王宗勝

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

引 言

自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)(Auto Combustion Control system,簡(jiǎn)稱ACC)是以垃圾入爐焚燒量、鍋爐蒸發(fā)量為目標(biāo)，以燃燒計(jì)算為基礎(chǔ)，在不同的燃燒工況下，經(jīng)過(guò)特定的邏輯運(yùn)算，計(jì)算與垃圾品質(zhì)對(duì)應(yīng)的空氣量、爐排運(yùn)行速度的基準(zhǔn)值，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化燃燒，同時(shí)兼顧公害抑制、焚燒量合理化、故障預(yù)防等要點(diǎn)，用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)大量的操爐工作進(jìn)行分擔(dān)。使鍋爐的蒸汽流量穩(wěn)定在設(shè)定值，針對(duì)不同的垃圾特性，能穩(wěn)定的供應(yīng)垃圾并合理化配風(fēng)，使焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行，從而達(dá)到熱灼減率最小化，低污染物排放無(wú)公害等目標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用操作員手動(dòng)控制燃燒，自動(dòng)化程度不高，ACC投入率餃低。人工反復(fù)參與調(diào)整焚燒運(yùn)行，往往燃燒工況不穩(wěn)定，增加人工負(fù)擔(dān)。國(guó)內(nèi)自動(dòng)燃燒控制投入不高，其難度在于一年四季垃圾熱值變化較大，垃圾熱值變化導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整過(guò)程中燃燒工況容易發(fā)生較大偏移，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。

1 材料與方法

1.1 自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)原理的介紹

ACC控制功能主要以計(jì)算基準(zhǔn)值(燃燒空氣量基準(zhǔn)值、送垃圾速度基準(zhǔn)值和各風(fēng)管段用氣量的基準(zhǔn)值)，通過(guò)蒸發(fā)量控制、垃圾層厚控制、燃燒位置控制、熱灼減量控制(爐排、空氣)、氧含量控制和爐內(nèi)溫度控制進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燃燒控制[2]；而氧含量控制和爐內(nèi)溫度控制，通過(guò)二次風(fēng)和燃盡爐排風(fēng)門(mén)流量結(jié)合進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

1.2 自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)基礎(chǔ)計(jì)算

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)垃圾電廠的實(shí)際情況，自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)投運(yùn)需要較為穩(wěn)定的外部條件，故很多垃圾焚燒電廠在進(jìn)行ACC調(diào)試前，都需要穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，為使?fàn)t子達(dá)到穩(wěn)定的調(diào)試工況，調(diào)試前需要確定垃圾的熱值，因?yàn)殡y以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)推演和計(jì)算，可按下式估算：

根據(jù)公式可以計(jì)算出垃圾熱值的大概范圍，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況，選定一個(gè)設(shè)定垃圾熱值，根據(jù)垃圾熱值可以得出相應(yīng)的空氣過(guò)量率，進(jìn)而得到基準(zhǔn)空氣流量；

由圖1可知，設(shè)定焚燒爐額定蒸發(fā)量負(fù)荷SV，確定鍋爐熱效率，根據(jù)從給水到蒸汽焓的增加，可以得到產(chǎn)生額定蒸發(fā)量需要的總熱量；根據(jù)已知熱值可以得到所需要的總垃圾重量；

當(dāng)垃圾車從入廠計(jì)重時(shí)，根據(jù)每輛垃圾車體積和本次垃圾車的垃圾總量，可以得出垃圾比重。根據(jù)眾多垃圾車輛進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)劃可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的垃圾比重；

故根據(jù)垃圾比重，可以得出所需垃圾體積，根據(jù)計(jì)算可以得出相對(duì)垃圾基本速度。

圖1 ACC計(jì)算原理圖Fig.1 Schematic diagram of ACC calculation

1.3 自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)控制邏輯

1.3.1 鍋爐主蒸汽控制

由圖2可知，通過(guò)調(diào)整供給燃燒爐排的燃燒空氣的流量來(lái)維持鍋爐的主蒸汽量在設(shè)定值。鍋爐主蒸汽流量的設(shè)定值是計(jì)算垃圾焚燒量、供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)流量等數(shù)據(jù)的主要參數(shù)[2]。通過(guò)垃圾熱值可以得出理論空氣流量和空氣過(guò)量系數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出需要的標(biāo)準(zhǔn)空氣流量和基準(zhǔn)空氣流量；通過(guò)垃圾設(shè)定蒸發(fā)量和垃圾熱值可以計(jì)算出需要的總垃圾量，進(jìn)而計(jì)算出爐排速度。

圖2 鍋爐主蒸汽控制Fig.2 Boiler main steam control

1.3.2 垃圾層厚自動(dòng)控制

由圖3可知，確保一次風(fēng)母管壓力穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)量經(jīng)過(guò)差壓變送器后的爐排上垃圾上方和燃燒爐排一段風(fēng)室下一次風(fēng)的供應(yīng)氣流的壓力差，可以得到垃圾料層的厚度[2]。得到一個(gè)垃圾厚度原值，對(duì)垃圾料層厚度進(jìn)行料層厚度補(bǔ)償，可以得到實(shí)際垃圾層厚。

圖3 垃圾層厚取樣Fig.3 Trash layer thickness sampling

圖4 垃圾層厚控制圖Fig.4 Garbage layer thickness control chart

由圖4可知，計(jì)算出的垃圾總量得出理論垃圾層厚度，再與實(shí)際垃圾料層厚度做差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，得出需要調(diào)節(jié)的垃圾層厚度輸出值MV。

由圖5可知，根據(jù)計(jì)算出垃圾料層厚度，進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整垃圾給料器的給料速度、f(x)函數(shù)使推料器速度轉(zhuǎn)換為閥的開(kāi)度(m/h)，為了保證推料器同步性，每個(gè)推料器都安裝位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量實(shí)際位置，根據(jù)計(jì)算得出每秒鐘計(jì)算出的理論位置值，使每個(gè)推料器與理論位置做差進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到三列推料器同步向前運(yùn)行，每段推料器的瞬時(shí)速度計(jì)算y=(IXI/掃描時(shí)間)×3600/(1000×2)。從而使推下均勻的料，有利于干燥爐排的調(diào)整。

圖5 垃圾層厚與推料器和干燥爐排速度控制圖Fig.5 Waste layer thickness control nad speed control diagram of pusher and drying grate

1.3.3 干燥爐排自動(dòng)控制

干燥爐排在垃圾焚燒中起到承上啟下的作用，垃圾從推料器上推下，根據(jù)垃圾層厚度控制，使推料器調(diào)整速度向下推料，干燥爐排根據(jù)計(jì)算出的垃圾層厚度，自動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)整，根據(jù)垃圾料層層厚偏薄，干燥爐排加快補(bǔ)料，垃圾料層厚度偏厚，減緩干燥爐排補(bǔ)料速度。

1.3.4 燃燒爐排自動(dòng)控制

由圖6可知，根據(jù)上述計(jì)算得出每小時(shí)的垃圾總體積，可以得出爐排基準(zhǔn)速度，垃圾料層厚度直接反應(yīng)出燃燒爐排料層厚度，直接影響燃燒爐排速度和垃圾焚燒情況，根據(jù)垃圾料層層厚偏差得出速度補(bǔ)償，對(duì)爐排基準(zhǔn)速度進(jìn)行修正補(bǔ)償，燃盡爐排上部溫度直接反映出燃盡爐排上燃燒狀況，間接影響燃燒爐排速度快慢。故對(duì)燃盡爐排上部溫度偏差進(jìn)行速度補(bǔ)償，燃盡爐排上部溫度偏大，反映燃盡爐排上部料層較厚，故對(duì)燃燒爐排進(jìn)行負(fù)偏差系數(shù)調(diào)節(jié)；燃盡爐排上部溫度偏小，反映燃盡爐排上部料層較薄，故對(duì)燃燒爐排進(jìn)行正偏差系數(shù)調(diào)節(jié)；最后進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)調(diào)節(jié)，使得燃燒爐排自動(dòng)運(yùn)行。

圖6 燃燒爐排速度控制圖Fig.6 Combution grate speed control chart

1.3.5 燃盡爐排自動(dòng)控制

由圖7可知，根據(jù)計(jì)算出的爐排基準(zhǔn)速度，垃圾料層厚度偏差間接影響燃盡爐排運(yùn)行速度，垃圾料層層厚相對(duì)設(shè)定垃圾層厚偏高，燃盡爐排系數(shù)較大，燃盡爐排相對(duì)較塊；垃圾料層厚相對(duì)設(shè)定垃圾層厚偏低，燃盡爐排系數(shù)較小，燃盡爐排相對(duì)較慢；燃盡爐排上部溫度主要影響燃盡爐排運(yùn)行速度，燃盡爐排上部溫度與燃盡爐排有相對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，燃盡爐排上部溫度過(guò)高，燃盡爐排上部垃圾料層沒(méi)有充分燃燒，燃盡爐排運(yùn)行時(shí)間慢些，停留時(shí)間較長(zhǎng)；燃盡爐排上部溫度過(guò)低，燃盡爐排燃燒較為充分，燃盡爐排運(yùn)行時(shí)間快些，垃圾停留時(shí)間短些；在進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償系數(shù)修正，使燃盡爐排達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 燃盡爐排速度控制圖Fig.7 Exhaust grate speed control chart

1.3.6 一次風(fēng)流量自動(dòng)控制

由圖8可知，一次風(fēng)流量自動(dòng)控制是ACC控制中重要的一環(huán)，對(duì)各硬件設(shè)備也有很高的要求；對(duì)一次風(fēng)母管壓力達(dá)到1kpa以上，對(duì)各風(fēng)門(mén)擋板與流量計(jì)達(dá)到線性要求。根據(jù)以上得知，不同的垃圾熱值對(duì)應(yīng)不同的過(guò)量空氣系數(shù)，根據(jù)計(jì)算得出基準(zhǔn)空氣量，由于不同的垃圾熱值在干燥爐排、燃燒爐排、燃盡爐排各段分配的風(fēng)量比不同。風(fēng)量各段實(shí)際風(fēng)量與計(jì)算理論風(fēng)量之間存在偏差，進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖8 各風(fēng)管控制圖Fig.8 Control chart of each air duct

圖9 各爐排系數(shù)分配圖Fig.9 Distribution diagram of grate coefficients

燃燒爐排風(fēng)量控制，由圖9可知，燃燒爐排為三段，也是ACC控制風(fēng)量中主要控制量，在ACC調(diào)整過(guò)程中，垃圾蒸發(fā)量實(shí)際值與蒸發(fā)量設(shè)定值存在偏差，需要通過(guò)燃燒段風(fēng)流量進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際蒸發(fā)量偏低于設(shè)定蒸發(fā)量時(shí)，燃燒爐排風(fēng)門(mén)擋板進(jìn)行開(kāi)大，使進(jìn)風(fēng)量增加進(jìn)風(fēng)量，使燃燒爐排燃燒更加充分；實(shí)際蒸發(fā)量偏高于設(shè)定蒸發(fā)量時(shí)，燃燒爐排風(fēng)門(mén)擋板進(jìn)行關(guān)小，減小進(jìn)風(fēng)量，抑制燃燒爐排燃燒；對(duì)進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行設(shè)定，燃燒爐排總風(fēng)量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，使調(diào)整過(guò)程中不能過(guò)大，也不能過(guò)小。不然負(fù)荷波動(dòng)將會(huì)很大，對(duì)整體調(diào)整會(huì)產(chǎn)生影響；各燃燒爐排段參與焚燒狀況不同，分配系數(shù)不同。左右燃燒狀況不同，燃燒爐排兩側(cè)配風(fēng)也將不同。

1.3.7 爐膛溫度和氧量自動(dòng)控制

由圖10可知，爐膛溫度和氧量控制一般都在風(fēng)門(mén)擋板自動(dòng)和爐排自動(dòng)調(diào)完后再進(jìn)行爐膛溫度控制調(diào)整和氧量控制調(diào)整。當(dāng)氧含量低設(shè)定值的時(shí)候，緊急打開(kāi)二次風(fēng)進(jìn)行送風(fēng)增加氧含量，氧含量高于氧量設(shè)定值時(shí)，減少二次風(fēng)流量供應(yīng)；爐膛溫度超過(guò)設(shè)定值上限時(shí)，增加二次風(fēng)供應(yīng)，從而降低爐膛溫度；爐膛溫度抵御設(shè)定值時(shí)，減少二次風(fēng)供應(yīng)。如果爐膛過(guò)高時(shí)，二次風(fēng)門(mén)擋板全開(kāi)后仍然無(wú)法有效降溫時(shí)，可以通過(guò)燃盡爐排風(fēng)門(mén)擋板進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行降溫。二次風(fēng)流量控制是省煤器出口氧量和爐膛溫度兩個(gè)變量共同控制。

圖10 氧含量及爐膛溫度控制圖Fig.10 Oxygen content and furnace temperature control chart

2 結(jié)果與分析

以某600 t項(xiàng)目垃圾焚燒處理發(fā)電廠為例，選取其中連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)進(jìn)行分析。

2.1 主蒸汽流量控制

以主蒸汽流量設(shè)定為60t/h進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定目標(biāo)蒸發(fā)量SV為60t/h，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，我們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中還對(duì)焚燒爐增加了搖動(dòng)控制[4]，達(dá)到了無(wú)需手動(dòng)干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)主蒸汽流量維持在設(shè)定值左右。

圖11 八小時(shí)內(nèi)主蒸汽流量趨勢(shì)圖Fig.11 Main steam flow trend chart over an eight-hour period

由圖11可知，ACC主蒸汽流量控制調(diào)試中，蒸發(fā)量設(shè)定為SV=60t/h時(shí)，主蒸汽流量按設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整蒸發(fā)量，八小時(shí)內(nèi)鍋爐蒸發(fā)量趨勢(shì)圖顯示，整體蒸發(fā)量在設(shè)定值上下波動(dòng)。選取同一時(shí)段沒(méi)有投運(yùn)ACC蒸發(fā)量趨勢(shì)圖，8 h時(shí)間段內(nèi)蒸發(fā)量進(jìn)行對(duì)比，投運(yùn)ACC后，蒸發(fā)量相對(duì)平穩(wěn)，蒸發(fā)量較高與沒(méi)有投運(yùn)ACC時(shí)蒸發(fā)量。判斷ACC調(diào)試是否滿足，判定基準(zhǔn)為(|PV-SV|<10%t/h)。

如表1所示。

表1 主蒸汽流量與設(shè)定流量對(duì)比表Tab.1 Comparison between main steam flow and set flow

從控制角度講，主蒸汽流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)也基本能穩(wěn)定控制在5t/h以內(nèi)，在主蒸汽流量波動(dòng)較大時(shí)，ACC能自動(dòng)調(diào)控，很快就能恢復(fù)至SV設(shè)定值附近，即完成了主蒸汽流量控制調(diào)整。

2.2 垃圾層厚控制

垃圾層厚作為ACC調(diào)試中，反應(yīng)垃圾料層厚度的參數(shù)，直接影響爐排推料的穩(wěn)定性。如圖12可知，ACC投入垃圾料層厚度設(shè)定值為54%，投入后8 h內(nèi)實(shí)際料層曲線都在54%上下波動(dòng)，通過(guò)曲線可以看出垃圾料層厚度出現(xiàn)偏差過(guò)程中，都能夠及時(shí)做出反應(yīng)并調(diào)整過(guò)來(lái)，使垃圾實(shí)際反饋料層能夠按照目標(biāo)料層進(jìn)行調(diào)整。沒(méi)有投ACC料層厚度調(diào)整較為緩慢，滯后性較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)比，投入ACC后垃圾層厚相對(duì)沒(méi)有投入要穩(wěn)定。

圖12 八小時(shí)內(nèi)垃圾層厚趨勢(shì)圖Fig.12 Variation of garbage layer thickness over an eight-hour period

而作為判斷結(jié)果垃圾料層偏差在(PV-SV)穩(wěn)定在10%以內(nèi)，就能夠穩(wěn)定控制。判定基準(zhǔn)(|PV-SV|<10%t/h)，如表2所示。

表2 垃圾層厚與設(shè)定垃圾層厚對(duì)比表Tab.2 Comparison between garbage layer thickness and set garbage layer thickness

2.3 煙氣中氧氣濃度控制

氧含量可以反映出，垃圾在這段時(shí)間燃燒時(shí)的燃燒狀態(tài)，煙氣中的CO的濃度和煙氣中的O2濃度有關(guān)。當(dāng)空氣不足時(shí)煙氣中的CO 濃度會(huì)上升，使CO超標(biāo)，O2的濃度會(huì)下降[5]。氧含量調(diào)整過(guò)程中波動(dòng)會(huì)有較大變化，煙氣中的 O2濃度控制通過(guò)調(diào)節(jié)二次空氣的流量來(lái)維持O2濃度在設(shè)定值。而作為判斷結(jié)果氧含量的偏差在(PV-SV)穩(wěn)定在10%以內(nèi)，就能夠穩(wěn)定控制。判定基準(zhǔn)(|PV-SV|<10%t/h)，通過(guò)表3可以看出，氧氣含量波動(dòng)在設(shè)定值上下10%以內(nèi)。滿足調(diào)試要求。

表3 氧含量與設(shè)定氧含量對(duì)比表Tab.3 Comparison bewteen oxygen content and set oxygen content

2.4 爐內(nèi)溫度控制

爐膛溫度控制是垃圾焚燒中至關(guān)重要的一步，也是國(guó)家對(duì)環(huán)保的嚴(yán)格要求，主要保證煙氣在焚燒爐內(nèi)能夠停留2S大于850度，防止二惡英的產(chǎn)生；故設(shè)定爐內(nèi)溫度(停留2S溫度)控制以SV=980℃進(jìn)行了調(diào)整；如圖13所示。

圖13 爐膛溫度與設(shè)定爐膛溫度趨勢(shì)圖Fig.13 Variation trend of furnace temperature and set furnace temperature

以上為爐內(nèi)溫度控制后的溫度曲線，通過(guò)上述的趨勢(shì)結(jié)果圖可以判斷，經(jīng)過(guò)調(diào)試，爐膛溫度基本控制在950～1000℃之間?；贏CC爐膛溫度控制調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)，此次滿足了調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)，即完成爐膛溫度控制的調(diào)試工作。

2.5 燃盡爐排上部溫度

燃盡爐排直接反映燃盡爐排上的燃燒狀況，燃盡爐排上部溫度不高，在燃燼爐排末端垃圾已經(jīng)燃燼，熱灼減量較小[6]。如圖14燃盡爐排上部溫度趨勢(shì)圖可以看出，投入ACC后燃盡爐排上部溫度穩(wěn)定在較低溫度，燃盡爐排控制較穩(wěn)定，熱灼減率達(dá)到最小化控制調(diào)整。

圖14 燃盡爐排上部溫度與設(shè)定燃盡爐排上部溫度對(duì)比表Fig.14 Comparison between upper temperature of burned grate and set upper temperature of burned grate

2.6 燃燒位置控制

通過(guò)燃燒位置可以判斷焚燒爐燃燒狀況穩(wěn)定性，也反映垃圾品質(zhì)的好壞。焚燒爐的燃燒區(qū)在燃燒爐排一二段，如果燃燒區(qū)前移說(shuō)明垃圾熱值較高，垃圾相對(duì)較干；如果垃圾區(qū)后移說(shuō)明垃圾熱值較低，垃圾相對(duì)較濕，垃圾在燃燒爐排上無(wú)法充分燃燒，最終導(dǎo)致燃盡爐排上部溫度過(guò)高。垃圾料層也會(huì)偏高。通過(guò)料層厚度及燃盡爐排上部溫度分析，開(kāi)始時(shí)燃盡爐排上部溫度七百多度，通過(guò)調(diào)整后，燃盡爐排溫度穩(wěn)定在五百多度，燃燒位置控制較好。

3 結(jié) 論

本次調(diào)試原則采取先硬件后軟件，在理論結(jié)合實(shí)際，結(jié)合以往項(xiàng)目調(diào)試中遇到問(wèn)題，對(duì)邏輯進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)不同地區(qū)不同垃圾熱值的項(xiàng)目采取不同的方法。實(shí)施ACC控制，以8小時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)主蒸汽流量與蒸汽流量設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，垃圾層厚度與垃圾層厚設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，煙氣中氧氣濃度與氧氣濃度設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，爐內(nèi)溫度控制與爐內(nèi)溫度設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，燃盡爐排上部溫度與燃盡爐排設(shè)定值溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，各項(xiàng)指標(biāo)都在合理范圍內(nèi)。本次ACC調(diào)試相對(duì)于人工運(yùn)行更加穩(wěn)定，負(fù)荷更加高效，在運(yùn)行中減少人工勞力，提高了生產(chǎn)效率，能夠提前預(yù)知焚燒狀況，并及時(shí)調(diào)整焚燒爐運(yùn)行。