垃圾焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)設計與實現

曾衛(wèi)東，田 爽，袁亞輝，常威武

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垃圾焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)設計與實現

曾衛(wèi)東，田 爽，袁亞輝，常威武

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

垃圾焚燒爐由于垃圾成分復雜及熱值不穩(wěn)定，導致其燃燒控制滯后時間長，焚燒爐燃燒系統(tǒng)多處需要手動控制運行。本文提出適合垃圾焚燒爐運行工況的自動燃燒控制（ACC）系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括蒸發(fā)量控制模塊、垃圾料層控制模塊、焚燒爐爐內溫度控制模塊、爐渣熱灼率控制模塊、氧量控制模塊，通過給料速度、爐排速度、燃燒用風量及垃圾層厚度計算等實現了垃圾焚燒爐的自動燃燒控制。將該ACC系統(tǒng)應用于某垃圾焚燒發(fā)電廠，實際運行結果表明，ACC系統(tǒng)能夠實現垃圾焚燒爐穩(wěn)定燃燒，環(huán)保參數無波動，生產指標符合要求。

垃圾焚燒爐；自動燃燒控制；一次風；爐排；垃圾層厚度；控制模塊

隨著國家對環(huán)境保護越來越重視，生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃得到更多的支持[1]。垃圾發(fā)電是一種重要的無害化處理方式。在垃圾發(fā)電廠中焚燒爐控制系統(tǒng)最為關鍵。原有進口垃圾焚燒爐排國產化后，配套的自動燃燒控制（auto combustion control，ACC）系統(tǒng)均以技術保密為由，未對國內用戶開放[2]。國產爐排生產商只能自主研發(fā)ACC系統(tǒng)，目前國內ACC系統(tǒng)大部分僅限于爐排本體的控制，對垃圾熱值的估算主要依靠機組蒸發(fā)量的反算，因而造成控制滯后，對燃燒風、垃圾給料、爐排等未能形成有效的閉環(huán)控制，導致ACC系統(tǒng)投入過程中，出現偏料、空料、風機頻繁動作等問題，所以目前各垃圾發(fā)電廠ACC系統(tǒng)的投入率較低。本文結合現場實際數據，在垃圾層厚度估算中引入經驗值進行修正，不依賴機組蒸發(fā)量進行反算。減少了ACC系統(tǒng)控制的滯后誤差，使ACC系統(tǒng)控制趨于穩(wěn)定，增加了ACC系統(tǒng)投入率。

1 自動燃燒控制系統(tǒng)的設計

ACC系統(tǒng)是針對多變的垃圾成分及不穩(wěn)定的垃圾熱值特點，為從余熱鍋爐取得對應垃圾處理量的穩(wěn)定蒸汽量，而對垃圾焚燒爐的運行工況進行自動燃燒控制。

1.1 系統(tǒng)特點及難點

1）由于國內垃圾成份復雜[3]，無分揀工藝，熱值變化大，這樣導致進入爐內的熱量不斷變化，進而引起鍋爐負荷的頻繁波動。

2）燃燒過程時間長，從垃圾生料到垃圾燃盡出渣需要2~3 h。

3）爐排料層厚度不均勻，爐排共由5段爐排片組成，垃圾自高向低依次下滑，需要經歷干燥段、燃燒段、燃盡段3個燃燒工藝。退料及爐排動作的不同步極易造成偏料、空料情況發(fā)生[4]。

4）燃燒狀況無直接參數確定，只能靠爐排片溫度、風壓及人工檢查相結合的手段來間接判斷。

5）爐排料層厚度的確定無直接的參數。

綜上所述，爐排式垃圾爐的燃燒特性具有多變量、大滯后、參考測點不足的特點。采用其他煤粉爐的控制策略不能取得好的控制效果[5]。

1.2 系統(tǒng)控制策略

ACC系統(tǒng)中主要控制目標為蒸發(fā)量，主要的控制條件為垃圾熱值。在此基礎上，ACC系統(tǒng)涵蓋燃燒助燃風量控制[6]、焚燒爐爐內溫度控制、給料爐排給料速度控制、煙氣含氧量及爐渣熱灼率控制，形成了對整個焚燒爐燃燒爐排的自動控制[7]。在ACC系統(tǒng)中，垃圾情況作為最重要的控制條件卻具有不穩(wěn)定性及不可預知性的特點。所以本文在ACC系統(tǒng)中引入垃圾熱值估算和垃圾層厚度估算的模糊控制。圖1為ACC系統(tǒng)結構。

2 自動燃燒控制系統(tǒng)的實現

ACC系統(tǒng)應對焚燒爐的燃燒系統(tǒng)進行穩(wěn)定控制，避免人為操作不當造成垃圾焚燒爐停爐。因此焚燒爐的燃燒控制目標設定為：維持穩(wěn)定的燃燒、穩(wěn)定的蒸汽流量及爐內的持續(xù)高溫，空氣污染物排放在限值以下，達到熱灼率的設計值。

針對上述控制目標，結合垃圾焚燒爐的燃燒特點，ACC系統(tǒng)由蒸發(fā)量控制模塊、垃圾料層控制模塊、焚燒爐爐內溫度控制模塊、爐渣熱灼率控制模塊、氧量控制模塊5個控制模塊組成，其中整個ACC系統(tǒng)的核心是蒸發(fā)量控制模塊和垃圾料層控制模塊。

圖1 ACC系統(tǒng)結構

2.1 蒸發(fā)量控制模塊

控制系統(tǒng)可根據垃圾入爐的熱值估算值計算目標蒸發(fā)量[8]。在不斷進料燃燒過程中，將蒸發(fā)量的實際值與目標值的偏差作為控制依據，來調節(jié)助燃空氣進氣總量。總助燃空氣量為

式中：為助燃空氣總量；為根據估算垃圾熱值對應的蒸發(fā)量與實際蒸發(fā)量的比值；為蒸發(fā)量實際值；(O2)為煙氣含氧量，一般為6%~10%；為助燃空氣總量的微調預留量；2為漏風及不可預知的風量損失補償。

2.1.1 垃圾熱值估算

根據鍋爐熱平衡原理，垃圾熱值估算基于以下3個公式[9]：

式中，2為燃燒釋放的熱量，1為鍋爐有效利用熱量，為鍋爐熱效率。

式中，為蒸發(fā)量實際值，s為蒸汽實際所含單位熱值。

式中，3為垃圾單位熱值，為垃圾給料量。

根據式(2)—式(4)，可以得到垃圾給料量、垃圾熱值及蒸發(fā)量之間的比例關系。

2.1.2 蒸發(fā)量控制模塊的實現

圖2為蒸發(fā)量控制模塊邏輯關系。

圖2 蒸發(fā)量控制模塊邏輯關系

2.2 垃圾料層控制模塊

由于無直接的參考量或測點可以準確反映各爐排段上的垃圾層厚度，所以垃圾層厚度控制系統(tǒng)根據計算出的干燥段爐排上垃圾層厚度參考值來調節(jié)推料器速度及干燥段爐排的滑動速度，通過這2個速度的調節(jié)來保持干燥段垃圾層厚度的實際值不偏離厚度設定值[10]。同時，正比關系調節(jié)燃燒段爐排的滑動速度及燃盡段爐排的滑動速度，垃圾層厚度參考值計算式為

式中，1為垃圾層厚度參考值，2為一次風壓力，3為爐膛負壓，為爐排片面積，N為一次風密 度，為一次風流量，為一次風溫度，為經驗補償系數。

圖3為垃圾料層控制模塊邏輯關系。

2.3 焚燒爐爐內溫度控制模塊

焚燒爐爐內溫度管理值為850～1 000 ℃。為了抑制二噁英的生成[11]，需保持爐內溫度在850 ℃以上。在焚燒爐垃圾給料和助燃風總體平穩(wěn)的情況下，主要通過控制二次風量來實現溫度控制。

圖3 垃圾料層控制模塊邏輯關系

爐內溫度控制模塊調節(jié)二次風量[12]，以維持爐內溫度在850~1 000 ℃。在此過程中，輔助燃燒器需要同時進行爐內溫度保護控制：爐內溫度低于855 ℃且保持10 min后，啟動輔助燃燒器[13]；爐內溫度高于860 ℃且保持5 min后，停止輔助燃燒器。

2.4 爐渣熱灼率控制模塊

爐渣熱灼率控制模塊通過檢測燃盡段爐排片的溫度和燃盡段垃圾料層厚度，以及運行人員觀察火焰監(jiān)視畫面，調整進入燃盡段的空氣流量，同時輔助調整燃盡段爐排片的滑動速度。當燃盡爐排上有未燃燒垃圾時，燃盡爐排上的溫度將上升，爐渣熱灼率控制模塊將增加進入燃盡爐排的空氣流量，并使燃盡爐排減速以獲得足夠的燃盡時間。

2.5 氧量控制模塊

焚燒爐煙氣中一氧化碳含量與氧量和爐溫密切相關。當風量過低或者二次風量過高使爐溫過低時，都容易產生大量一氧化碳。在二次風量過低時，選擇性非催化還原（SNCR）效率會因為空氣混合不好而降低。如果二次風量過大，造成噴氨處爐溫過低，氨逃逸將增大[14]。

利用氧量的設定值與實際值的偏差，動態(tài)調節(jié)二次風機的變頻動作。利用垃圾熱值估算及進料量作為PID調節(jié)的前饋，這樣可以最大程度消除氧量的上下波動[15]，使垃圾焚燒爐的環(huán)保指標穩(wěn)定。

3 應用實例

某垃圾焚燒發(fā)電廠配備2×400 t/d垃圾焚燒爐，年處理垃圾量29.2萬t，配置1×15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機組，機組滿負荷蒸發(fā)量為39 t/h。焚燒爐爐排為國產化廠家成套供貨。在投運過程中，焚燒爐系統(tǒng)多處于手動運行，給料爐排滑動速度以手動給定為主，爐排處以投入功能組并通過調整動作次數及等待時間的方式運行，一次、二次風機頻率以手動給定為主[16]。

3.1 ACC系統(tǒng)投入前運行情況

ACC系統(tǒng)投入前，機組的運行工況不穩(wěn)定：煙氣溫度變化較快，鍋爐蒸發(fā)量變化大，煙氣排放指標變化大，操作人員工作強度大。圖4為ACC系統(tǒng)投入前機組實際蒸發(fā)量變化趨勢。

圖4 ACC系統(tǒng)投入前機組實際蒸發(fā)量變化趨勢

在12 h的運行中，機組蒸發(fā)量的變化非常大，最小值與最大值相差達到21.6 t/h，最大振幅比達到了40%左右。

3.2 ACC系統(tǒng)投入后運行情況

圖5為ACC系統(tǒng)投入后機組蒸發(fā)量變化趨勢。在ACC系統(tǒng)投入后12 h，機組蒸發(fā)量變動幅度變小。實際運行中還進行了多次變負荷試驗，經過統(tǒng)計蒸發(fā)量設定平均值為34.2 t/h，蒸發(fā)量的實際平均值為33.6 t/h。由圖5可見，ACC系統(tǒng)很好地實現了對蒸發(fā)量的穩(wěn)定控制。

圖5 ACC系統(tǒng)投入后機組蒸發(fā)量變化趨勢

圖6為ACC系統(tǒng)投入后垃圾料層控制變化趨勢，在運行過程中進行了多次變值試驗，垃圾料層厚度實際平均值為221，垃圾料層厚度的設定平均值為222。由圖6可見，實現了對垃圾料層的穩(wěn)定控制。

圖6 ACC系統(tǒng)投入后垃圾料層控制變化趨勢

圖7為垃圾厚度估算值與蒸發(fā)量的變化趨勢，在主燃燒區(qū)的3、4段爐排垃圾厚度基本符合機組蒸發(fā)量的變化情況，驗證了垃圾厚度計算的準確性。

圖7 垃圾厚度估算值與蒸發(fā)量的變化趨勢

4 結 語

ACC系統(tǒng)在垃圾焚燒爐的穩(wěn)定運行中起到了重要的作用，尤其是國內垃圾分類不好、垃圾含水量大、鍋爐蒸發(fā)量波動大的情況下，更能發(fā)揮出其優(yōu)勢。同時現有的ACC系統(tǒng)仍有很大的改進空間，如在垃圾池的發(fā)酵管理及爐排垃圾燃燒等方面，目前還很大程度上依賴人工判斷，這也造成了自動燃燒控制系統(tǒng)不能做到長期全工況無人值守。為了控制運營成本，提高垃圾焚燒發(fā)電廠的經濟效益，應進一步加強對焚燒爐ACC系統(tǒng)的研究。

［1］ 敖朝華, 鄧薪莉, 郭兵. 垃圾焚燒爐燃燒過程的優(yōu)化控制策略[J]. 環(huán)境工程, 2010, 28(1): 77.AO Zhaohua, DENG Xinli, GUO Bing. Optimizing control strategy of combustion process for rubbish incinerator[J]. Environmental Engineering, 2010, 28(1): 77.

［2］ 劉華, 許曉龍, 李宏宇. 城市生活垃圾焚燒處理技術及其應用[J]. 可再生能源, 2003(2): 23-24. LIU Hua, XU Xiaolong, LI Hongyu. Incineration disposal technique and its application for municipal life refuse[J]. Renewable Energy Resources, 2003(2): 23-24.

［3］ 趙巧榮. 垃圾焚燒發(fā)電廠自動燃燒控制方案應用研究[J].中國科技縱橫, 2014(10): 57-58. ZHAO Qiaorong. Application research of automatic combustion control scheme in refuse incineration power plant[J]. China Science & Technology, 2014(10): 57-58.

［4］ 賈勛慧. 爐排式垃圾焚燒爐ACC自動燃燒技術[J]. 電站信息, 2012(10): 35-36. JIA Xunhui. ACC automatic combustion technology for grate refuse incinerator[J]. Power Station Information, 2012(10): 35-36.

［5］ 陳亮, 俞海斌, 金建祥. 引進的600 t/d垃圾焚燒爐DCS系統(tǒng)及其控制方案[J]. 熱力發(fā)電, 2006, 35(2): 37-38.CHEN Liang, YU Haibin, JIN Jianxiang. DCS system of imported 600 t/d incinerator and its control scheme[J]. Thermal Power Generation, 2006, 35(2): 37-38.

［6］ 曾衛(wèi)東, 薛憲民, 薛景杰. 爐排爐垃圾焚燒控制特點[J]. 熱力發(fā)電, 2004, 33(12): 57-58. ZENG Weidong, XUE Xianmin, XUE Jingjie. Control characteristics of refuse incineration in grate[J]. Thermal Power Generation, 2004, 33(12): 57-58.

［7］ 曾衛(wèi)東, 姜茵. 垃圾焚燒發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)的設計和應用[J]. 熱力發(fā)電, 2003, 32(8): 57-58. ZENG Weidong, JIANG Yin. Design and application of decentralized control system for refuse incineration power plant[J]. Thermal Power Generation, 2003, 32(8): 57-58.

［8］ 孫曉軍, 肖正, 王志強. 生活垃圾焚燒廠自動燃燒控制系統(tǒng)的原理與應用[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2009, 17(4): 20-23.SUN Xiaojun, XIAO Zheng, WANG Zhiqiang. Principles and application of automatic combustion control system in domestic waste incineration plants[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2009, 17(4): 20-23.

［9］ 朱亮, 陳濤, 王建生. 自動燃燒控制系統(tǒng)(ACC)垃圾熱值估算模型研究[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2015, 23(6): 33-35. ZHU Liang, CHEN Tao, WANG Jiansheng. Estimation model of waste heat value under automatic combustion control system (ACC)[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2015, 23(6): 33-35.

［10］ 孫應淳, 陳楊. 垃圾焚燒的優(yōu)化自動控制[J]. 自動化與儀器儀表, 2012(23): 121-122. SUN Yingchun, CHEN Yang. Optimal automatic control of waste incineration[J]. Automation and Instrumentation, 2012(23): 121-122.

［11］ 黃蔚文, 蔡培. 機械式爐排垃圾焚燒爐的應用[J]. 熱力發(fā)電, 2009, 38(6): 49-51. HUANG Weiwen, CAI Pei. Application analysis of mechanical grate waste incinerators[J]. Thermal Power Generation, 2009, 38(6): 49-51.

［12］ 白建云, 白正剛. 垃圾焚燒爐爐排自動控制策略研究[J].熱力發(fā)電, 2008, 37(1): 109-113. BAI Jianyun, BAI Zhenggang. Research on automatic control strategy of refuse incinerator grate[J]. Thermal Power Generation, 2008, 37(1): 109-113.

［13］ 白良成. 生活垃圾焚燒處理工程技術[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2009: 124-125. BAI Liangcheng. Engineering technology of municipal solid waste incineration[J]. Beijing: Chemical Industry Press, 2009: 124-125.

［14］ 李彥富. 生活垃圾焚燒爐技術探析[J]. 城市管理與科技, 2007(2): 47-48. LI Yanfu. Technology analysis of municipal solid waste incinerator[J]. Urban Management and Science & Technology, 2007(2): 47-48.

［15］ 徐海云. 生活垃圾焚燒爐技術發(fā)展分析[J]. 中國環(huán)保產業(yè), 2010, 90(10): 10-15.XU Haiyun. Analysis on technical development of domestic garbage incinerator[J]. China Environmental Protection Industry, 2010, 90(10): 10-15.

［16］ 胡寶, 張文, 李先彬. 智能變電站嵌入式平臺測試系統(tǒng)設計及應用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(10): 129-133. HU Bao, ZHANG Wen, LI Xianbin. Design and application of intelligent substation embedded platform test system[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(10): 129-133.

Design and implementation of ACC system for waste incinerator

ZENG Weidong, TIAN Shuang, YUAN Yahui, CHANG Weiwu

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Due to the complex composition and unstable calorific value of solid waste, the waste incinerator's combustion control has long lag time, which leads to manual operation of the incinerator combustion system in many places. To solve this problem, this paper proposes an automatic combustion control (ACC) system suitable for the operation of waste incinerator, which includes evaporation control module, rubbish material layer control module, incinerator temperature control module, slag burning rate control module and oxygen content control module. The automatic combustion control of the waste incinerator is realized by calculating the feeding speed, grate speed, air volume for combustion and the thickness of rubbish layer. Moreover, application of the ACC system in a waste incineration power plant shows that, the waste incinerator can achieve stable combustion, the environmental protection parameters have no fluctuation, and the production indexes meet the requirements.

waste incinerator, automatic combustion control, primary air, grate, waste layer thickness, control module

TP273

B

10.19666/j.rlfd.201809182

曾衛(wèi)東, 田爽, 袁亞輝, 等. 垃圾焚燒爐自動燃燒控制系統(tǒng)設計與實現[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 109-113. ZENG Weidong, TIAN Shuang, YUAN Yahui, et al. Design and implementation of ACC system for waste incinerator[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 109-113.

2018-09-30

曾衛(wèi)東(1976—)，男，高級工程師，主要研究方向為大型火電機組自動化及智能化技術，zengweidong@tpri.com.cn。

（責任編輯 杜亞勤）