焚燒自動控制系統(tǒng)研究

［摘 要］垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)可以將垃圾進(jìn)行減量化、無害化和資源化利用，變廢為寶，其核心是對垃圾焚燒的穩(wěn)定性控制。良好的自動焚燒控制系統(tǒng)能夠使鍋爐蒸發(fā)量持續(xù)穩(wěn)定，使垃圾的焚燒處理量持續(xù)最大化，保證垃圾的燃盡率，保證煙氣的排放指標(biāo)，使主設(shè)備的煙氣磨損達(dá)到最小化。經(jīng)過優(yōu)化革新的焚燒自動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制效果顯著提高，能夠更好地滿足焚燒爐的穩(wěn)定運行要求，鍋爐負(fù)荷能夠穩(wěn)定維持在額定范圍，爐溫始終能夠達(dá)到850℃以上，煙氣指標(biāo)控制平穩(wěn)，同時爐渣燃盡率也能達(dá)到較好水平。

［關(guān)鍵詞］垃圾焚燒發(fā)電；自動控制系統(tǒng)；系統(tǒng)優(yōu)化；實施

［中圖分類號］X705 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0018–03

1 課題背景

1.1 垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展

目前比較普遍的垃圾處理方式有衛(wèi)生填埋、熱解、堆肥、焚燒和綜合利用（如生產(chǎn)有機(jī)肥料、供熱和發(fā)電等）。與其他處理方式相比，焚燒處理具有減容率高、處理量大等顯著特點。垃圾焚燒發(fā)電作為當(dāng)今社會較為環(huán)保和快速發(fā)展的垃圾處理方式，其可以將垃圾減量化、環(huán)保化和資源化，變廢為寶。

1896 年和1898 年分別在德國漢堡和法國巴黎建立了世界上最早的生活垃圾焚燒廠，故垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展距今已有100 多年的歷史。直到1988 年，南京清水河垃圾焚燒電廠正式投產(chǎn)以后，我國生活垃圾焚燒發(fā)電廠才逐漸發(fā)展起來。截至目前，我國垃圾發(fā)電廠超過100 座，其中超過70% 的焚燒廠集中于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東部地區(qū)和人口密集地區(qū)。

1.2 垃圾焚燒設(shè)備概況

垃圾焚燒爐作為焚燒垃圾的關(guān)鍵設(shè)備，主要由垃圾前處理系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、煙霧生化除塵系統(tǒng)及煤氣發(fā)生爐（輔助點火焚燒）組成，影響焚燒爐性能的因素包括焚燒溫度、煙氣滯留時間、擾動、過剩空氣系數(shù)、尾氣處理系統(tǒng)及電控系統(tǒng)。

由于生活垃圾燃料具有腐蝕性大、水分高、熱值不穩(wěn)定等特點，所以燃燒設(shè)備以及垃圾焚燒爐在設(shè)計時具有相對的特殊性。目前在國外已投入運行的垃圾焚燒設(shè)備的常見燃燒方式有以下幾種。

（1）多級階梯鏈條爐排。垃圾在爐排上的運動方式是由高到低進(jìn)行逐級流動的，垃圾逐級燃燒，直至燃盡。

（2）傾斜往復(fù)式爐排。不同于我國常見的順向傾斜往復(fù)式爐排，該爐排屬于間隙動作的逆向傾斜往復(fù)爐排。

（3）流化床燃燒方式。流化床燃燒對燃料具有較好的適應(yīng)性，可以完全燃燒各種有機(jī)的工業(yè)垃圾以及城市垃圾等。

（4）旋轉(zhuǎn)式燃燒。旋轉(zhuǎn)式燃燒是一種新的工業(yè)流程，由KWU ／ SIEMNS 公司的Uim–Wibligen 試驗成功。產(chǎn)生的碳化物會與煤氣在1 300℃的條件下進(jìn)行燃燒。

（5）等離子弧燃燒方式，該燃燒方式是通過在垃圾堆中設(shè)一條通道，將氣體、冷卻劑以及等離子弧經(jīng)由通道一起送入垃圾中，高溫火焰能夠使得垃圾熔化并蒸發(fā)，然后變成無害的玻璃狀熔渣。此時燃燒火焰的溫度可以達(dá)到8 000℃，釋放的氣體可被引入燃料電池內(nèi)用來發(fā)電。

2 焚燒爐全自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個焚燒控制系統(tǒng)主要由給料爐排控制、焚燒爐排控制和風(fēng)量控制3 大核心部分組成。幾乎所有的全自動控制界面和基本操作都可以實現(xiàn)。

給料爐排控制單元可以設(shè)定料層厚度，監(jiān)視給料器的速度以及當(dāng)前料層實際厚度等參數(shù)；風(fēng)量控制單元根據(jù)氧量、蒸發(fā)量設(shè)定值等條件計算當(dāng)前狀態(tài)下所需的總的風(fēng)量，然后進(jìn)行分配；焚燒爐排的控制單元可以設(shè)定爐排的翻動和滑動比例，運動速度等參數(shù)。

3 給料爐排的控制策略與控制參數(shù)計算

焚燒爐給料系統(tǒng)由給料斗、給料溜槽、給料蓋板、給料爐排以及相關(guān)測控裝置組成。蓋板的動作通過電磁閥、到位開關(guān)及液壓裝置實現(xiàn)，遠(yuǎn)方點動電磁閥，即可實現(xiàn)給料蓋板的開關(guān)。

根據(jù)蒸發(fā)量的設(shè)定值，參考實際蒸發(fā)量與設(shè)定蒸發(fā)量以及額定蒸發(fā)量之間的偏差值，進(jìn)行PID 計算，通過經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，得出一個速度，此速度與最小速度0.2 mm/s 進(jìn)行比較，輸出兩者的較大值，作為整個系統(tǒng)的速度基礎(chǔ)值。通過該速度基礎(chǔ)值再進(jìn)一步計算，得出給料爐排和焚燒爐排的速度。

根據(jù)垃圾厚度設(shè)定值與焚燒爐一段爐排下方的風(fēng)壓測點的反饋數(shù)值，通過經(jīng)驗公式與之前得到的速度基礎(chǔ)值進(jìn)行計算，得出給料爐排的速度。同時，給料爐排的速度可以切換至手動狀態(tài)，在手動狀態(tài)下可以人為給定數(shù)值，設(shè)定范圍0.2～102 mm/s，以適應(yīng)特殊情況。

4 焚燒爐排的控制策略與控制參數(shù)計算

焚燒爐排可以通過手動、半自動和全自動等方式進(jìn)行控制。每段爐排的滑動爐排用來控制垃圾料層的移動速度，翻動爐排用來撥動垃圾。每段爐排的動作周期為滑動1 次，翻動N（0～3）次，翻動次數(shù)N 在手動狀態(tài)下由人為設(shè)定，在自動狀態(tài)下通過系統(tǒng)進(jìn)行自動計算。焚燒爐排的動作與風(fēng)量控制相互配合，共同控制著垃圾在爐內(nèi)的燃燒工況。

滑動爐排速度控制邏輯如圖1 所示，半自動控制狀態(tài)下，焚燒爐排的基準(zhǔn)速度由人為設(shè)定，給料爐排的速度等于每段焚燒爐排的速度因子（C1-C5）與基準(zhǔn)速度的乘積。其中速度因子可根據(jù)實際需要人為設(shè)置。而翻動爐排控制只需設(shè)定每個動作周期翻動次數(shù)即可，焚燒爐排的動作時間間隔為0。

全自動投用狀態(tài)下，給料爐排速度則由系統(tǒng)根據(jù)垃圾熱值以及設(shè)定負(fù)荷等計算得出，各段速度因子仍為人工設(shè)定。這樣爐排的動作就能夠與負(fù)荷的設(shè)定緊密結(jié)合，從而實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的負(fù)荷輸出。

在基礎(chǔ)速度值的基礎(chǔ)上，乘以一個比例因子得到焚燒爐排的速度基數(shù)。該比例因子可人為進(jìn)行更改，但是默認(rèn)值為7。經(jīng)過長時間的運行驗證，比例因子設(shè)置為7 完全能夠滿足現(xiàn)場需要。通常把省煤器出口的氧量控制在6%～8%。又因為爐排的運動會對爐膛內(nèi)的垃圾進(jìn)行攪動，就會影響焚燒的劇烈程度，繼而會影響省煤器出口的氧量，引入氧量的設(shè)定值與反饋值，再與焚燒爐排的速度基數(shù)進(jìn)行綜合計算，得到所需的焚燒爐排速度。同樣，該速度也可以切換至手動狀態(tài)，在手動狀態(tài)下可以人為給定數(shù)值，范圍0～10 mm/s，以適應(yīng)特殊情況。

焚燒爐排的速度只影響滑動爐排，事實證明，翻動爐排動作的次數(shù)會直接影響燃燒的劇烈程度，間接地影響氧含量。

5 結(jié)束語

焚燒爐全自動控制系統(tǒng)主要是由給料爐排控制系統(tǒng)、焚燒爐排控制系統(tǒng)和風(fēng)量控制系統(tǒng)3 大核心部分組成。文章詳細(xì)介紹了3 大控制系統(tǒng)的計算流程圖，包括給料爐排控制計算流程圖、焚燒爐排控制計算流程圖、風(fēng)量控制計算流程圖，對各計算流程的控制要點中的速度、風(fēng)量和氧量等參數(shù)的設(shè)定值與實際值進(jìn)行了范圍描述。針對給料自動控制系統(tǒng)、焚燒爐排自動控制系統(tǒng)、焚燒爐風(fēng)量自動控制系統(tǒng)的不足提出了改進(jìn)的措施。通過實際運行來看，文章提出合理化的解決方案作用效果顯著，工程應(yīng)用價值較高。

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