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引言

     近年来，随着中国城市化进程的加快，垃圾污染日益严重，垃圾处理不当将会制约城市的生存与发展。为此，中国专门制定了《全国城市生活垃圾无害化处理设施建设“十一五”规划》 ，在全国范围内实施垃圾处理收费制度，并进一步加大了对垃圾发电的政策支持力度。由于垃圾焚烧发电技术具有高效率处理生活垃圾、节约能源、建设周期短以及有利于环保等特点；同时，循环流化床锅炉CFBB(circulating fluidized bed boilers）具有燃烧效率高、适应性强和燃烧强度大等特点，是值得采用的新锅炉工艺。所以，采用循环流化床锅炉焚烧垃圾发电，既能很好地解决城市生活垃圾问题，又能适当缓解近年来的能源危机问题 。

一、项目简介

     上海电气南通区域垃圾焚烧热电联产项目由上海电气环保热电（南通）有限公司以BOT方式建设，位于如皋港经济开发区内，占地12000㎡，日处理城市生活垃圾15oot。该项目的服务范围为南通市、如皋市、通州市和靖江市的城市生活垃圾。同时，建成后的垃圾发电厂可以对开发区内的各种固体废弃物进行就地处理。电厂采用先进的烟气处理装置，保障了大气质量；垃圾处理过程中利用焚烧技术发电并网；焚烧发电厂产生的余热可以作为园区工业和生活用热的来源。这样，从垃圾处理、废气处理到发电、供热的问题可以同时解决。项目自建成正式投产之日起经营25年，经营期满后，将整体无偿地移交给如皋市人民政府。该项目包括3台日处理垃圾500t 、产汽75t/h的循环流化床垃圾焚烧炉，2台15MW抽凝式汽轮发电机组。项目中DCS系统采用上海自动化仪表股份有限公司DCS公司自主开发的SUPMAX800系统。

二、CFBB焚烧垃圾发电厂工艺流程

     2.1循环流化床垃圾焚烧炉
     循环流化床垃圾焚烧处理技术与设备集垃圾焚烧、供热和发电于一体，是一种基于循环流化床燃烧技术而发展起来的、新型的、先进的垃圾处理技术和设备。循环流化床是国家相关行业政策明确推荐的节能环保燃烧炉型。该炉型特别适用于燃用劣质燃料，对生活垃圾的高灰分、高水分和低热值具有较好的适应性。 
     2.2垃圾焚烧工艺流程
     垃圾焚烧工艺流程如图1所示。

  2.3流程简介
     当城市垃圾运到焚烧厂倒入垃圾池后，经抓吊入料斗，从焚烧炉的顶端投放进炉内，落在活动床的中 央；在流化床内，垃圾被剧烈运动的砂粒挤成碎片而很快燃烧掉。产生的蒸汽进入汽轮机做功继而发电，产生的烟气则进入除尘排放或综合利用。

三、DCS控制与管理

     DCS控制系统应建立在功能完善、危险分散、物理分离和负荷均衡的基础上，以便增强系统的可靠性和可利用率川。在此基础上，DCS系统应采用合适的冗余配置，由分散处理单元、过程输入输出通道、数据通信系统和人机接口等组成，具有诊断至通道级的自诊断功能以及高度的可靠性。
     当系统内任一组件发生故障时，均不应影响整个系统的工作。在控制方面，DCS系统应完成模拟量控制系统MCS(modulation control System）、顺序控制系统SCS(sequence control system）、电气控制系统（electrical control system）、数据采集系统DAS(data acquisition system）和锅炉炉膛安全监控系统FSSS(furnaces safety supeoisory system）功能，以满足机组各种运行工况的要求，确保机组安全、可靠、高效运行；在应用方面，DCS系统应易于组态、使用、修改和扩展，具有开放性，易于与其他系统通信；在具体对象设计方面，DCS系统应按垃圾电厂的生产过程，分级分层设计，以便在DCS局部故障或设备故障时，可自动或操作员手动选择较低一级的控制方式，而不致丧失对整个过程的控制。

四、系统实施介绍

     全厂设有一个总控制室，采用炉、机、电集中控制方式对以下内容进行监控： 3x500 t/d的循环流化床垃圾焚烧炉（额定产汽量75t/h ）、装机容量为2xC15MW的抽凝式汽轮发电机组及其辅助系统等。
     4.1分散控制系统（DCS) 
     DCS系统部分主要完成发电生产过程的监视和控制，包括MCS、SCS、DAS和FSSS功能。系统具体配置如下。
     4.1.1上位机配置
     10台操作员站进行生产现场的实时监视和管理，其中包括1台值长站，另设2台工程师站进行组态调试等，并兼做趋势报警服务器。
     4.1.2下位机配置
     14套I/O控制站完成现场信号采集、工程单位元变换、控制和联锁控制算法、控制输出以及通过系统网络将数据和诊断结果传送到上位机。具体分散处理单元（DPU）的配置如下：3台锅炉，共6对（按每台锅炉2对配置，其中燃烧系统1对，汽水1对）; 2台汽机，共4对（按每台汽机2对配置，其中主蒸汽系统、再热蒸汽系统、回热抽汽系统1对，油系统和真空系统l对）；公用系统部分，2对（减温减压、除氧给水各配置l对） ; 远程循环水1对；远程综合水1对。
     4.1.3 配电柜配置
     系统共配置了3套配电柜，即锅炉间1套、汽机间1套、仪表电源柜1套。
     DCS的电源分配柜和仪表电源分配柜均能接收由电厂需求方提供的两路交流220V(1±10%）和（50±l)Hz的单相电源。这两路电源中的一路来自不停电电源UPS，另一路来自厂用电源。仪表电源分配柜内应配有两路电源自动切换装置。
     在各个机柜和站内配置相应的冗余电源切换装置和回路保护装置，并用这两路电源在机柜内馈电。
     在每个机柜内配置2套德国魏德米勒冗余直流电源，且2套冗余直流电源具有足够的容量和适当的电压。每个直流电源都具有在单独运行时负荷率不超过50％的容量。
     任意一路电源故障都应报警，两路冗余的电源应通过二极管切换回路藕合，即在一路电源故障时自动切换到另一路，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。
     每个I/O机柜配备2套德国魏德米勒冗余直流电源，其中24V系统电源采用1+1冗余配置方案，SV系统电源采用2+1冗余配置方案

4.1.4软件版本系统采用的软件版本为：win2000,SUPMAxsoo。 
     4.1.5历史站配置历史站支持网络冗余和工作备用历史站之间的冗余。历史站通过两块以太网卡同SUPMAX800NET网络连接。当工作的网络出错时，服务器会自动切换到另一条网络，从而保证系统的稳定性和控制的连续性。
     分散处理单元（DPU）通过C网在工作和备用的历史站之间冗余数据。
     在一个大的系统中，服务器可以采用分布处理方式，以减轻单机的负荷。上面的这些任务可以完全由单机承担，也可以分配给2台或更多的计算机，如图2 所示。在这种方式下，服务器的任务被分配到4台计算机，大大减轻了单机的负荷，优化了系统性能。

  4.2网络设计方式
     SUPMAX800系统网络取名为SUPMAXSOONET网络，是全冗余的100 Mbit/s高速以太网络，由完全独立的2条网络（A、B网）组成。SUPMAxsooNET网络是SUPMAX800系统的主干网，连接了所有的工作站和DPU。SUPMAX800NET符合国际标准IEEE 802.3,自适应速率为10 Mhit·s-1/100 Mbit·s-1，采用星形拓扑连接方式，并采用有源HUB或SWITCH作为中继器。SUPMAX800NET采用上海自动化仪表股份有限公司自主研发的基于IP的SMCP通信协议，取消了实时服务器结构；并采用完全对等的方式（即点对点技术），减少了系统因服务器崩溃造成整个网络瘫痪的风险。网络拓扑结构如图3所示。

  4.3系统控制方案 
     4.3.1 DAS系统
     数据采集系统DAS由SUPMAX800现场控制站实现所有I/O信号数据采集，并将运行参数、输入／输出状态、操作信息和异常情况等数据实时地提供给运行人员，指导他们安全可靠地操作，同时还进行数据记录和储存，供事故分析信号处理。
     4.3.2 MCS系统
     SUPMAX800系统应用模块化算法软件经合理组态，实现MCS各子系统控制功能。这些子系统包括给水调节系统、主蒸汽温度调节系统、燃烧控制系统、一次风量控制系统、二次风量控制系统和料层差压控制系统。
     ①给水调节系统
     给水调节系统是由蒸汽流量、汽包水位和给水流量组成的三冲量全程控制系统，它的任务是在启动到满负荷正常运行的整个过程中维持汽包水位在要求的范围内。低负荷时（如25％以下），给水调节系统通过调节给水旁路调节阀来保持汽包水位的单冲量控制；高负荷时（如28％以上），则通过调节给水主回路调节阀维持汽包水位。低负荷控制和高负荷控制的切换可自动或手动，且是无扰双向切换。在设计时，水位、蒸汽流量经过温压补偿进行校正，给水流量经过温度补偿进行校正。 
     ②主蒸汽温度调节主蒸汽温度控制系统由二级减温调节组成，采用串级调节；减温器出口温度为导前温度，过热器出口温度为主汽温度，并作为主调参数，负荷（主蒸汽流量）作为前馈。 
     ③燃烧控制锅炉指令（BD) ：根据蒸汽母管压力实际值与设定值的比较，经比例积分微分（PID）运算得到总锅炉指令，然后按比例将指令分配给每台锅炉（BD) ，或者根据总负荷需求按比例分配给每台锅炉（BD）。
     热量信号（HR) ：汽包压力微分乘以锅炉蓄热系数与蒸汽流量之和即为热量信号。
     热量信号与锅炉指令经过高选模块得到输出信号，此输出信号根据锅炉燃料一风特性曲线拟合相应风量后，得到总风量指令，总风量指令减去一次风量指令则为二次风量指令SAFD。
     床温控制：床温为主要控制对象，控制策略是当负荷需求变化时一次风量变化，一次风量变化直接引起床温变化，床温变化则引起给煤量变化，从而达到床温控制，且满足负荷需求。
     ④一次风量控制
     一次风量控制用来保证流化且按负荷需求。 
     ⑤二次风量控制
     二次风量指令SAFD经氧量校正，为最后二次风量指令，与实际二次风比较后经PID运算，调节二次风量。
     负荷需求不变时，不调一次风，主要通过调节煤来满足床温变化。垃圾量不受控，则人工进行操作。
     ⑥料层差压控制料层差压通过排渣（冷渣机转速）来稳定（风室压力由布风阻力和料层差压组成，料层差压由风室压力减空板阻力得到，且对应负荷需求）。 
     4.3.3炉膛安全监控系统（FSSS）
     炉膛安全监控系统（FSSS）执行对供风系统、引风系统、炉膛压力和汽包水位等的监视，一旦检测到危及系统安全的条件，立即进行MFT（main fuel trip）动作，切断主燃料，迫降减温器，并指出首次跳闸原因，给出声光报警信号，进行有关的联锁动作，以保证锅炉的安全。当出现以下情况时，燃烧系统停止。 
     ①MFT保护逻辑由DCS系统组态完成，触发条件为：手动MFT、引风机跳闸、一次风机跳闸、两台返料风机跳闸、炉膛压力高高、风室风压高高、风室风压过低、汽包水位高高、汽包水位低低、床温连续高高、床温连续低低、一次风量低低。 
     ②MFT复位：由热态和冷态不同启动条件经过炉膛吹扫后复位。

五、项目特色

     5.1 现场总线协议HART的应用
     HART(highway addressable remote transducer）可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对较低的带宽和适度响应时间的通信。经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
     系统采用独立的HART协议卡件，可与外部支持HART协议的仪表进行通信。该项目采集现场数据超过800点，连接了不同厂家的仪表，可以在远程计算机上进行相关数据监测、零位校正及量程修改等，并可代替用户亲自到现场，方便实用。
     5.2 性能计算模块的应用
     本系统配置了性能计算模块，包括机炉在线耗差分析与操作指导模块、汽轮机转子应力及寿命在线管理模块等。 
     ① 机炉在线耗差分析与操作指导模块该模块采用等效烩降法和热偏差法相结合的分析方法进行机炉的耗差分析，并动态找出机组耗差的分布。通过机组耗差分析，对机组运行时的总耗差进行分割，动态找出机组能量损失的分布情况，给出各项损失的大小及其产生的原因，实时指导运行人员操作。
     耗差的分析参数包括主蒸汽压力、主蒸汽温度、凝汽器真空、各加热器端差、凝汽器过冷度、给水温度、过热器减温水量、排烟温度和烟气含氧量等。机炉在线耗差分析与操作指导模块可在线计算各参数的应达值、各运行参数偏离应达值造成的热经济性损失，并给出操作指导；可同时显示运行参数的应达值和实际运行值，运行人员不但能了解运行工况和控制水平对经济性的影响程度，而且可以根据影响程度的大小决定参数调整的先后顺序。
     ②汽轮机转子应力及寿命在线管理模块该模块
     用于研究汽轮机转子热应力及寿命的在线监测计算方法和合理的寿命损耗，以确保机组在有效寿命周期内绝对安全前提下，实现安全、经济的优化运行，具有十分重要的意义。
     本模块以汽轮机转子为对象，首先对转子结构及热力特性进行分析，选用合理的几何边界条件和热边界条件；并针对不同的主蒸汽温升率进行转子温度场和应力场分析，结合热电厂运行实际，选定转子最危险截面作为在线应力及寿命监测部位，再按有限差分法原理，开发汽轮机转子应力及寿命损耗在线计算的寿命管理系统。在汽轮机启、停及大幅度变负荷时，模块实现热应力计算、应力超限报警、蠕变寿命损耗和热疲劳寿命损耗计算，并以应力裕度系数的变化实现最佳温升率提示，确保机组的安全、经济运行。
 
六、结束语

     该项目基于上海自动化仪表股份有限公司自主研发的DCS系统，到目前已经连续运行一年多了，运行情况良好，对南通区域垃圾焚烧热电厂的稳定高效运行起到了重要作用。

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