超大型污泥干化焚燒工程自控系統設計要點與實現

李翊君

(上海市政工程設計研究總院(集團) 有限公司，上海 200092)

0 引言

2015年國務院頒布實施《水污染防治行動計劃》[1](即“水十條”)后，城鎮污水處理設施建設加速發展，城鎮污水處理廠污泥產量高速增長，污泥的安全處理問題日益嚴峻[2]。“水十條”明確指出:“污水處理設施產生的污泥應進行穩定化、無害化和資源化處理處置。”[1]污泥經干化后單獨焚燒的處理工藝因其減量化、無害化和穩定化較為徹底的優點而逐漸被國內接受和推廣[3]，呈現出快速發展的勢頭。然而，從技術發展階段和成熟度方面來看，污泥干化焚燒技術在我國尚處于工程示范階段，國內尚未形成成熟、可靠的設計和運行依據[2]及標準。2018年3月開工建設的上海市白龍港污泥處理二期工程(以下簡稱“該工程”)位于浦東新區白龍港污水處理廠內，處理規模為2 430 t/d(含水率80%，折合486 tDS/d)，規模之大在全球屈指可數。本文以該工程為實例，借鑒國外經驗，結合國內實際，圍繞工程特點，分析了超大型污泥干化焚燒工程自控系統的設計要點，闡述了具體的實現方案，總結了設計經驗。

1污泥干化焚燒工藝概況

1.1 總體工藝

國內外廣泛采用的污泥干化焚燒工藝流程主要包括污泥儲存與輸送、污泥預處理(脫水和干化)、污泥焚燒、余熱利用、煙氣凈化、飛灰收集和儲存、公共輔助(公輔)系統等。在上述組成單元的協同運行下，污泥經脫水和干化后進入流化床焚燒爐。燃燒后的飛灰在焚燒煙氣的攜帶下從焚燒爐上部排出。高溫焚燒煙氣中的熱量經余熱鍋爐回收，一部分用于前端的污泥預處理，經換熱的煙氣進入煙氣凈化系統[2]，凈化后通過煙囪排放。

該工程污泥干化焚燒總體工藝流程如圖1所示。

圖1 污泥干化焚燒總體工藝流程圖

1.2 污泥干化系統工藝

該工程采用流化床干化工藝。其干化熱源為1.6 MPa、220 ℃左右的飽和蒸汽，單臺干化機蒸發水的能力為9 600 kg/h。設計進泥含水率為80%，出泥含水率10%。流化床干化系統工藝流程如圖2所示[4]。

圖2 流化床干化系統工藝流程圖

1.3 污泥焚燒系統工藝

該工程采用鼓泡流化床焚燒工藝。其單線處理量為75.2 tDS/d(一般工況下)，污泥干基高位熱值為10.37～18.34 MJ/kg，焚燒爐設計運行溫度大于等于850 ℃，爐內煙氣有效停留時間大于2 s。鼓泡流化床焚燒系統工藝流程如圖3所示[4]。

圖3 鼓泡流化床焚燒系統工藝流程圖

2 自控系統設計要點

污泥干化焚燒工藝流程與市政污水處理工藝流程以及垃圾等固廢焚燒處理工藝流程有部分相似之處，也有諸多不同之處。因此，其自控系統的設計應借鑒國外經驗，并參考國內近似工程設計標準，重點圍繞這些方面進行分析研究。污泥干化焚燒工程自控系統設計要點如下。

2.1 車間分散化選址、集約化布置

為實現“泥水協同”的整體同步處理，同時便于噪音、臭氣等的集中、有效處理，以最大程度地減少污泥處理對環境的負面影響，污泥干化焚燒工程的理想選址是在污水處理廠內，充分利用廠內未建設用地。由于用地受限，各處理車間的分布往往相對分散且布置緊湊。該工程選址在白龍港污水處理廠內的2個獨立地塊，采用高度集約化的車間設計方案，布置了3套干化焚燒處理單元。每套干化焚燒處理單元由3臺干化機、2條焚燒處理線以及1組公輔系統(包含熱蒸汽供應、壓縮空氣和氮氣供應、冷卻塔、廢水和熱蒸汽排放系統等)組成。其中，01地塊干化焚燒車間內布置1套，02地塊干化焚燒車間內布置2套。因此，自控系統設計需統籌考慮各車間的集中調度、協同監控、車間內各功能控制室的工作環境及巡視便利性等諸多因素。

2.2 “泥水協同”統一運管、協同調度

“泥水協同”不僅體現在選址和平面布置上，更體現在污水處理和污泥處理的統一運管和協同調度上。對于超大型污泥干化焚燒工程而言：對內需調度優化多條干化焚燒產線，某些情況還包括現狀泥處理設施；對外需協同滿足多個污水處理車間(甚至多個污水廠)的生產需求。因此，自控系統架構設計需考慮設置相應的調度層級，確保車間生產運行數據向調度層級的上傳及處理，以完成車間數據的匯聚處理及調度決策，實現高效的協同調度和統一運維管理。

2.3 干化系統的調節控制

干化系統的處理產能需根據污水處理的生產情況不斷調整，并且需接收來自多個水處理車間的含水率不同且波動的脫水污泥。在上述要求下，干化系統的調節控制要能夠保證出泥含水率合格且穩定，并按需調節干化機的處理能力，同時兼顧干化機的效率。不同干化系統的調節控制需根據干化機工藝特性的不同，選擇可靠、穩定且便于實現的方式。

2.4 干化系統的安全保護

在污泥干化過程中，需要輸入大量的熱量以完成污泥的烘干。干化污泥是一種固體燃料，其性質與褐煤接近。干化機中產生的干化污泥可燃粉塵與空氣混合后有爆炸風險。因此，除了采取維持干化機低氧惰性環境、減少干化污泥粉塵的產生等措施外，還需設置相應的安全檢測儀表和保護聯鎖控制，確保干化系統的安全。

2.5 干化污泥存儲中的安全保護

干化污泥作為一種固體燃料，在存儲過程中不僅有粉塵爆炸風險，而且長期與環境空氣接觸，存在自燃風險。除了從干化機引來貧氧氣體充盈存儲倉、防止環境空氣進入等措施外，還需設置相應的安全檢測儀表和保護聯鎖控制，確保干化污泥在存儲過程中的安全。

2.6 焚燒系統的控制及保護

城鎮污水污泥焚燒的工藝流程與火力發電相似，應用較廣泛的是流化床工藝，分為鼓泡流化床及循環流化床。循環流化床的優勢僅在于50 MW以上的大型熱電廠或高熱值燃料，因此較少用于污泥焚燒。污泥焚燒爐的單機容量普遍較小，例如該工程的焚燒爐單機處理能力可達到100 tDS/d，為國內最大，但其單機蒸發量也僅為20 t/h，熱功率相當于15 MW。因此，污泥焚燒系統大多采用鼓泡流化床，其控制及保護設計可參考小型火力發電廠相關規范。結合鍋爐制造商關于此類小容量鍋爐的制造維護經驗，采用安全、可靠且經濟的控制及保護方案。

3 自控系統設計實現

3.1 自控系統總體架構設計

該工程位于白龍港污水廠內，污水處理能力為280×104t/d，由多條污水處理產線組成。該工程污泥處理系統建成后需與污水處理統一運管、協同調度，即“泥水協同”。結合廠區現狀自控系統的情況，“泥水協同”的全廠自控系統架構由5級組成，分別為：全廠管理調度級、車間組集中調度監控級、車間監控級、現場控制級、檢測執行級。“泥水協同”的全廠自控系統架構如圖4所示。

圖4 “泥水協同”的全廠自控系統架構

污泥處理集中調度監控中心負責對全廠污泥處理進行統一調度及監控，具體流程為：①對污泥區各干化焚燒車間以及一期現狀污泥處理車間的實時生產信息進行集中采集，對數據處理后將其上傳至全廠管理調度中心，通過全廠管理調度中心與協同生產的污水處理產線或其他污水廠進行信息交互；②接收全廠管理調度中心下達的調度指令，綜合各污泥車間生產信息進行分析，形成污泥運行調度方案并下達，以實現“泥水協同”和各干化焚燒車間的集中調度。此外，污泥處理集中調度監控中心還可以通過不同的操作權限，實現對各車間的實時集中監控[5-7]。

3.2 處理單元自控系統拓撲設計

該工程承擔著上海市超過三分之一的污泥處理任務，建成后如果不能穩定、連續運行，將對上海市的生態環境造成重大的危害。為了實現運行的高可靠性及高可用性，該工程的3套處理單元之間設計為可以相互獨立運行。因此，各處理單元的自控系統也是相互獨立且完全相同的。以下將以1單元為例進行說明。干化焚燒處理1單元自控系統拓撲如圖5所示。

圖5 干化焚燒處理1單元自控系統拓撲圖

車間監控級設置4臺操作員站，正常工作時被用于某特定工藝段的操作。實質上這4臺操作員站是對等的、互為備用的。車間監控級設置2臺互為備用的監視控制與數據采集系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)服務器和1臺歷史數據服務器。3套處理單元的車間監控級A網、B網均通過光纜匯聚至污泥處理集中調度監控中心。在調度監控中心使用路由器完成A網、B網之間的互通。因此，該設計在保證安全的前提下，實現了3套處理單元的操作員站在車間監控級均互為備用，極大地提升了日后運維管理的靈活度和便利性。

現場控制級設置7套現場控制站，分別負責3臺干化機、2條焚燒線、1套干化公輔系統以及1套焚燒公輔系統。每套現場控制站均采用冗余架構的SIMATIC S7 F/FH系列可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)。考慮到焚燒系統安全保護的特殊重要程度，焚燒系統相關的控制器選用安全型。現場控制級網絡采用雙網冗余，干化焚燒車間集約化程度高，各網絡節點相對集中，因此D網和C網物理拓撲均為星形結構。

在檢測執行級根據設備的分布情況設置若干遠程I/O柜，檢測執行級現場總線網絡采用冗余的Profibus網絡[5-6,8]。

3.3 各級控制室設計

污泥處理集中調度監控中心設置在交通便利的、位于兩個地塊中間的獨立管理辦公用房內。該中心除具有集中調度監控功能外，也是該工程接待參觀學習和對外展示的窗口，工作環境友好。

車間監控室設置于干化段與焚燒段之間、標高居中的區域。該位置具備以下優點。

①遠離干化段前部污泥臭氣較大的區域，以及焚燒段下部灰輸送裝置粉塵較大的區域。

②工作環境較好；位于車間居中的位置，便于運維人員對整個車間的巡檢。

02地塊干化焚燒車間平面布置如圖6所示。

圖6 02地塊干化焚燒車間平面布置圖

PLC現場控制站是各種控制機柜的集中地，有大量與現場連接的電纜。為節省電纜、減少沿線干擾及方便安裝維護，其位置應盡量靠近設備集中區域。此外，鑒于干化焚燒車間環境較惡劣(臭氣、粉塵等)，需設置較多通風、除臭設施才能創造良好的局部環境，因此車間內的PLC現場控制站宜集中布置。綜上可知，車間內PLC現場控制站設置于干化處理區與焚燒處理區之間的集中區域。

隨著運行經驗的積累、車間自動化水平的進步，未來干化焚燒車間的連續無故障運行能力將逐步加強、運維巡檢工作強度將逐步降低。可以預見，在不久的將來，只需極少量的就地運維巡檢工作，就可實現長期連續、穩定的運行。屆時，污泥處理集中調度監控中心將成為污泥處理區域唯一需有人員值守的控制室。

3.4 干化系統調節控制設計

該工程流化床干化機內充滿干污泥顆粒且處于流化狀態，進入干化機的濕污泥和干污泥顆粒在流化狀態下充分混合。由于床內一定的物料停留時間和足夠的熱容量，保證了干燥的均勻性，只要控制床溫保持在85 ℃,即可實現穩定的干燥曲線，確保干化出泥含水率穩定在10%。因此，出泥含水率的控制可以簡單地通過控制床溫實現，無需在干化機干污泥出口進行污泥含水率測量[9]。

①干化出泥含水率調節(床溫調節)。

當蒸汽(干化熱量)輸入恒定時，若濕污泥進料速度或含水率發生波動，那么流化床溫將發生變化。因此，通過調節濕污泥進料泵頻率來改變進料速度，即可實現對床溫的調節。床內的物料具有一定的停留時間和足夠的熱容量，直接測量到的床溫對進料改變的響應較慢，而干化機循環載氣出口的載氣溫度對改變的進料條件響應最快。因此，該工程將出口載氣溫度作為被控制量，對干化機的進料泵速度進行反饋調節，使出口載氣溫度穩定在82 ℃，即可將床溫控制在85 ℃。

②干化處理能力調節(蒸汽輸入量調節)。

上述出泥含水率的穩定調節，是基于蒸汽(干化熱量)輸入恒定時對干化機的進泥量進行微調來實現的。因此，如果需主動大幅度調節干化處理能力，則應根據所需處理量計算干化機所需的蒸汽量，并據此調節以保持干化機輸入蒸汽量恒定，從而在調節干化處理能力的同時，保持出泥含水率穩定。該工程干化機所需蒸汽量與干化機處理能力的計算關系如下：

(1)

該工程在干化蒸汽進氣調節閥門前裝設蒸汽流量計，通過該蒸汽流量計的實時測量值與所需蒸汽量的差值，控制蒸汽進氣調節閥門開度，從而調節干化機輸入蒸汽量至所需蒸汽量(設定值)。

需特別說明的是，當干化機工作在額定負載時，只需保證干化蒸汽入口壓力穩定在額定值，即可滿足蒸汽輸入調節的需求。由于壓力測量比流量測量更為可靠，在此工況下，蒸汽進氣調節閥門應通過蒸汽入口壓力來控制，保證干化蒸汽入口壓力穩定在額定值即可。此時，干化機效率最高。基于上述原因，在生產調度時，需合理分配各干化機負載，使得盡量多的干化機工作在高效的額定負載工況。

3.5 干化系統安全保護設計

維持干化機內部貧氧惰性環境和避免流化床內部過熱，是保障干化系統安全的主要方法。除了在工藝設計上需盡量保持干化機密封和防止產生局部高溫的物理措施外，該工程還設置了干化機循環載氣氧含量保護和流化床溫度保護。

①干化機循環載氣氧含量保護。

由于在干化機循環載氣入口處的載氣溫度最低，且能較好地指示干化機內部的氧含量，該工程在干化機循環載氣的入口處管路設置1臺氧含量分析儀。當監測到氧含量超過4% VOL時，聯動打開干化機充氮管路閥門，向干化機內充入氮氣，直至氧含量降至4% VOL以下；當監測到氧含量超過6% VOL時，則觸發安全停機保護。

②流化床溫度保護。

為了全面地檢測流化床的溫度，避免發生局部過熱的情況，在流化床換熱器的上方和下方各設置3臺溫度變送器測量流化床溫度，再加上1臺測量干化機循環載氣出口溫度的溫度變送器。這7臺溫度變送器均用于流化床溫度保護，其中任何1臺變送器溫度檢測值超過110 ℃即觸發安全停機保護。

③其他保護。

除上述2個主保護措施外，上述1個氧含量分析儀和7個溫度變送器的故障信號也會觸發安全停機保護。此外，冷凝水泵故障、冷凝器及除霧器內部液位高報警、風機故障還會觸發意外停機保護。

3.6 干化污泥存儲安全保護設計

該工程在干化污泥存儲料倉(簡稱干泥料倉)設置以下安全保護，以避免粉塵爆炸風險和自燃風險。

①從干化機引來的貧氧惰性氣體被不斷地充入干污泥料倉,并使得倉內壓力保持在略高于外界100 Pa以上。在這種情況下，環境空氣無法進入料倉，保證了料倉內的貧氧惰性環境。為確保上述條件，每個料倉設置1臺壓力變送器以檢測倉內壓力，當壓力差小于100 Pa時觸發安全保護。

②倉內溫度和CO濃度的上升都是污泥自燃發生的早期特征。因此，在干化污泥料倉3個不同高度上裝設溫度變送器，對存儲的干污泥溫度進行連續監測；在料倉設置CO濃度檢測儀，連續監測料倉內的CO濃度。當出現超溫或CO濃度超標時，觸發安全保護。

3.7 焚燒系統調節控制及安全保護設計

該工程焚燒系統調節控制包括爐膛溫度控制、爐膛壓力控制、床壓(床高)控制、床溫控制、煙氣氧含量控制、汽包水位控制、主蒸汽溫度控制、主蒸汽壓力控制等。

該工程焚燒系統的安全保護由鍋爐保護系統(boiler protection system,BPS)和燃燒器管理系統(burner management system,BMS)實現。鍋爐保護安全停機觸發條件包括汽包水位過高/過低、主蒸汽溫度過高、爐膛壓力過高/過低、爐膛溫度過高/過低、床溫過高/過低、引風機跳閘、流化風機跳閘、流化風量過低、二次風機跳閘、固體給料系統跳閘、儀表氣壓力過低、系統電源消失、急停按鈕按下等。除上述保護之外，BPS/BMS還包含鍋爐吹掃、火焰檢測及滅火保護、燃氣燃燒器聯鎖保護等相關保護。

安全保護系統的控制器硬件一般會被建議獨立設置，即物理上采用完全獨立的硬件。但隨著技術的進步，“獨立設置”的實現方案也在不斷多元化。該工程焚燒系統的控制器采用西門子的SIMATIC S7 F/FH系列過程安全系統。該系列控制器能夠在一個CPU內并行處理標準應用和安全應用程序，且標準應用和安全應用的程序嚴格保持相互隔離，不會相互影響，其安全性也得到了相應的國際安全認證。因此，該工程焚燒系統的調節控制與安全保護共用一套冗余架構的SIMATIC S7 F/FH系列控制器硬件，在保證系統安全的前提下，更加經濟合理。然而，無論在安裝還是使用維護過程中，控制站的I/O卡件和信號接入裝置相互影響的可能性很大。因此，用于BPS/BMS系統的觸發安全停機的相關信號及控制命令均采用硬接線，直接接入物理設置完全獨立的安全I/O柜中，并且安全I/O柜中的卡件均采用故障安全型。此外，BPS/BMS系統中用于故障安全停機的儀表采用“三取二”原則進行冗余設置。

4 結論

本文以上海市白龍港污泥處理二期工程為例，對超大型污泥干化焚燒工程自控系統的設計要點及實現方案進行研究。該項目自2020年08月建成投運以來，目前日處理量已達到設計規模。經過運行驗證，自控系統達到了設計預期。因此，本文對于超大型污泥干化焚燒工程自控系統設計的主要結論如下。

①“泥水協同”的5級自控系統架構滿足大型處理廠“泥水協同”統一運管、協同調度的需求，車間組集中調度監控級為大型處理廠實現數字化轉型提供了良好的架構基礎。

②污泥處理集中調度監控中心和各車間控制室的選址及布局設計在滿足空間布置的基礎上，應充分考慮人員工作環境、巡檢便利，以及對少人值守工廠的適用性，體現“以人為本”設計理念的人性化功能需求。

③處理單元現場控制站應按照干化系統、焚燒系統、公輔系統分布式設置，控制器硬件均采用冗余架構，現場控制級網絡和檢測執行級現場總線均采用雙網冗余拓撲結構。

④各處理單元車間監控級之間對等互通，通過軟件操作權限設置確保安全管理，可實現各處理單元車間監控級的相互操作和互為備用，極大地提升了車間分散化布局運維管理的靈活度和便利性。

⑤干化機出泥含水率和處理能力的調節控制應根據干化機工藝特點，選擇簡便、穩定、可靠且高效的調節控制方式。

⑥干化機循環載氣氧含量保護、流化床溫度保護，以及干污泥存儲過程中的溫度保護、CO保護等是保障干化系統安全的重要手段，但并非首選保障手段。干化系統的安全保障措施應首先從保證干化系統內部貧氧惰性環境、減少干化粉塵形成等工藝設計入手。

⑦焚燒系統調節及保護在滿足鍋爐制造廠的要求的基礎上，參考了國內小型火力發電廠相關設計規范。

⑧焚燒系統保護控制器硬件應選用安全型。在滿足安全認證的前提下，BPS和BMS控制器硬件可以不獨立設置。焚燒保護用I/O卡件和信號接入裝置應與其他非焚燒保護用物理設置相互獨立。應采用硬接線直接接入信號及控制命令，用于故障安全停機的儀表宜采用“三取二”原則進行冗余設置。

近年來，國內污泥干化焚燒工程實踐案例逐漸增多。隨著設計和運行經驗的積累，污泥干化焚燒工程自控系統設計將不斷完善，為污泥干化焚燒工程安全、可靠、高效的運行提供保障，同時也將向標準化、數字化、智能化方向加速發展[10-12]。