垃圾焚燒發(fā)電廠推料器速度控制探討

馬高品

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

在垃圾焚燒發(fā)電廠中，垃圾入爐量和垃圾層厚是決定爐膛燃燒狀況最重要的參數(shù)，采用液壓驅(qū)動(dòng)的推料器負(fù)責(zé)整個(gè)焚燒爐的垃圾供應(yīng)，推料器的速度也是自動(dòng)燃燒控制（Automatic Combustion Control，ACC）系統(tǒng)最重要的控制對(duì)象之一。垃圾焚燒發(fā)電廠推料器控制系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、爐排驅(qū)動(dòng)控制柜、液壓缸、比例閥、位置傳感器等組成。推料器連接液壓缸，由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，爐排驅(qū)動(dòng)控制柜和比例放大器通過調(diào)整比例閥閥芯開度，以控制液壓缸進(jìn)出油流量來(lái)調(diào)整推料器速度，行程開關(guān)和電磁換向閥用來(lái)控制推料器切換前進(jìn)/后退方向，推料器油缸上安裝拉繩式位置傳感器測(cè)量推料器位置。爐排驅(qū)動(dòng)控制柜內(nèi)有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），DCS 與爐排驅(qū)動(dòng)控制柜以PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線方式通訊，實(shí)現(xiàn)在中控室的全時(shí)監(jiān)控［1］。

人工司爐時(shí)，運(yùn)行人員按照爐膛狀況和經(jīng)驗(yàn)調(diào)整給料速度，此時(shí)沒有明確的垃圾層厚的概念，也無(wú)需推料速度與設(shè)定值嚴(yán)格一致，垃圾入爐量?jī)H是統(tǒng)計(jì)垃圾吊累計(jì)抓取垃圾質(zhì)量的數(shù)據(jù)。但在ACC 系統(tǒng)中，垃圾層厚設(shè)定值是通過垃圾入爐量、垃圾密度、熱值等參數(shù)計(jì)算出理論值后再根據(jù)爐溫、蒸發(fā)量等實(shí)際燃燒狀況調(diào)整而計(jì)算出的確定數(shù)值。推料速度是調(diào)整垃圾層厚的手段，推料速度設(shè)定值確定后，即意味著推料速度和給料量已經(jīng)確定，必須保證推料器速度、給料量穩(wěn)定無(wú)偏差，否則垃圾層厚無(wú)法保證［2］。

2 推料速度控制

推料器控制系統(tǒng)如圖1 所示。目前垃圾焚燒發(fā)電廠中推料器速度有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方式。

圖1 推料器控制系統(tǒng)示意Figure 1 Schematic of the feeder control system

2.1 開環(huán)控制方式

通過測(cè)量比例閥開度與推料速度之間的曲線，將推料器速度設(shè)定值SV 通過PLC 程序轉(zhuǎn)化為比例閥開度設(shè)定值KV，從而控制推料器速度（圖2）。該模式中位置傳感器信號(hào)僅具有指示作用（使DCS 監(jiān)控畫面中推料器位置可視化），未參與對(duì)推料器速度的控制。

圖2 開環(huán)控制原理示意Figure 2 Schematic of open-loop control principal

某項(xiàng)目3#爐2 臺(tái)推料器的比例閥開度與推料器速度的測(cè)量曲線如圖3 所示。

圖3 推料器靜態(tài)特性曲線（開度/速度）Figure 3 Static characteristic curve of feeder（opening/speed）

開環(huán)控制方式的特點(diǎn)如下：

1）在正常推料速度范圍（10 m/h 以下），推料速度與比例閥開度有較好的線性關(guān)系。

2）位置傳感器不參與速度控制，位置傳感器損壞或發(fā)生故障時(shí)，正常推料不受影響。

3）由于制造差異，每個(gè)比例閥的開度/速度曲線均不相同，調(diào)試時(shí)需要測(cè)量出每個(gè)比例閥的開度-速度靜態(tài)特性曲線，并在DCS 程序中進(jìn)行線性標(biāo)定。

4）抗干擾能力差，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力變化或比例閥因長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)生量程漂移或零點(diǎn)漂移時(shí)，推料速度將不再準(zhǔn)確。

由于開環(huán)控制抗干擾能力差，而推料器的液壓系統(tǒng)為整條焚燒線共用，當(dāng)推料器、干燥爐排、燃燒爐排、燃燼爐排、出渣機(jī)、料斗擋板等液壓缸頻繁動(dòng)作，液壓系統(tǒng)壓力就會(huì)頻繁波動(dòng)造成推料速度不穩(wěn)，給料不均，垃圾層厚波動(dòng)。

2.2 閉環(huán)控制方式

為解決開環(huán)控制抗干擾能力差的缺點(diǎn)，閉環(huán)控制方式通過位置傳感器數(shù)據(jù)Pt計(jì)算出實(shí)際推料速度作為反饋值Vt，將推料器速度設(shè)定值SV 作為目標(biāo)值，通過PID 調(diào)節(jié)比例閥開度（圖4）。

圖4 閉環(huán)控制原理示意Figure 4 Schematic of closed-loop control principal

式中：Ptm和Ptn分別為PLC 程序中第m個(gè)和第n個(gè)掃描周期時(shí)采集的位移傳感器數(shù)值，mm；Tsc為PLC 的掃描周期。由于PLC 的AI（模擬量輸入）模塊和位置傳感器的分辨率和精度的限制，采集的Pt值會(huì)在誤差約±2 mm 的范圍內(nèi)不停跳變，掃描周期少時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差較大，一般取（mn）×Tsc為1 s 以上進(jìn)行計(jì)算（圖5）。

圖5 位置傳感器數(shù)據(jù)讀取方式示意Figure 5 Schematic of reading mode of position sensor data

某項(xiàng)目閉環(huán)控制方式測(cè)量的推料器速度Vt與速度設(shè)定值SV 的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 推料器速度設(shè)定值SV 與實(shí)際速度Vt對(duì)比Figure 6 Comparison between the set value SV and the actual speed Vt of feeder speed

閉環(huán)控制方式抗干擾能力較強(qiáng)，在PID 參數(shù)調(diào)整合理的情況下，推料器速度可以自動(dòng)調(diào)整比例閥開度KV，將推料器速度快速調(diào)整至給定速度［3］。在液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)和比例閥性能曲線改變時(shí)，PID 模塊也能自動(dòng)調(diào)整KV 值使推料器速度與設(shè)定值保持一致。

3 控制方式優(yōu)化

結(jié)合垃圾焚燒廠的實(shí)際使用環(huán)境及性能要求，上述以速度作為控制目標(biāo)的閉環(huán)控制（速度閉環(huán)控制）方式實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下問題：

1）拉繩式位移傳感器對(duì)安裝的要求很高，需要與推料器油缸完全平行，實(shí)際運(yùn)行中油缸活塞桿會(huì)有小幅轉(zhuǎn)動(dòng)，容易導(dǎo)致拉繩磨損斷開，當(dāng)位置傳感器故障時(shí)，推料器速度將失控。

2）當(dāng)推料器投入ACC 運(yùn)行時(shí)，推料器的速度設(shè)置值SV 是系統(tǒng)根據(jù)燃燒工況自動(dòng)計(jì)算得出，隨著工況的不斷變化，SV 值會(huì)頻繁地變化。如圖6 所示，當(dāng)SV 值頻繁變化時(shí)，推料器的實(shí)際推料量（Vt曲線與時(shí)間軸之間的面積）與給定目標(biāo)量（SV 與時(shí)間軸之間的面積）之間存在差別。

3）如圖7 所示，速度閉環(huán)控制方式僅調(diào)整推料器速度Vt與設(shè)定值SV 保持一致（Pt與SP 的斜率一致），但推料器油缸是前進(jìn)/后退往復(fù)性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)油缸在切換前進(jìn)/后退運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，因油路切換需要時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致推料器實(shí)際推料量與給定目標(biāo)量偏差d越來(lái)越大。

圖7 速度閉環(huán)控制推料器行程Figure 7 Feeder stroke in speed closed-loop control

速度閉環(huán)控制方式中實(shí)際給料量存在偏差的原因在于：①反饋速度以位置傳感器計(jì)算而來(lái)，采集周期需在1 s 以上，反饋數(shù)據(jù)有延遲；②控制目標(biāo)為推料器速度，僅能保證推料速度響應(yīng)設(shè)定值，未考慮累計(jì)行程（推料量），當(dāng)油缸換向推料器暫停時(shí)或推料速度因設(shè)定值變化而調(diào)整時(shí)就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際推料行程與設(shè)定行程存在偏差。

鑒于上述原因，推料器可以直接將其位置作為目標(biāo)進(jìn)行控制（位置閉環(huán)控制），PID 模塊以下一掃描周期的位置SP 為目標(biāo)值，直接以位置傳感器Pt為反饋值，進(jìn)行PID 控制比例閥開度（圖8）。此模式下PID 的目標(biāo)值是不斷變化的數(shù)值，PID 調(diào)控的目的是讓推料器的位置與目標(biāo)位置保持一致。

圖8 位置閉環(huán)控制原理Figure 8 Principal of position closed-loop control

推料器前進(jìn)時(shí)SP 的計(jì)算公式為：

式中：SPt為第t個(gè)掃描周期時(shí)的SP 值；SPt-1為上個(gè)掃描周期的SP 值；Tsc為PLC 的掃描周期。

當(dāng)油缸切換前進(jìn)/后退運(yùn)動(dòng)方向后，位置閉環(huán)控制方式可以快速調(diào)整推料器速度，使Pt值與SP值保持一致，推料器實(shí)際推料量與給定目標(biāo)量沒有累積偏差，如圖9 所示。

圖9 位置閉環(huán)控制推料器行程Figure 9 Feeder stroke in position closed-loop control

以河南某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用1×800 t/d 機(jī)械爐排爐+1×18 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，焚燒爐設(shè)置3 臺(tái)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的推料器，行程為600 mm。將3 臺(tái)推料器解除連鎖，1#推料器采用開環(huán)控制方式，2#推料器采用速度閉環(huán)控制方式，3#推料器采用位置閉環(huán)控制方式，速度設(shè)定值SV相同，分別記錄推料1 h 和2 h 后各推料器的位置狀態(tài)，如表1 所示。

表1 推料器位置狀態(tài)Table 1 Status of feeder position

設(shè)定值為10 m/h 運(yùn)行1 h 和2 h 后，推料器預(yù)期位置應(yīng)為前進(jìn)狀態(tài)400 mm 處和后退狀態(tài)400 mm 處（推料器為往復(fù)式前進(jìn)/后退，10 m/h 的速度運(yùn)行2 h 后，應(yīng)完成16 次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后再前進(jìn)600 mm 并后退200 mm，此時(shí)的推料器為后退狀態(tài)，位置傳感器值為400 mm，累計(jì)行程為600 mm×2×16+600 mm+200 mm=20 000 mm），3 種模式下推料器的實(shí)際推料行程差值分別為：1#推料器（+171mm，+312 mm）、2#推料器（-95 mm，-193 mm）、3#推料器（-2 mm，-1 mm），位置反饋閉環(huán)控制推料準(zhǔn)確性最高，且沒有累積偏差。

4 結(jié)論

1）以液壓油缸為動(dòng)力的往復(fù)式機(jī)械爐排爐和采用ACC 系統(tǒng)的焚燒爐，建議采用位置閉環(huán)控制模式，降低推料量偏差。

2）位置傳感器是保證推料器正常工作的重要設(shè)備，除需保證安裝質(zhì)量外，也要在日常巡檢中注意檢查，當(dāng)油缸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或拉繩磨損時(shí)及時(shí)調(diào)整和保護(hù)。

3）實(shí)際運(yùn)行中，以開環(huán)控制方式作為備用，可降低停爐風(fēng)險(xiǎn)。正常情況下采用位置閉環(huán)控制方式，可保證燃料的準(zhǔn)確供應(yīng)；當(dāng)位置傳感器發(fā)生故障時(shí)，推料器自動(dòng)切換為開環(huán)控制并提示位置傳感器故障，能維持焚燒爐的正常給料，為故障檢修爭(zhēng)取時(shí)間，待故障消除后再切換為位置閉環(huán)控制方式。