垃圾焚燒電廠一鍵停機研究與應用

第一作者簡介：牛亞東（1968-），副高級工程師，總經理。研究方向為垃圾焚燒發電廠建設運營管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.012

摘" 要：為提升垃圾焚燒電廠自動化水平，研究垃圾焚燒電廠一鍵停機系統的優化設計，簡化流程控制邏輯，并基于電廠不同停機工況設計2種停機模塊，改造包括鍋爐與汽機及輔助系統全機組的一鍵停機系統。系統投運后證明，鍋爐與汽機及輔助系統實現一體化的自停機功能，顯著降低各系統停機用時，提升系統的自動化水平。提出一種停機斷點設計，增強整體控制系統的集中性，提升機組運行的管理水平，對推動垃圾焚燒電廠自動化運行具有一定的意義。

關鍵詞：垃圾焚燒電廠；斷點設計；一鍵停機系統；自動控制；機組

中圖分類號：TM611.31" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0048-04

Abstract： In order to improve the automation level of municipal solid waste incineration power plant， the optimal design of one-button shutdown system of municipal solid waste incineration power plant is studied， the flow control logic is simplified， and two kinds of shutdown modules are designed based on different shutdown conditions of the power plant. the transformation includes the one-button shutdown system of the boiler， steam turbine and auxiliary system. After the system is put into operation， it is proved that the boiler， steam turbine and auxiliary system realize the integrated self-stopping function， which can significantly reduce the downtime of each system and improve the automation level of the system. A design of shutdown breakpoint is proposed to enhance the concentration of the overall control system and improve the management level of unit operation， which is of certain significance to promote the automatic operation of municipal solid waste incineration power plant.

Keywords： waste incineration power plant; breakpoint design; one-button shutdown system; automatic control; unit

根據國家相關部門統計數據顯示，2022年我國生活垃圾無害化處理率達99%，其中焚燒處理方式占比達72.53%。截至2023年7月，全國共有930家垃圾焚燒發電企業，年垃圾焚燒處理量超過3.82億t。現有國家政策強調繼續推進生活垃圾“零填埋”處理，可以預計，在未來相當的一段時間內，垃圾焚燒發電市場還將繼續擴大。“雙碳”目標的實現是當前我國推動經濟社會發展的重要要求，電力與熱力生產業作為工業節能重點行業之一，理應擔負起這一社會責任。機組啟停對熱耗和發電煤耗影響很大，統計資料表明，焚燒系統每次啟停消耗的燃料約為本機組在滿負荷下2～3 h消耗的燃料，機組每次啟停會損失約為3 kJ/（kW·h）的熱耗，相應引起煤耗增加約0.1～0.15 kgce/（kW·h）。因此，實現設備啟停的高效化、一體化是焚燒發電企業轉型的關鍵。目前，對汽輪機與輔機系統一鍵停機技術已有一定研究。李毅杰等[1]設計了一個超超臨界1 000 MW機組自停機系統，所研究的APS停止設計了3個斷點，包括降負荷斷點、汽輪機解列斷點和機組停運斷點，每個斷點作為各自獨立的順序控制系統。然而該系統的設備驅動控制級操控范圍較小，部分功能組仍需手動控制，且停止斷點順序控制邏輯復雜，無法適應機組頻繁調峰運行。陳琦等[2]對某聯合循環機組的啟停過程進行研究，優化了一鍵停機過程的原控制邏輯，提高了機組運行安全性的同時，通過縮短啟停階段的時間，降低了燃氣輪機組NOx排放。曾文南等[3]針對某一火電機組，介紹了APS的結構、斷點等設計方案，優化了模擬量控制回路的3種控制方式，解決了停機過程中設定值變化導致的回路擾動過大的問題，提高了機組的安全運行水平。但是，大型機組的自動停機還存在許多未解決的難題，其中包含以下3個方面[4-6]。

1）當汽機系統出現故障或其他原因需要停機時，爐側的垃圾燃燒一般不受影響，保持正常作業，繼續處理垃圾。因此，需要設計停機不停爐的工況以滿足垃圾焚燒廠的工藝特性，這對于APS停機程序控制是一項重大的挑戰。

2）現有的一鍵停機系統一般采用3層控制級結構，系統采用斷點分層控制原則，在停機過程中設置的斷點數量過多，導致控制流程復雜，不利于機組控制效率的提高。

3）目前的研究主要針對于汽輪機及輔機系統的自動停機，而對于包含鍋爐系統在內的全機組的一鍵停機研究還留有空白，特別是對于垃圾焚燒電廠的全機組一鍵停機的研究。如何縮短在停機過程中人工干預的時間，實現全機組各系統間的自動化識別和確認，將是未來APS在垃圾焚燒電廠應用研究的重點領域。

本文以垃圾焚燒電廠一鍵停機系統為研究對象，針對上述的3個難題提出一種系統的設計方案，并應用于實際電廠的運行調節中，為同類型機組一鍵停機的優化提供參考。

1" 系統架構

本文以廣東某縣域垃圾焚燒發電廠的改造項目為例。該廠三期采用850 t/d的機械爐排焚燒爐，搭配25 MW的凝汽式汽輪機組。該項目克服了傳統控制策略設計缺陷困難，解決了在實際投運過程中不完全為自動控制狀態，仍存在手動干預的問題。該項目基于垃圾焚燒電廠各系統，設計全機組一鍵停機控制系統（APS），可以實現從汽輪機、輔機系統到鍋爐系統的一鍵停機。一鍵停機控制系統（APS）設計分為3個層級，分別為機組控制級、功能組控制級、功能子組及設備驅動控制級，如圖1所示。機組控制級作為控制命令的發起端，控制著整個程序的進行，包括鍋爐總控單元、汽機總控單元和輔助系統總控單元。信號通過各總控單元輸出到各自的功能組系統，各功能組系統彼此間既有獨立工作的部分，也存在運行邏輯間的先后順序，在滿足一定的條件后才會啟動下一個系統的運行。設備驅動控制級接收到上一級功能組的信號后，做出相應的動作，同時將信號反饋到各自的系統總控單元。

該APS系統在機組停機時共設有2個斷點，分別對應垃圾焚燒電廠停機不停爐和停機停爐2種工況，如圖2所示。停止程控一對應停止斷點一，主要負責機組降負荷打閘解列；停止程控二對應停止斷點二，主要負責鍋爐和輔機停運。當停爐程控都執行完畢，經確認選擇當前模式為停機不停爐模式或者停機停爐模式后，方可繼續根據執行停止程控二進行停機。一般的電廠汽輪機組和輔機系統會設置3到5個斷點，具體為機組降負荷、發電機解列、汽輪機打閘和余熱鍋爐停止等。而該APS系統根據機組停機過程的工藝特性，將斷點簡化為2個，把原本降負荷、解列和打閘的過程融合為一個斷點，另一個斷點控制鍋爐停爐，進一步簡化了停機過程的邏輯控制，縮短了整機組的停機控制時間。除此之外，為了提高整體系統自動化程度，還加入了圖像識別反饋環節。功能組程控中有環節需要工況狀態確認時，如各輔機設備運行狀態和各工作完成情況，總控單元通過現場的工業攝像反饋的視頻畫面進行狀態識別和相關設備信號反饋耦合自動確認，減少了人工確認環節，極大提高了監控人員的工作效率和機組的啟停機效率。為了保證數據傳輸的精度和響應速度，采用PROFIBUS總線數據傳輸技術，讓實時攝像畫面經數據編譯后通過智能總線傳送至一鍵啟停控制系統進行狀態識別，同時也通過數據轉換在系統主控界面上呈現出攝像畫面。

2" 垃圾焚燒電廠的一鍵停機

2.1" APS停止程控一

APS停止程控一包括燃油系統、吹灰系統、輔燃系統、干法減溫水系統、除渣系統、給水系統、風機系統、活性炭系統、布袋系統和脫硝系統。

在APS停止總程控啟動之前，選擇投入允許和APS停止模式投入后，APS自動確認各功能組系統均檢查完畢，方可滿足停止程控斷點一的啟動條件。斷點啟動的允許條件中各系統檢查卡包括工業水系統、空壓站系統、化學水系統、風煙系統、疏水系統、潤滑油系統、EH油系統、循環水系統、凝結水系統、給水系統、真空系統、軸封系統和脈沖吹灰系統，APS停止斷點一啟動條件如圖3所示。斷點完成條件為：發電機有功功率小于3 MW；電動主汽閥已關閉；機組并網開關分閘。

停止程控一中先執行的是燃油系統投運子程控，確保燃油系統正常運行后，總控單元再發送停止投料的信號至操作室，確認停止投料后同時執行脈沖吹灰子程控、再循環風機降頻和二次風機停運子程控、輔燃系統投運子程控、減溫水退出子程控。輔助系統投運后確認推料器無料推出，先停止推料器，在確保爐膛上中層斷面溫度5 min內均值大于850℃，確保垃圾全部燃盡，才可停爐降溫并停運所有一次風機，停止焚燒爐排，總控單元自動在企業端標記。經過2項標記停爐確認后，執行輔燃系統停運子程控，滿足其完成條件后確保爐膛上中層斷面溫度5 min內均值降至380℃，干氧小時均值在19%以上，總控單元自動確認并標記停運完成。輔燃系統停運后的同時執行布袋離線清灰子程控、SNCR停運子程控、活性炭系統停運子程控和干法系統停運子程控。停止程控一確認標記停運完成為結束。接著依據所需工況，操作人員選擇“停機不停爐”模式或“停機停爐”模式其中一個模式，在完成停止程控一的條件下，滿足條件啟動停止程控二。

2.2" APS停止程控二

APS停止程控二包括旁路系統、軸封系統、真空系統、EH油系統。APS停止斷點二啟動條件在于2種停機模式的選擇完成后，斷點完成條件為：風煙系統停運完成、撈渣機系統停運完成、真空停運完成、軸封停運完成、EH油系統停運完成和汽機盤車運行。APS停止斷點二完成條件如圖4所示。

停止程控二啟動時，停機前的旁路暖管功能組啟動。當高壓旁路入口溫度和主汽溫度偏差小于預設值、高壓旁路出口溫度和再熱入口蒸汽溫度偏差小于預設值、低壓旁路入口溫度和再熱器出口集箱溫度偏差小于預設值，旁路完成暖管。此時旁路投入功能組啟動，高低壓旁路的減溫水隔離閥開啟，減溫水自動投入，直至高低壓旁路均已自動投入后軸封系統投運。同時停機功能組啟動，完成汽輪機停機。待主蒸汽壓力低于預設值，旁路退出功能組啟動，高低壓旁路均退出。在旁路退出，汽機已打閘后，真空系統停運功能組啟動，停止運行的真空泵并解除備用泵的聯鎖狀態。待真空達到預設條件，軸封系統停運功能組啟動，停運軸封風機。汽輪機停機完成后，當潤滑油系統已投運時投盤車功能組啟動，使盤車開始工作；同時EH油系統停運功能組啟動。至此整個APS停止程控的執行流程完成。

2.3 APS停機總流程

當APS狀態為已投入的信號，APS機組處于啟動模式的信號，機組降負荷打閘解列斷點已選擇與鍋爐和輔機停運斷點已選擇的信號經過或門輸出的信號，以上3個信號經過與門后輸出的信號，則會最終決定APS停止總程控是完成，還是失敗還是進行中。停止一階段各系統完成條件滿足后（即斷點四滿足完成條件），則會輸出一個信號給APS停止總程控；停止二階段各系統完成條件滿足后（即斷點五滿足完成條件），也會輸出一個信號給APS停止總程控。

為了更直觀地表現不同電廠APS停機斷點設置的區別，對幾個電廠的斷點設計進行了列表分析[7-8]，見表1。

多數的電廠APS停機斷點設置在3個及以上，其中珠海電廠針對汽機和鍋爐部分再細分了一次斷點。本文的項目將降負荷和機組解列融合為一個斷點，鍋爐和輔機的控制融合為第二個斷點，大大簡化了邏輯控制過程。

2.4 APS一鍵停機應用

將改造后的APS一鍵停機系統應用到該項目垃圾焚燒電廠中，并順利通過測試投入使用。一鍵停機系統改造前后各系統程控所需用時見表2。

APS一鍵停機系統改造后，各系統程控用時有明顯的降低，對于用時較長的輔燃系統，其投運用時降低了14 min，全過程停機時長從154 min降低到110.5 min，總計節省時間43.5 min。垃圾焚燒電廠作為環保發電企業，停機檢修是確保其安全運行的重要環節[9]。縮短其停機所需的時間，提升機組自動化控制程度，是垃圾焚燒電廠向智慧電廠轉型的重要舉措，符合我國能源產業轉型升級的潮流[10]。

3 結論

一鍵停機系統的研究與應用為垃圾焚燒電廠向數字化“智慧電廠”的轉化提供了技術支持。通過優化停機系統斷點設置數量與位置，簡化停機過程控制邏輯。根據垃圾焚燒電廠停機檢修的不同情況，設計“停機不停爐”和“停機停爐”模式，靈活應對復雜生產狀況。同時將全機組接入系統，耦合圖像識別反饋環節對各設備工況和完成情況進行確認，通過PROFIBUS總線數據傳輸技術將實時數據呈現在系統上，減少了不必要的人工確認環節，大大提升機組的自動化程度。系統投入運行后有效減少了停機用時，有利于提高機組運行效率。

參考文獻：

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