基于現(xiàn)場(chǎng)總線的垃圾焚燒發(fā)電廠APS應(yīng)用研究

摘 要：為提高垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行的自動(dòng)化程度，機(jī)組自啟停系統(tǒng)（Automatic Plant Start-up and Shut-down System， APS）的應(yīng)用研究是發(fā)展趨勢(shì)。為探討如何一鍵控制垃圾焚燒發(fā)電廠機(jī)組全流程自動(dòng)啟停，該文以光大環(huán)境公司的某垃圾發(fā)電廠為研究對(duì)象，介紹并分析基于現(xiàn)場(chǎng)總線的APS在機(jī)組啟機(jī)和停機(jī)過(guò)程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)垃圾焚燒發(fā)電廠機(jī)組自動(dòng)化水平的提升具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；APS；一鍵啟停；功能組；斷點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0039-06

Abstract： To enhance the operational automation level of waste incineration power plants， the application research of Automatic Plant Start-up and Shut-down System（APS） stands out as a developing trend. In order to explore how to centrally control the entire process of startup and shutdown in waste incineration power plant units with one button， this study takes a waste incineration power plant operated by Everbright Environment Group as the research subject. The paper introduces and analyzes the design and application of APS based on the fieldbus framework during the startup and shutdown process of the units， which offers valuable insights to advancing the automation level of waste incineration power plant units.

Keywords： Fieldbus; APS; start-up/shut-down with one key; function group; breakpoint

我國(guó)新建發(fā)電機(jī)組朝著大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展，更廣的監(jiān)控面和更繁多的操作設(shè)備對(duì)機(jī)組自動(dòng)化水平提出了更高的要求。目前，機(jī)組自啟停系統(tǒng)（Automatic Plantstart-Up and Shut-Down System， APS）是發(fā)電機(jī)組最高級(jí)的控制系統(tǒng)，可根據(jù)機(jī)組工藝流程并通過(guò)預(yù)設(shè)條件或時(shí)間邏輯判斷向各功能組、功能子組、設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)等發(fā)出啟停命令，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備的全過(guò)程自動(dòng)啟動(dòng)或停運(yùn)[1]。一個(gè)典型火電廠機(jī)組的自啟停順序控制系統(tǒng)如圖1所示，一般分為機(jī)組級(jí)、功能組級(jí)、子功能組級(jí)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)，其原則是保證當(dāng)某些設(shè)備或元件發(fā)生故障時(shí)，操作人員能選擇較低級(jí)的控制水平，不影響對(duì)全過(guò)程的控制[2]。與火力發(fā)電廠不同，垃圾發(fā)電廠主要目的是盡可能多地處理城市固態(tài)廢棄物，同時(shí)控制處理工藝中的環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)，其次才是利用垃圾燃燒余熱發(fā)電。陳鳳[2]以北京高安屯垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對(duì)象，提出實(shí)現(xiàn)全機(jī)組自啟停的必要性。王磊等[3]以鄭州環(huán)保能源工程的垃圾焚燒發(fā)電廠為例，探究了將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和三維可視化等信息技術(shù)與垃圾發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程的工業(yè)化技術(shù)的結(jié)合。黃達(dá)[4]分析了垃圾焚燒工藝中復(fù)雜的控制原則，并以西南某垃圾發(fā)電廠為例說(shuō)明了其基于DCS的自動(dòng)控制系統(tǒng)有助于電廠的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。垃圾焚燒發(fā)電廠的基本功能決定了其機(jī)組啟停控制具有的專業(yè)性和生態(tài)性相對(duì)較高[5]。但是，目前對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電廠機(jī)組APS的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究相對(duì)較少。

APS正常運(yùn)作依賴于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)，它把代替了DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊和各輸入輸出模塊的專用微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制儀表[6]，有利于實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)險(xiǎn)的分散化，而業(yè)界普遍認(rèn)為比較適合過(guò)程自動(dòng)化的總線技術(shù)有3種：PROFIBUS、FF和WorldFIP[7]。與DCS的集散控制相比，現(xiàn)場(chǎng)總線更具優(yōu)越性，其結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。PROFIBUS總線的數(shù)據(jù)均采用數(shù)字信號(hào)傳輸，響應(yīng)時(shí)間小于0.3 ms，提高了信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和抗干擾能力，消除了模擬通信方式中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差，為精確控制提供保障[8]；另外，采用PROFIBUS總線直接連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備，可減少大量接線點(diǎn)，降低由于接線不牢或接線不規(guī)范引起的故障風(fēng)險(xiǎn)，也大大減少設(shè)備占地的面積和成本費(fèi)用。

1 APS架構(gòu)設(shè)計(jì)

博羅垃圾焚燒發(fā)電廠三期項(xiàng)目針對(duì)垃圾焚燒廠的工藝特點(diǎn)和工序設(shè)計(jì)APS，分成啟動(dòng)和停止兩大程控模塊，可實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒廠精確、靈活地一鍵控制機(jī)組全流程自動(dòng)啟停。該APS的啟機(jī)和停機(jī)共設(shè)計(jì)5個(gè)斷點(diǎn)。

APS采用3層結(jié)構(gòu)，包括機(jī)組級(jí)、功能組級(jí)、功能子組/設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)，其結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖3所示。

2 APS一鍵啟停

2.1 機(jī)組一鍵啟動(dòng)控制

如圖4所示，APS在機(jī)組啟機(jī)過(guò)程中劃分了3個(gè)啟動(dòng)斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)3個(gè)啟動(dòng)階段，分別是輔助系統(tǒng)啟動(dòng)、鍋爐上水及升溫、汽機(jī)并網(wǎng)及升負(fù)荷。

對(duì)于處理成分復(fù)雜，含水率高并且熱值極為不穩(wěn)定的各種垃圾，針對(duì)垃圾焚燒過(guò)程中垃圾鋪料配合燃燒調(diào)節(jié)對(duì)完全燃燒起關(guān)鍵作用的特點(diǎn)，如圖5所示的APS-ACC功能組結(jié)合ACC系統(tǒng)控制，對(duì)垃圾在爐排內(nèi)進(jìn)行合理分區(qū)鋪料，啟動(dòng)給料爐排、焚燒爐排，完成布料工作并準(zhǔn)備好一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，以確保焚燒爐從啟機(jī)到正常工況下順利過(guò)渡。

為了更直觀表現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中不同電廠APS啟機(jī)斷點(diǎn)設(shè)置的區(qū)別，下面對(duì)若干電廠APS的斷點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了羅列分析[9-10]，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1可知，多數(shù)電廠APS啟機(jī)斷點(diǎn)設(shè)置3個(gè)及以上，其中國(guó)華舟山電廠的斷點(diǎn)設(shè)置思路簡(jiǎn)明，與該文電廠類似，珠海電廠與華能海門電廠針對(duì)汽機(jī)和電網(wǎng)端部分細(xì)分成3個(gè)斷點(diǎn)，寧東電廠二期、華能海門電廠和安慶電廠都將鍋爐啟動(dòng)部分分成了2個(gè)斷點(diǎn)；而該文電廠的APS將鍋爐動(dòng)作前機(jī)組準(zhǔn)備工作融合為一個(gè)斷點(diǎn)，將鍋爐上水到點(diǎn)火升溫融合為一個(gè)斷點(diǎn)，再將汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)升速、機(jī)組并網(wǎng)升負(fù)荷融合為一個(gè)斷點(diǎn)，整個(gè)啟機(jī)流程只需3個(gè)斷點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了邏輯控制過(guò)程。根據(jù)機(jī)組啟機(jī)前的不同狀態(tài)以及停機(jī)時(shí)長(zhǎng)，APS啟機(jī)一般又分為機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)2套工序。

2.1.1 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)控制

當(dāng)汽機(jī)側(cè)停機(jī)時(shí)間超過(guò)72 h，鍋爐側(cè)汽包壁溫小于100 ℃，機(jī)組進(jìn)入冷態(tài)啟機(jī)工序，如圖6所示，待鍋爐側(cè)系統(tǒng)、汽機(jī)側(cè)系統(tǒng)、電氣側(cè)系統(tǒng)自動(dòng)檢查完畢，APS進(jìn)入冷態(tài)啟機(jī)。

第一階段第一步是依次啟動(dòng)各輔助系統(tǒng)，包括工業(yè)水系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)。第二步是完成鍋爐進(jìn)水，先啟動(dòng)飛灰輸送功能組，使刮板機(jī)和斗提機(jī)皆處于運(yùn)行狀態(tài)，再啟動(dòng)布袋準(zhǔn)備功能組，打開(kāi)布袋除塵出入口總發(fā)，接著啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，使?fàn)t膛內(nèi)負(fù)壓滿足啟動(dòng)要求后再分別啟動(dòng)干法系統(tǒng)和反應(yīng)塔系統(tǒng)。

第二階段第一步是完成鍋爐點(diǎn)火，分別啟動(dòng)燃燒器系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、盤車系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)，點(diǎn)火后汽包壓力起壓開(kāi)始暖管，分別啟動(dòng)旁路暖管功能組、汽機(jī)本體疏水功能組、真空系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)，再投入低旁，啟動(dòng)EH油系統(tǒng)，對(duì)主汽管道進(jìn)行暖管。第二步，鍋爐進(jìn)水并升溫到400 ℃，啟動(dòng)給水系統(tǒng)通過(guò)省煤器進(jìn)行小流量連續(xù)上水，當(dāng)爐膛溫度達(dá)800 ℃時(shí)啟動(dòng)SNCR系統(tǒng)，最終保證爐膛負(fù)壓在-30～-50 Pa之間。

第三階段第一步先復(fù)位各跳閘條件，保證AST、OPC、ASP油壓正常，高中壓主汽門開(kāi)啟正常。第二步汽機(jī)沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速至1 100 r/min，對(duì)機(jī)組進(jìn)行摩擦檢查全面檢查，主要檢查動(dòng)靜部分是否有摩擦。汽機(jī)轉(zhuǎn)速依次達(dá)到3 000、3 500 r/min并最終定速在7 300 r/min。第三步，待汽機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定7 300 r/min，對(duì)機(jī)組全面檢查后，進(jìn)行電氣并網(wǎng)帶負(fù)荷，保證發(fā)電機(jī)功率達(dá)到預(yù)設(shè)值，負(fù)荷偏差小于預(yù)設(shè)值。并網(wǎng)完成后爐排投入，準(zhǔn)備投料。接著機(jī)組升負(fù)荷至額定負(fù)荷70%以上，期間旁路閥關(guān)閉，逐步退出旁路系統(tǒng)，啟動(dòng)APS-ACC系統(tǒng)功能組協(xié)助機(jī)組升負(fù)荷，為ACC系統(tǒng)在正常燃燒工況時(shí)的投用做好準(zhǔn)備工作。至此整個(gè)APS冷態(tài)啟機(jī)結(jié)束。

2.1.2 機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)控制

當(dāng)汽機(jī)側(cè)停機(jī)短于10 h，爐膛溫度大于300 ℃，主汽壓力大于1 MPa，汽包壁溫大于150 ℃，機(jī)組進(jìn)入熱態(tài)啟動(dòng)工序，輔助系統(tǒng)和鍋爐側(cè)的各功能組系統(tǒng)啟動(dòng)流程與機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)相似。汽機(jī)側(cè)熱態(tài)啟動(dòng)工序如圖7所示。

在APS實(shí)際投用后，啟機(jī)平均時(shí)長(zhǎng)較未投用APS時(shí)縮減了約原來(lái)的30%，節(jié)省能耗成本超過(guò)2萬(wàn)元，有效提高了啟機(jī)的效率。崔磊等[11]結(jié)合機(jī)組啟動(dòng)歷史數(shù)據(jù)對(duì)某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)的APS控制進(jìn)行優(yōu)化，使啟動(dòng)時(shí)間比原來(lái)縮短了1/4，節(jié)省成本超過(guò)6萬(wàn)元，既保證了機(jī)組設(shè)備安全又提高了啟動(dòng)過(guò)程經(jīng)濟(jì)性。王會(huì)勤等[12]深度優(yōu)化了某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)的APS控制，一年內(nèi)節(jié)省機(jī)組維護(hù)費(fèi)用和耗電成本超過(guò)100萬(wàn)元，啟機(jī)時(shí)間縮短了原時(shí)長(zhǎng)的38%。以上2則成功案例都表明，目前該文機(jī)組的冷、熱態(tài)啟動(dòng)控制仍存在優(yōu)化空間，為未來(lái)的APS優(yōu)化改造提出了新的目標(biāo)。

2.2 機(jī)組一鍵停止控制

對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電廠，“停機(jī)不停爐”的工況是一般工藝特征，因此APS停機(jī)控制板塊中包含了2個(gè)停機(jī)斷點(diǎn)：機(jī)組降負(fù)荷打閘解列、鍋爐和輔機(jī)停運(yùn)。另外，為應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急事件停機(jī)控制板塊中還設(shè)置了緊急停模式。APS停機(jī)工序如圖8所示，待系統(tǒng)對(duì)鍋爐側(cè)、汽機(jī)側(cè)、電氣側(cè)以及煙氣凈化處理的相關(guān)系統(tǒng)檢查完畢后，運(yùn)行人員根據(jù)需要選擇相應(yīng)的停機(jī)模式，機(jī)組停運(yùn)開(kāi)始。停機(jī)停爐的模式下，機(jī)組停運(yùn)控制分成2條路線，鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)協(xié)同控制，同步進(jìn)行。

在APS實(shí)際投用后，機(jī)組停機(jī)效率顯著提升，比未投用APS時(shí)節(jié)省了約28.5%的時(shí)長(zhǎng)；停機(jī)斷點(diǎn)數(shù)量較其他電廠[9-10]都要少，簡(jiǎn)化了控制流程，停機(jī)過(guò)程中的某些標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)APS都將自動(dòng)保存并上傳至企業(yè)云端的啟停日志供檢查與參考，減輕了運(yùn)行人員的工作量。其具體優(yōu)勢(shì)總結(jié)見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

該文以博羅垃圾焚燒發(fā)電廠三期項(xiàng)目為研究對(duì)象，介紹并分析了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的APS在機(jī)組啟機(jī)和停機(jī)過(guò)程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。相較于其他電廠，該文機(jī)組的APS設(shè)置的啟機(jī)和停機(jī)斷點(diǎn)總數(shù)均最少，極大簡(jiǎn)化控制流程，在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。在APS實(shí)際投用后，機(jī)組啟機(jī)和停機(jī)時(shí)間都有顯著縮減，啟停過(guò)程中重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)、參數(shù)趨勢(shì)、監(jiān)控畫(huà)面等數(shù)據(jù)都將自動(dòng)上傳至企業(yè)云端供檢查和參考，有效提高啟停機(jī)效率和降低機(jī)組檢修維護(hù)和啟停機(jī)的能耗成本，但同時(shí)啟停機(jī)控制仍存在一定優(yōu)化空間。目前，垃圾焚燒發(fā)電廠日益向數(shù)字化和低碳型的智慧電廠轉(zhuǎn)型發(fā)展，機(jī)組APS的應(yīng)用優(yōu)化將是提高電廠自動(dòng)化和智能化水平的重要一環(huán)。

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