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垃圾焚烧锅炉的自动控制系统

2007/5/29 9:19:00

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1 概述
随着城市化的日益发展,如何处理城市发展过程中产生的垃圾成为摆在人们面前的一个重要的课题。目前,垃圾处理主要有3种方式:卫生填埋、堆肥、焚烧发电。3种处理方式各有其优缺点,而垃圾焚烧发电由于具有对垃圾减量化、资源化、无害化的处理效果,正日益受到人们的重视。
目前,国内应用较多的垃圾焚烧锅炉有链条炉、辊轴炉排、往复式炉排、循环流化床等几种类型。本文以广州垃圾电厂引进德国DBA公司的辊轴炉排为例,介绍其典型控制回路。
2 控制水平
垃圾焚烧发电厂的生产过程采用集散控制系统(DCS)在中央控制室进行集中监视和控制,集散控制系统采用SIEMENS公司的PCS7系统。所有操作和监视均在操作员站上执行,外部不设常规操作按钮。
3 主要控制回路描述
(1)燃烧控制系统
采用自动控制火焰温度消除垃圾中的热值波动,达到始终如一的良好燃烧效果(即灰渣中的未燃物质量要尽可能少),燃气的有害物质浓度尽可能低,蒸发能力保持恒定。
燃烧控制系统的配置为:以主蒸汽流量的设定值,通过固定函数和系数来调节燃料和空气量。这些基本设定值根据扰动量的影响做相应调整,如不同的热值等。
主蒸汽流量、烟气中的O2含量、烟气中的CO含量、后燃烧器的温度(仅作为锅炉保护)等控制变量通过燃烧控制保持到其设定值在规定的范围内。
这些控制变量作为主蒸汽流量主控制器、垃圾进料门主控制器、O2含量主控制器、CO含量主控制器的输入值。
各偏差值由主控制器处理并重新定为串级控制回路的设定值信号。
基准值输人为主蒸汽流量,由控制室设定其设定值,而燃气中的CO和O2含量用作副控制回路的设定值。这些参数输入作为对应主控制器的自适应调整,这些调整可以优化控制回路的各种控制参数。
“顺序控制器”或“串级控制回路”是对它们自己进行自整定的控制回路。
为矫正控制变量,采用垃圾进料门的动作次数、炉篦辊速度、炉篦辊的下鼓风量、一至二次风烧嘴的二次风流量校准变量。
燃料供应和空气供给变化对控制器(这里指锅炉/燃烧控制系统)有影响。
(2)主蒸汽流量控制
燃烧控制系统的基本控制由主蒸汽流量控制器控制。它对蒸汽流量的测量值和设定值进行比较,其输出信号控制垃圾进料门的速度和炉篦辊1的速度,校正炉篦辊2,3和4的一次风流量。根据主蒸汽的偏差,在容许速度范围内,1号炉篦辊的速度相对于主蒸汽流量的变化而变化。
注意:对于通过炉篦辊2,3和4速度控制的燃烧回路来说,主蒸汽设定值和主蒸汽测量值间的偏差可瞬时地作为炉篦辊2,3和4速度控制的额外校准参数,不需要用于炉篦辊速度缓慢动作控制的额外控制器。
因此,如果所产生的蒸汽流量超过了规定的设定值,就要对炉篦辊2,3和4进行减速;而如果所产生的主蒸汽流量低于设定值,则要对炉篦辊提速。
一次风流量的控制方式为,在实际主蒸汽流量增加的情况下要降低一次风流量,而在主蒸汽流量下降时,增加一次风流量。
(3)进料控制
(垃圾)质量流量是通过进料装置控制的,即通过(垃圾)进料杆的推送行程和进料门的动作顺序进行控制。
对于垃圾进料门的速度控制,可采用在燃烧控制中形成的设定值控制(设定值可调)。
通过从垃圾进料门位置的PD函数发生器形成的垃圾进料门速度作为测量值送给顺序控制器(PI调节),并与从燃烧控制中得出的设定值进行比较。
(4)O2控制
“主控制器(O2含量)”的任务是提供通过检测的实际主蒸汽流量和实际O2含量形成的校正变量。它提供与CO测量有关的信号,转换为主蒸汽设定值和二次风顺序控制器的设定值。
氧气浓度与规定值的偏差被认为会引起二次风流量的增加或减少。
要控制的O2含量作为测量值送给主控制器。通过主蒸汽信号计算得到的O2含量作为设定值。与其它控制系统不同,设定值不是固定的,而是随所产生的主蒸汽流量浮动。对于部分负荷范围内必要的较高O2含量,可采用一个与主蒸汽和O2含量相关联的可变的、可调整的O2设定值。
此外,O2含量的信号在并人控制器之前被另外送入炉篦辊2和4的一次风流量控制器。
主控制器的校正变量与主蒸汽信号和CO测量值的加权信号相关联,并在高选择后作为二次风顺序控制器的设定值。
(5)CO控制
为了观察和监视CO限定值采用了连续CO测量,如果超过了限定值,向二次风控制器发出一个附加信号,该信号会引进空气流量的短时间增加。
要控制的CO含量作为测量值送给主控制器(PID性能)。
手动调整的限定值作为控制器的设定值。
只有在CO含量超过限定值时,才将CO含量测量并入控制系统中。如CO含量超过限定值,从O2浓度主控制器来的校正变量应另外被CO浓度主控制器(PID性能)的校正变量校正,这个信号事先用该系数进行加权。
与合并同样信号相反,为了降低主蒸汽流量设定值,不为二次风的增加设计等待时间。通过改变PID控制器的设定参数可调整对要调整的二次风流量的影响程度。通过二次风流量的快速增加可以防止CO浓度的过分增加。
(6)炉篦辊速度控制
炉篦辊的速度控制采用在燃烧控制中形成的可变设定值的单独设定值控制。
要控制的炉篦辊速度作为测量值送给辊的顺序控制器(PI性能)并与燃烧控制的设定值比较。
炉篦辊传动速度用炉篦辊齿轮上的电子速度记录器记录并作为补偿变量送给顺序控制器。
顺序控制器把校正的信号送给电机变频器(仅限1#炉篦辊)。
对于垃圾进料门的返回行程,上述设定值通过转换开关由设定的固定值替换(在垃圾进料门的返回行程中的炉篦辊速度)。燃烧控制的设定值、变化值及返回行程值通过其延迟元件送给顺序控制器(速度控制器)。
(7)一次风流量控制
对于炉篦辊的一次风流量控制,每个辊采用单独的设定值控制。其可变设定值通过燃烧控制形成。
测得的变量将进行炉篦的一次风流量、一次风温度、一次风压力校正。
要控制的一次风流量通过延迟元件校正并作为测量值送给顺序控制器(PI性能)。在顺序控制器里测量值与燃烧控制的设定值进行比较。
顺序控制器把校正的信号送给炉篦辊的一次风控制档板。
由于在切换到“手动”功能时主控制器也应闭锁,因此为保证手动/自动的无扰动切换,顺序控制器需要一个补偿变量。另外,如果燃烧控制系统发出“OFF/FAULT”信号,顺序控制器也应切换到“手动”。
(8)一次风压力控制
一次风压力控制是在空气需要量不大的情况下保证恒定的空气初始压力。
该控制器有一个从燃烧控制引出的可变设定值。根据校正的主蒸汽设定值信号,通过换算确定空气部分,由一次风的蒸汽信号成比例的产生(约占总空气流量的70%~80%)。这个信号通过恒定压力控制器的设定值信号转换。
一次风控制器不能向燃烧控制系统发出进一步动作的信号,只能在整个控制系统内起辅助功能。
在炉子预吹扫期间,总的一次风流量通过切换到总的一次风流量控制器进行控制。
(9)二次风流量控制
二次风流量控制采用设定值控制,其可变设定值通过燃烧控制形成。
二次风流量通过延迟元件校正并作为测量值送给顺序控制器(PI性能),与从燃烧控制中得到的设定值进行比较。
(10)一次风温度控制
一次风可用空预器加热到最适于燃烧的温度。
根据一次风温度设定值,通过控制经过空预器的烟气进行预热。
(11)喷油烧嘴控制
烧嘴闭环控制要满足下列要求:
1)通过自动启动烧嘴保证在最后燃烧空气出口处的最低温度850°C应至少保持2s。
2)在超过允许CO极限值情况下启动烧嘴。
3)在设备启动(试生产)期间可手动控制烧嘴负荷。
在垃圾热值太低时,烧嘴控制支持燃烧控制系统。烧嘴控制独立于燃烧控制系统工作。
控制回路的配置与操作方式:用4个温度传感器检测第一锅炉烟道末端的温度,计算其平均值;这个控制信号形成油控制器和燃烧空气控制器的设定值。
如果超过最大允许的主蒸汽流量,则要降低烧嘴能力,通过曲线估算所测得的主蒸汽流量,校正信号为零(无校正值),低于最大主蒸汽范围。高于这个范围,曲线将呈线性上升,引起一个取决于过量的变量,并从烧嘴设定值导出曲线的函数。
烧嘴的能力受最小和最大负荷的限制。
控制器输出(油和燃烧空气)确定调节阀的位置。
4 结束语
以上介绍为DBA公司的辊轴炉排的控制,因各个厂家的垃圾焚烧锅炉的原理不尽相同,在控制方案和控制回路上会有一些不同。

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