量15t/h。余熱鍋爐的結構如下圖所示。在爐膛、煙道以及高溫煙氣入口布置有水冷壁
  1.煙氣流程
  如圖四所示,煙氣從焚燒爐的二燃室通過上部或下部煙道(煙氣從下部經過時不經過水冷壁K ) 進入余熱鍋爐。先經過第二級過熱器E、第一級過熱器F、第二級空氣預熱器G,然后從下部進入主爐膛與水冷壁換熱。之后在爐膛上部出口改變角度后向下依次通過第一級省煤器I、第一級空氣預熱器H、第二級省煤器J,之后的煙氣由煙道N離開余熱鍋爐。
  2.送風流程
  如圖四所示,送風機來的風經過管路A進入余熱鍋爐,在爐內經過兩級空氣預熱器H、G換熱,之后由管路離開鍋爐。
  3.汽水流程
  如圖四所示,145的給水經過兩級省煤器J、I(省煤器設置有給水旁路),進入鍋爐汽包L、汽包中過冷水由下降管進入下集箱,經爐內水冷壁在4MPa下定壓加熱,蒸汽進入兩級過熱器F、E后達到400,離開鍋爐進入蒸汽總管。

                                            余熱鍋爐結構圖

A.送風入口管道  B.送風出口管道  C.上部高溫煙道  D.下部煙道  E.第二級過熱器  F.第一級過熱器  G.第二級空氣預熱器  H.第一級空氣預熱器  I.第二級省煤器  J.第一級省煤器  K.水冷壁  L.汽包  M.集箱


五、汽輪發電機組及輔機系統
  垃圾焚燒電廠的四臺余熱鍋爐配有兩臺汽輪機。主蒸汽系統采用集中母管制,兩臺汽輪發電機組在廠房內縱向布置。汽輪機采用廣州斯科達生產的6MW凝汽式汽輪機。設計進汽壓力3.9MPa,進汽溫度390,額定進汽量35t/h。
  機組配備兩級射汽抽汽器,一級汽封抽氣器。設計一級抽氣供除氧器使用。機組的冷凝方式為水冷,采用機械通風冷卻塔二次循環水冷系統。循環水的流動由循環水泵保證,循環水系統同時經空氣冷卻器和潤滑油站進行相關的冷卻。凝結水由凝結水泵經汽封加熱器進入除氧器。除氧器出口的低壓給水通過給水泵升壓后進入余熱鍋爐。四爐兩機配備兩臺除氧器,除凝結水進入除氧器外,還有化學補水(溫度、流量)以及由疏水泵送來的疏水箱的疏水。



    

                                         汽輪機汽水系統示意圖

1.除氧器2.五臺給水泵(4用1備)3.余熱鍋爐  4.汽輪機  5.凝汽器  6.循環水泵  7.凝結水泵  8.機械通風冷卻塔


六、控制方案介紹
  1.焚燒爐及鍋爐的控制系統方案

                                 焚燒爐及鍋爐的控制系統方案

焚燒爐及鍋爐系統的控制包括公共系統的控制、4個焚燒爐的控制以及4臺余熱鍋爐的控制。
  

1.1 硬件構成
  系統在硬件采構成上采用PROFIBUS + PROFINET結構。采用5塊Siemens 317-2 PN/DP CPU,分別控制公共系統及四套焚燒爐-余熱鍋爐系統。CPU 317-2 PN/DP 具有大容量程序存儲器,可用于要求很高的應用??稍赑ROFInet上實現基于組件的自動化中實現分布式智能系統??勺鳛镻ROFINET I/O 控制器,用于在PROFINET 上運行分布式I/O。并可與集中式I/O 和分布式I/O 一起,可用作生產線上的中央控制器,可用于大規模的I/O 配置或分布式I/O 結構。此外,CPU對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力。

   在本系統中,CPU 317-2 PN/DP通過PROFIBUS接口構成PROFIBUS網絡的控制設備,讀取PROFIBUS總線上各I/O站的數據。同時配有PROFInet接口,可與上位機通過PROFINET通訊,實現與上位機的高速數據監視與控制功能。

 

        I/O站采用了ET200S模塊化分布式I/O站,防護等級IP 20,可用于危險區域 (Zone 2)。采用按“位”模板化設計,能精確地適配自動化任務的要求。


 在對電機的控制上,沒有采用傳統的控制方式。而是采用了SIEMENS的電動機保護和控制設備3UF5 SIMOCODE-DP。它除了控制電機啟停以外,還集成了過載保護、熱敏電阻用于電動機的過熱保護、接地故障保護、堵轉保護、電流值檢測功能于一身。3UF5 SIMOCODE-DP通過PROFIBUS通訊口連接到PROFIBUS總線中,成為一個PROFIBUS從站與PLC通訊。



 送風機采用了SIEMENS變頻器控制,可通過變頻調節風量,這是電廠送風系統經常使用的方案。
  三相交流傳動系統電壓源型變頻調速SIEMENS矢量控制的變頻器是具有IGBT 逆變器、全數字技術的有電壓中間回路的變頻器。它同西門子三相交流電動機一起為所有工業領域和所有應用場合提供高性能、最經濟的解決方案。SIEMENS基于系統的傳動技術,一種通用和模塊式的標準系列裝置SIEMENS矢量控制系列變頻器是全系列通用和模塊化的產品,標準裝置功率范圍從0.55 kW~ 2300 kW。覆蓋全球的三相交流電網電壓,380 V~ 690 V。
  操作員站采用5臺工控機進行系統的監視與操作。其中一臺監視公共系統,另外每套焚燒爐-余熱鍋爐系統用一臺工控機進行監視。工控機與三臺PLC通過網線和交換機連入PROFINET進行數據交換。

1.2 硬件組態

                                                 公共系統硬件組態圖


焚燒爐-余熱鍋爐系統組態圖

 

1.3 控制系統的具體控制調節
  a) 公共系統,如下圖

公共系統包括四臺焚燒爐公共使用的一臺燃燒風機,和爐排冷卻水系統。
  主要需要控制的設備有:燃燒風機啟停、3臺散熱風機啟停與連鎖(兩用一備)、兩臺冷卻水泵啟停(一用一備,泵出口管壓力低時聯啟)、以及分灰擋板下兩條灰傳送電機的控制(兩套傳送裝置的工作切換)。如前面所介紹,系統內電機大多采用UNOCODE-DP進行啟??刂?。
   b) 系統總圖與液壓系統

  垃圾加載系統由人工操作。不納入控制系統。
  液壓系統的控制主要包括三臺液壓泵的啟??刂?。
   c) 1#焚燒爐系統

 焚燒爐系統的控制包括:
  三臺燃燒器的控制:包括鍋爐啟動時的控制,以及當爐內相應測點溫度達不到要求時自動助燃。(二燃室燃燒器根據二燃室出口煙溫進行開停判斷)
  進氣風門的控制:爐排下共布置三個用于一次風調節的總風門。供給前三級爐排的前總風管風門開度根據前三級爐排上方煙溫進行調節;供給后5級爐排的后總風管風門根據后5級爐排上方煙溫進行調節;供給后5級爐排的后總風管風門根據后5級爐排上方煙溫進行調節。進入二燃室的二次風風管的風門則根據二燃室的溫度和氧量進行調節,保證二燃室煙氣溫度和氧量達到要求。
  送風機(鼓風機)控制:采用變頻器控制。根據爐內壓力進行調節,保證爐內微負壓運行。
  防火門、給料器及爐排的運動控制:按照開啟防火門,給料,各級依次順推的順序運行??汕袚Q手/自動操作和爐排運動的循環時間。
   d) 余熱鍋爐

  余熱鍋爐的控制包括:
  蒸汽出口電動門和緊急放水電動門的控制。減溫水PID調節和爐汽水三沖量PID調節。


2.汽輪機和輔機控制DCS系統控制方案
  某某垃圾焚燒電廠汽機和輔機控制系統包括以下部分的控制:除氧給水系統、循環水系統、燃油泵房系統、1#,2#汽輪機汽水系統、汽輪機ETS緊急停機保護系統。由DCS負責這些系統的數據采集,以及數字量和模擬量控制。
  整個系統從控制規模上屬于小型機組。因而DCS系統的自動控制系統(AS)站只采用了一套冗余的SIEMENS 414-4H CPU。AS414H的中央處理器是冗余配置,當主處理器出現故障時,則后備處理器立即無擾切換為主處理器。處于后備的中央處理器與主中央處理器同時更新。I/O系統采用 9個冗余的ET200M 分布式I/O站,通過PROFIBUS DP進行通訊。另外單獨為汽輪機ETS保護系統配置了一臺414-3 DP CPU 做AS站,以建立獨立的ETS系統。ETS還配有SICAM MCP TS及SICAM DI模版,配合SICLOCK TM時鐘發生器實現1ms精度的SOE(事件順序記錄)功能。系列配置了一個工程師站(ES),兩個操作員站(OS)。AS站通過CP443-1連入工業以太網,ES站與OS站則采用CP1613連入工業以太網。

                             垃圾焚燒電廠汽機及輔機硬件系統示意圖


2.1 輸入輸出點表:




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