危險廢物焚燒處置工程自控儀表設計

王 沖

(中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031)

1 引言

隨著工業化進程的推進，產生的危險廢物的種類和數量不斷增多，若不合理處置將嚴重影響生態環境及人員健康。目前比較普遍的危險廢物包括了醫療廢物、農藥廢物、化工廢物等，焚燒是處置危險廢物的其中一個手段。經過多年的發展，國內焚燒處置工程的自動化要求越來越高，在焚燒效率、能源管理、環保排放等方面都提出了新的要求，因此，成熟、可靠、先進的自動化控制系統的需求越來越高。

2 通用設計規定

自控儀表系統主要包括了控制系統、現場儀表及自控閥等終端設備、保證終端設備運行的氣源及電源以及終端設備和控制系統之間的電纜聯絡等。工程設計中自控儀表專業主要包括了帶檢測與控制點的工藝流程圖(P&ID)、現場儀表及自控閥的選型、控制系統的配置及布置、控制電纜、供電電纜、儀表氣源的設計等。

工程設計涉及的廠家和人員比較繁雜，在設計初期應擬定設計的主要原則以便各供應商遵照執行。以某工業園區的危險廢物焚燒處置工程的自控儀表設計來說，初期至少應做以下定義：

2.1 設計范圍

應在P&ID中做出明確的設計分界，并制定相應的設計范圍說明文本，以便做好各系統進出口的銜接，避免重復或錯漏。

2.2 接口標準

自控儀表設計涉及很多標準定義，以統一不同供應商提供的設備，達到工程內部標準化的要求，主要包括：

工藝過程接口：一般現場儀表及閥門的連接方式主要為法蘭式、螺紋式、焊接式。該項目的法蘭參照化工標準中EN系列的法蘭標準，密封面為RF型式，其壓力等級采用PN表示[1]；螺紋采用了英制管螺紋(55度)中的圓錐R螺紋；高溫高壓的介質的工藝過程接口采用焊接。

電氣接口：即電纜口的標準一般包括了M、G、NPT螺紋等。該項目統一采用米制管螺紋(60度)，即M螺紋，一般變送器的接口為M20×1.5，部分電動閥的接口采用M25×1.5。

氣源接口：通過12路氣源分配器對氣動控制閥供氣。氣源分配器至氣動閥采用硬管輸送，在靠近閥門1米處轉為軟管，閥門對外的氣源接口統一采用φ8的快插接頭。

通訊接口：各控制系統間采用Profuibus-DP通訊方式，各系統配置Profibus-DP接口，通過DP通訊電纜或光纖連接。

2.3 材料標準

自控儀表設計涉及的儀表安裝材料主要包括了儀表引壓管、儀表氣源管、電纜材料、儀表手閥及管接頭、電纜橋架等。

考慮該項目產生的煙氣可能存在酸性腐蝕，選用316不銹鋼，φ14×2的引壓管，螺紋/焊接連接；配備DN10的針型閥作為儀表取樣閥及排污閥，高溫高壓一次閥采用焊接式，其余采用螺紋連接。

儀表壓縮空氣經過空壓站房的脫油、干燥處理后相對潔凈，硬管統一選用φ10×2的304不銹鋼管，卡套接頭連接，軟管采用φ8x1的尼龍管。

控制電纜統一采用帶護套的阻燃銅芯電纜，模擬量采用1.0mm2的計算機屏蔽電纜，數字量采用1.5mm2的屏蔽控制電纜，儀表供電電纜采用不小于1.5mm2的非屏蔽控制電纜，通訊連接電纜采用Profibus-DP通訊電纜或光纖。

儀表橋架及電纜保護管選用熱鍍鋅鋼材質，橋架采用100mm高的槽式橋架，寬度根據電纜填充率(30%～40%)計算；電纜保護管選用DN20及DN32規格。

除以上這些通用的基本設計原則外，還需定義統一的圖紙標準、盤柜標準、儀表選型標準等。

3 儀表選型設計

該項目處理的危險廢物主要包括固體廢物及液體廢物，采用回轉窯加二燃室的燃燒方式。較大的固體廢物需在預處理工段破碎后儲存在料坑，通過抓斗投料進入回轉窯，再至二燃室燃燒；液體廢物儲存在廢液罐中，經過濾后泵送至焚燒車間，其中低熱值的廢液噴入回轉窯，高熱值的廢液噴入二燃室。

二燃室出口的高溫煙氣進入余熱鍋爐利用，鍋爐出口的煙氣再經急冷、脫酸、除塵等煙氣處理達到環保要求后至輸送至煙囪排放[2]。

該項目危險廢物處置的簡要流程如圖1所示。

圖1 危險廢物焚燒處置流程

以焚燒系統為例，危險廢物進入回轉窯后，經干燥、熱解、焚燒后，殘渣從窯尾排出至冷渣機，其余未完全燃燒的隨煙氣進入二燃室中繼續燃燒后進入余熱鍋爐利用。該系統中涉及的現場儀表主要包括了溫度、壓力、物位、流量、分析儀表等。

3.1 溫度儀表

溫度測點主要位于回轉窯窯頭、窯尾、二燃室、余熱鍋爐、除氧器等設備本體以及煙風道、鍋爐給水管道等。

一般溫度在300℃以上的測點選用K型熱電偶，其中溫度長期超過1000度的測點選用S型熱電偶，300℃以下的測點選用Pt100鉑熱電阻。

設備本體的溫度測點采用法蘭連接方式，如回轉窯、二燃室、余熱鍋爐等；煙氣、風、低壓液體等管道上的溫度測點采用螺紋連接；高溫高壓的溫度測點采用焊接，如主蒸汽等。

煙氣中的有毒物質須在高溫下完全燃盡，因此規范要求二次燃燒室焚燒溫度應大于1100℃，停留時間不低于2s，以保證二惡英等被完全分解[3]。該項目二燃室溫度控制在1100～1200℃，采用S型熱電偶測量；而回轉窯的高溫區溫度控制在850～1000℃，余熱鍋爐出口溫度約550℃，采用K型熱電偶測量；急冷后的煙氣溫度已降低，可采用熱電阻測量。

廢物須經高溫燃燒以摧毀有毒物，當窯內溫度過低時，應停止進料。

考慮到煙氣的酸腐蝕性，測溫元件配備316L材質的保護管。

3.2 壓力儀表

壓力測點主要位于窯頭、窯尾、二燃室、余熱鍋爐等設備及煙風道等，焚燒系統為負壓狀態，選用引壓管式的差壓變送器測量，其中一端通大氣。

回轉窯出口的壓力約-30～-100Pa,由引風機控制，引風機采用變頻風機，降低引風機的頻率將導致焚燒系統負壓減小，同時會降低煙氣的流速，增加燃燒物的停留時間。對于水等清潔無腐蝕的液體或蒸汽采用引壓管式的壓力變送器測量，如鍋爐給水、冷凝水、主蒸汽、除氧器等。

壓力變送器接液部分的材質選用316L。

3.3 物位儀表

一般液體介質的物位采用法蘭式靜壓壓力(差壓)變送器進行測量，如水箱水位等；對汽液混合的采用平衡容器或電接點液位計，如汽包液位、除氧器液位等；對于進料溜槽、加料儲罐等設備，選用雷達物位計測量。

對于汽包液位等易產生虛假液位的情況，也可采用磁致伸縮液位變送器結合其它液位測量比對。

就地物位選用磁翻板物位計便于觀察。

3.4 流量儀表

對于蒸汽、燃油等壓力較高的介質采用平衡流量計測量，可耐沖刷，同時可縮短測量直管道要求；低壓介質可選用孔板流量計等。

對于廢液罐區泵送的液體廢物計量，選用電磁流量計、質量流量計等。

風管及煙風道由于尺寸比較大，布置時直管段長度較短；其空氣及煙氣流量的測量采用巴類風量計測量，以減少直管道要求，提高測量精度。

3.5 分析儀表

在二燃室出口及余熱鍋爐出口設置氧量分析儀表，以監測過程中煙氣的含氧量，并及時調整?？諝庥勺冾l風機輸送至回轉窯和二燃室，保證燃燒所需的充足氧氣。當二燃室內的含氧量太低時，應提高風機的頻率，反之，降低風機頻率；二燃室出口煙氣的含氧量一般控制在8%～12%。

選用在線煙氣檢測系統(CEMS)對鍋爐排放的煙氣參數進行專項檢測，應能監測煙氣流量、溫度、壓力、濕度、氧濃度、煙塵、氯化氫、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫，并將相關參數上傳至環保局[4]。

3.6 自控閥

調節閥門、開關閥門采用氣動執行機構，根據工藝流程中閥門故障狀態的要求選擇彈簧開啟、彈簧關閉或雙作用的形式，如除氧器加熱蒸汽的入口管閥門，應選擇故障時彈簧關閉，以切斷蒸汽的不斷流入，防止事故。

開關風門、調節風門采用電動執行機構，380V交流電源供電。電動執行機構根據情況選擇與風門一體式，或選用分體式，由球星鉸鏈連接。

根據工藝介質的特性和管道的材質選擇適用的閥門形式、材質。低壓的常溫水等液體介質，在DN100以上管道時可選用蝶閥，小口徑的可選用球閥或截止閥，閥芯一般為不銹鋼材質，閥體可與工藝管道材質相同。蒸汽或高壓水等介質可選用套筒調節閥，配氣動執行機構，根據不同溫度壓力選擇合金鋼等材質。

現場儀表變送器統一選用智能式，支持HART協議，便于調試管理。防護等級應保證能在使用環境和工況下長期可靠運行，一般來說，室外的現場儀表防護等級不應低于IP66。位于爆炸危險場所的現場儀表及自控閥選用與爆炸危險等級相對應的防爆儀表，如點火柴油罐區、廢液罐區等[5]。

所有溫度、壓力、物位、流量等變送器儀表具有標準的4～20mA信號，變送器采用二線制，通過DCS的I/O系統向變送器供電。

4 控制系統配置

該項目采用機爐電集中控制方式，在焚燒車間設一體化的集中控制室，配備操作員站、值長站、歷史站、工程師站等，對焚燒爐、汽輪發電機組、除氧給水等系統進行操作和監視。電子設備間緊鄰集中控制室，室內布置控制機柜、電源柜等設備，兩個房間均設300mm高的防靜電活動地板便于安裝及布線。

圖2 全廠控制系統架構圖

該項目主系統采用集散控制系統(DCS)，用于主要工藝生產過程如焚燒系統等的監視和控制。DCS采用全冗余配置，其網絡采用工業以太網，并預留有與全廠MIS系統的接口以及對其它各系統的通訊接口。

各相對獨立的子系統，如急冷系統、除塵系統、脫酸系統等采用可編程邏輯控制器(PLC)，布置在現場或其它單體的分控制室中，PLC與DCS之間采用Profibus-DP連接，構成一個完整的全廠控制系統，如圖2所示。

在集中控制室內配備必要的后備監視儀表和緊急后備操作手段，當DCS發生全局性或重大故障時保證機組緊急安全停機。

對焚燒系統的重要環節設置工業電視監控系統，如汽包水位、料坑、進料斗、輸送帶、固廢儲存區、廢液罐區、煙囪排放等，畫面可同時顯示在DCS系統的大屏幕中，與生產比對，隨時監控。

5 結束語

對于此類危險廢物焚燒處置項目，自控系統就如同其神經網絡，對維持整個工廠的良好運行起著至關重要的作用。自控系統中每一個環節的設計都將影響整個系統的穩定性和安全性，必須加以重視，不斷優化，以期形成更合理、更經濟、更高效的自控儀表系統，為將來的智能化工廠打下良好的基礎。