西门子全集成自动化解决方案在宁波市垃圾焚烧发电厂的应用

前言：

        众所周知，环境保护是构建和谐社会，落实科学发展观的一个重要组成部分。近年来，随着我国经济增长和人民生活水平的持续提高，城市生活垃圾产生量不可避免地快速增加，垃圾构成成份也在发生着变化。如何科学、经济并有效地进行垃圾处理并充分利用这些资源变废为宝已成为世界范围共同关注的环境保护问题。垃圾焚烧发电作为城市生活垃圾处理的一种方式，正在受到越来越多的重视并被认为是目前无害化、减量化和资源化的最有效的垃圾处理技术之一。我国“九 五”环境目标中明确指出：“到2010年基本改变生态环境恶化的情况，城乡环境质量有比较明显的改善，建成一批经济快速发展、环境清洁优美生态良性循环的城市和地区。”垃圾处理是我国实现可持续发展道路的重要组成部分，全国各大城市及沿海城市经济发达的地区都在积极采取垃圾焚烧的处理方式。

        对于一座现代化的垃圾焚烧发电厂而言，自动化控制系统作为发电厂日常生产运行的中枢，通过对焚烧炉、余热锅炉、汽轮发电机等主体设备和相关辅助设备的工艺参数、状态进行监测，并根据既定控制逻辑与策略，实现对整个生产过程状态监视、运行操作、过程控制、事件报警、联锁保护等功能，对保证机组安全稳定运行、提高生产效率和控制成本起着举足轻重的作用。

宁波市垃圾焚烧发电厂简介

        宁波是我国重要的港口城市和沿海开放城市，也是计划单列市和副省级城市，社会经济发展水平较高。宁波市垃圾焚烧发电厂位于宁波市北仑区小港，占地256亩。采用3台从德国NOELL公司引进的适合处理低热值、高水份生活垃圾的大容量顺推阶梯式焚烧炉和2台6000kW的汽轮发电机组及配套系统。每台焚烧炉的日处理垃圾量可达350t，采用母管制运行，是我国第一个千吨规模、采用主流技术的垃圾焚烧发电厂。电厂的部分运行参数已被吸纳在国家有关标准之内，其建成投运开创了国内同行业“建设速度、投资控制、处理能力、焚烧质量”的新纪录，在我国垃圾处理和资源综合利用领域具有里程碑意义。上海浦西垃圾发电厂及杭州滨江、天津泰新等许多垃圾焚烧发电厂都曾先后组织员工来此进行培训、学习，也从一个侧面印证了宁波市垃圾焚烧发电厂在国内同行业占据的领先地位。

宁波市垃圾焚烧发电厂外景

面临挑战

        相对于传统的火力发电机组而言，垃圾焚烧机组控制系统虽然在规模上不算很大，但由于涉及燃烧控制的参数比较多，控制对象复杂，因此是一个需要根据行业工艺特征专门设计配置控制单元和控制策略算法的复杂系统。宁波市垃圾焚烧发电厂在选择全厂自动化控制系统时，借鉴国外同类企业的成功经验并充分考虑自身情况，对控制系统的要求可归纳为以下几点：

1.      高度的系统可靠性

        毋庸置疑，考量一套自动控制系统时，可靠性永远是最基本也最重要的先决条件。垃圾焚烧发电厂的控制系统不仅掌控着全厂的生产过程控制，还要根据同一批次不同的垃圾成份快速调整控制程序，以保证焚烧工艺的安全性，严格避免产生二次污染。因此，对于垃圾焚烧发电而言，控制系统可靠性显得尤为突出。

2.      灵活、开放的分布式控制体系

        与传统的火力发电机组相比，垃圾焚烧发电厂的系统构成具有较为明显的独立性。分布式控制系统具有的先进性可满足垃圾焚烧发电的现实可操作性和管理的灵活性的需求并避免“自动化孤岛”的出现。综合国外一些成功案例和控制系统总体发展潮流来看，基于现场总线技术、高度集成的分布式控制系统是垃圾焚烧电厂最佳的选择方案。

3. 优越的性价比与较短的开发周期

        传统的DCS系统虽然功能强大、技术成熟、广泛应用于火电机组的主控系统，但同时也势必带来高投入及昂贵的运行维护成本，并不符合我国垃圾焚烧发电厂的现状需要，因此，在系统选型过程中，具有突出性价比和易学易用、开发周期短的系统将占有明显的优势。

        最终，西门子公司提供的基于Profibus现场总线的SIMATIC PCS7过程控制系统在众多颇具实力的竞争者中脱颖而出，担负起了为宁波市垃圾焚烧发电厂保驾护航的重任。上海西门子工业自动化有限公司（以下简称SIAS）除承担了常规控制系统硬件集成及软件组态的工作以外，还开发了专用于垃圾焚烧行业的功能库，操作面板及专用于垃圾焚烧行业的报表系统,同时进行了现场投运配合及操作手册和系统维护手册的编写。

宁波市垃圾焚烧发电厂生产工艺

垃圾焚烧发电工艺流程图

        如图，垃圾由车辆运输进厂后首先经地衡、卸料平台进入垃圾贮坑，垃圾在贮坑内存放时经过发酵、排出渗沥水后可提高进炉垃圾的热值，又使垃圾容易着火燃烧，然后由垃圾抓斗将垃圾投入给料漏斗，再通过水冷式给料斜槽进入焚烧炉，给料炉排定量地向燃烧炉排供应垃圾。燃烧炉排是整个燃烧设备的核心，分左右两区，四级燃烧炉排的速度可根据需要人为进行设定。一、二次风在空气预热器中由汽机抽汽加热。加热的一次风供应到干燥区和燃烧区炉排下。末级炉排是燃尽区，不需要预热空气。二次风在第一烟道的前后墙同一高度上喷入，以使助燃空气和烟气充分混合并充分燃烧。燃烧器用以保证炉温维持在850℃以上至少2秒以防止垃圾低温燃烧时产生有害气体。燃尽的垃圾从最后一级炉排离开焚烧炉落入灰渣贮坑中。燃烧后的烟气通过余热锅炉的受热面，产生过热蒸汽，来驱动蒸汽轮机发电。炉渣通过渣车送至专门设置的炉渣处理厂实现相应的循环利用，冷却的烟气经过喷加石灰和布袋除尘净化处理后排出，同时，烟道还随时添加活性炭用以除去可能由二次污染产生的有害气体。

实施方案

全厂DCS控制系统结构示意图

        宁波市垃圾焚烧发电厂三炉二机DCS控制系统从功能上可以划分为工厂级、车间级和现场级三个层次：

1.      工厂级(上层、管理层)

        设置在中控室的上位系统采用客户机／服务器（C/S）结构，通过遵循TCP/IP网络协议的100 Mb快速冗余以太网进行计算机间的管理数据交换，所有的站点均通过4个智能交换机OSM连接到系统中。配置工程师站（ES）一套，用于工程项目的组态、系统运行的监视，Profibus-PA现场总线仪表的维护。ES站兼做服务器（OS SERVER），完成实时数据的采集、历史数据的记录及报警信息的发生记录。系统配置冗余的OS SERVER一台，兼做操作员站，和ES站一起完成实时数据采集。当ES站发生故障时，冗余OS SERVER承担主SERVER功能，等ES恢复后，冗余SERVER将ES在故障期间的过程历史记录送往ES站，从而保证ES站数据的完整性。这种SERVER间的切换对操作员是无扰动的。另配置三台客户端（OS CLIENT）作为操作员站，从SERVER获得过程数据并可进行相应操作，其中两台OS CLIENT配备双显示屏，另一台配备大屏幕显示器。

上位机监控主界面