基于現場總線的垃圾焚燒發電廠APS應用研究

摘 要：為提高垃圾焚燒發電廠運行的自動化程度，機組自啟停系統（Automatic Plant Start-up and Shut-down System， APS）的應用研究是發展趨勢。為探討如何一鍵控制垃圾焚燒發電廠機組全流程自動啟停，該文以光大環境公司的某垃圾發電廠為研究對象，介紹并分析基于現場總線的APS在機組啟機和停機過程中的設計應用，對推動垃圾焚燒發電廠機組自動化水平的提升具有一定參考價值。

關鍵詞：現場總線；APS；一鍵啟停；功能組；斷點

中圖分類號：TM619 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0039-06

Abstract： To enhance the operational automation level of waste incineration power plants， the application research of Automatic Plant Start-up and Shut-down System（APS） stands out as a developing trend. In order to explore how to centrally control the entire process of startup and shutdown in waste incineration power plant units with one button， this study takes a waste incineration power plant operated by Everbright Environment Group as the research subject. The paper introduces and analyzes the design and application of APS based on the fieldbus framework during the startup and shutdown process of the units， which offers valuable insights to advancing the automation level of waste incineration power plant units.

Keywords： Fieldbus; APS; start-up/shut-down with one key; function group; breakpoint

我國新建發電機組朝著大容量、高參數的方向發展，更廣的監控面和更繁多的操作設備對機組自動化水平提出了更高的要求。目前，機組自啟停系統（Automatic Plantstart-Up and Shut-Down System， APS）是發電機組最高級的控制系統，可根據機組工藝流程并通過預設條件或時間邏輯判斷向各功能組、功能子組、設備驅動級等發出啟停命令，最終實現機組設備的全過程自動啟動或停運[1]。一個典型火電廠機組的自啟停順序控制系統如圖1所示，一般分為機組級、功能組級、子功能組級與設備驅動級，其原則是保證當某些設備或元件發生故障時，操作人員能選擇較低級的控制水平，不影響對全過程的控制[2]。與火力發電廠不同，垃圾發電廠主要目的是盡可能多地處理城市固態廢棄物，同時控制處理工藝中的環保指標達標，其次才是利用垃圾燃燒余熱發電。陳鳳[2]以北京高安屯垃圾焚燒發電廠為研究對象，提出實現全機組自啟停的必要性。王磊等[3]以鄭州環保能源工程的垃圾焚燒發電廠為例，探究了將云計算、大數據和三維可視化等信息技術與垃圾發電生產過程的工業化技術的結合。黃達[4]分析了垃圾焚燒工藝中復雜的控制原則，并以西南某垃圾發電廠為例說明了其基于DCS的自動控制系統有助于電廠的安全、穩定、長周期運行。垃圾焚燒發電廠的基本功能決定了其機組啟停控制具有的專業性和生態性相對較高[5]。但是，目前對于垃圾焚燒發電廠機組APS的設計應用研究相對較少。

APS正常運作依賴于現場總線技術。現場總線是用于車間儀表和控制設備的局域網，它把代替了DCS系統中處于控制室的控制模塊和各輸入輸出模塊的專用微處理器置入現場測量控制儀表[6]，有利于實現控制風險的分散化，而業界普遍認為比較適合過程自動化的總線技術有3種：PROFIBUS、FF和WorldFIP[7]。與DCS的集散控制相比，現場總線更具優越性，其結構對比如圖2所示。PROFIBUS總線的數據均采用數字信號傳輸，響應時間小于0.3 ms，提高了信號傳輸的實時性和抗干擾能力，消除了模擬通信方式中數據轉換帶來的誤差，為精確控制提供保障[8]；另外，采用PROFIBUS總線直接連接現場智能設備，可減少大量接線點，降低由于接線不牢或接線不規范引起的故障風險，也大大減少設備占地的面積和成本費用。

1 APS架構設計

博羅垃圾焚燒發電廠三期項目針對垃圾焚燒廠的工藝特點和工序設計APS，分成啟動和停止兩大程控模塊，可實現垃圾焚燒廠精確、靈活地一鍵控制機組全流程自動啟停。該APS的啟機和停機共設計5個斷點。

APS采用3層結構，包括機組級、功能組級、功能子組/設備驅動級，其結構設置如圖3所示。

2 APS一鍵啟停

2.1 機組一鍵啟動控制

如圖4所示，APS在機組啟機過程中劃分了3個啟動斷點對應3個啟動階段，分別是輔助系統啟動、鍋爐上水及升溫、汽機并網及升負荷。

對于處理成分復雜，含水率高并且熱值極為不穩定的各種垃圾，針對垃圾焚燒過程中垃圾鋪料配合燃燒調節對完全燃燒起關鍵作用的特點，如圖5所示的APS-ACC功能組結合ACC系統控制，對垃圾在爐排內進行合理分區鋪料，啟動給料爐排、焚燒爐排，完成布料工作并準備好一次風機和二次風機的啟動，以確保焚燒爐從啟機到正常工況下順利過渡。

為了更直觀表現在實際應用中不同電廠APS啟機斷點設置的區別，下面對若干電廠APS的斷點設計進行了羅列分析[9-10]，見表1。

根據表1可知，多數電廠APS啟機斷點設置3個及以上，其中國華舟山電廠的斷點設置思路簡明，與該文電廠類似，珠海電廠與華能海門電廠針對汽機和電網端部分細分成3個斷點，寧東電廠二期、華能海門電廠和安慶電廠都將鍋爐啟動部分分成了2個斷點；而該文電廠的APS將鍋爐動作前機組準備工作融合為一個斷點，將鍋爐上水到點火升溫融合為一個斷點，再將汽輪機沖轉升速、機組并網升負荷融合為一個斷點，整個啟機流程只需3個斷點，大大簡化了邏輯控制過程。根據機組啟機前的不同狀態以及停機時長，APS啟機一般又分為機組冷態啟動和熱態啟動2套工序。

2.1.1 機組冷態啟動控制

當汽機側停機時間超過72 h，鍋爐側汽包壁溫小于100 ℃，機組進入冷態啟機工序，如圖6所示，待鍋爐側系統、汽機側系統、電氣側系統自動檢查完畢，APS進入冷態啟機。

第一階段第一步是依次啟動各輔助系統，包括工業水系統、空壓機系統、化學水系統。第二步是完成鍋爐進水，先啟動飛灰輸送功能組，使刮板機和斗提機皆處于運行狀態，再啟動布袋準備功能組，打開布袋除塵出入口總發，接著啟動引風機系統，使爐膛內負壓滿足啟動要求后再分別啟動干法系統和反應塔系統。

第二階段第一步是完成鍋爐點火，分別啟動燃燒器系統、潤滑油系統、盤車系統、循環水系統和凝結水系統，點火后汽包壓力起壓開始暖管，分別啟動旁路暖管功能組、汽機本體疏水功能組、真空系統、軸封系統，再投入低旁，啟動EH油系統，對主汽管道進行暖管。第二步，鍋爐進水并升溫到400 ℃，啟動給水系統通過省煤器進行小流量連續上水，當爐膛溫度達800 ℃時啟動SNCR系統，最終保證爐膛負壓在-30～-50 Pa之間。

第三階段第一步先復位各跳閘條件，保證AST、OPC、ASP油壓正常，高中壓主汽門開啟正常。第二步汽機沖轉，轉速至1 100 r/min，對機組進行摩擦檢查全面檢查，主要檢查動靜部分是否有摩擦。汽機轉速依次達到3 000、3 500 r/min并最終定速在7 300 r/min。第三步，待汽機轉速穩定7 300 r/min，對機組全面檢查后，進行電氣并網帶負荷，保證發電機功率達到預設值，負荷偏差小于預設值。并網完成后爐排投入，準備投料。接著機組升負荷至額定負荷70%以上，期間旁路閥關閉，逐步退出旁路系統，啟動APS-ACC系統功能組協助機組升負荷，為ACC系統在正常燃燒工況時的投用做好準備工作。至此整個APS冷態啟機結束。

2.1.2 機組熱態啟動控制

當汽機側停機短于10 h，爐膛溫度大于300 ℃，主汽壓力大于1 MPa，汽包壁溫大于150 ℃，機組進入熱態啟動工序，輔助系統和鍋爐側的各功能組系統啟動流程與機組冷態啟動相似。汽機側熱態啟動工序如圖7所示。

在APS實際投用后，啟機平均時長較未投用APS時縮減了約原來的30%，節省能耗成本超過2萬元，有效提高了啟機的效率。崔磊等[11]結合機組啟動歷史數據對某聯合循環機組冷態啟動的APS控制進行優化，使啟動時間比原來縮短了1/4，節省成本超過6萬元，既保證了機組設備安全又提高了啟動過程經濟性。王會勤等[12]深度優化了某聯合循環機組熱態啟動的APS控制，一年內節省機組維護費用和耗電成本超過100萬元，啟機時間縮短了原時長的38%。以上2則成功案例都表明，目前該文機組的冷、熱態啟動控制仍存在優化空間，為未來的APS優化改造提出了新的目標。

2.2 機組一鍵停止控制

對于垃圾焚燒發電廠，“停機不停爐”的工況是一般工藝特征，因此APS停機控制板塊中包含了2個停機斷點：機組降負荷打閘解列、鍋爐和輔機停運。另外，為應對突發緊急事件停機控制板塊中還設置了緊急停模式。APS停機工序如圖8所示，待系統對鍋爐側、汽機側、電氣側以及煙氣凈化處理的相關系統檢查完畢后，運行人員根據需要選擇相應的停機模式，機組停運開始。停機停爐的模式下，機組停運控制分成2條路線，鍋爐側和汽機側協同控制，同步進行。

在APS實際投用后，機組停機效率顯著提升，比未投用APS時節省了約28.5%的時長；停機斷點數量較其他電廠[9-10]都要少，簡化了控制流程，停機過程中的某些標記點數據APS都將自動保存并上傳至企業云端的啟停日志供檢查與參考，減輕了運行人員的工作量。其具體優勢總結見表2。

3 結論

該文以博羅垃圾焚燒發電廠三期項目為研究對象，介紹并分析了基于現場總線技術的APS在機組啟機和停機過程中的設計應用。相較于其他電廠，該文機組的APS設置的啟機和停機斷點總數均最少，極大簡化控制流程，在實際應用中更具優勢。在APS實際投用后，機組啟機和停機時間都有顯著縮減，啟停過程中重要時間節點、參數趨勢、監控畫面等數據都將自動上傳至企業云端供檢查和參考，有效提高啟停機效率和降低機組檢修維護和啟停機的能耗成本，但同時啟停機控制仍存在一定優化空間。目前，垃圾焚燒發電廠日益向數字化和低碳型的智慧電廠轉型發展，機組APS的應用優化將是提高電廠自動化和智能化水平的重要一環。

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