垃圾焚烧炉往复式机械炉排和给料装置DCS控制技术的探讨实践
时间：2013-06-21
文/《自动化博览》2013年6月第6期 P44-46
为什么多年来，垃圾焚烧炉的往复式机械炉排和给料装置都是由可编程控制器PLC控制的呢？这主要是因为许多国外公司在销售垃圾焚烧炉的同时，就已经把一套控制往复式机械炉排液压驱动系统和给料装置的软件下装到可编程控制器PLC打包卖给了中国用户，而这一套可编程控制器PLC及其软件价格非常昂贵，并且是完全加密的。
但是从垃圾焚烧炉的燃烧控制角度上来说，这样做又非常不合理——因为垃圾焚烧炉的燃烧系统必须根据主蒸汽流量、主蒸汽温度、垃圾厚度来同时调整垃圾给料量、一、二次风量及各段炉排的运动速度。目前，在我国，大多数垃圾焚烧发电厂的主蒸汽流量和主蒸汽温度以及一、二次风量的调整都是由DCS系统来完成的；但是垃圾给料量和垃圾焚烧炉的各段（干燥段、燃烧段、燃烬段）液压驱动炉排的运动速度又都是由可编程控制器PLC来完成的。也就是说，一个完整的垃圾焚烧炉燃烧控制系统被人为地割裂了：分别由DCS系统和可编程控制器PLC来实现；然后再以数据通讯方式来实现DCS与PLC的联系。在有的项目中，PLC与DCS的通讯量达到了上万点。显然，这种控制方式不合理、不科学，代价又非常昂贵。并且一旦可编程控制器PLC与DCS系统之间的通讯出故障，那么整个垃圾焚烧炉的控制就会出现一系列严重问题，不得不同时找到DCS系统供应商和可编程控制器PLC的供应商一起到现场来才能解决问题。
那么，究竟能不能用DCS系统取代可编程控制器PLC直接来控制垃圾焚烧炉的往复式液压驱动炉排和给料装置呢？究竟能不能提供一个完整的、直接的、全部由DCS组成控制的垃圾焚烧炉控制系统（包括垃圾焚烧炉的燃烧系统和汽水系统两大部分）呢？让我们从垃圾焚烧炉往复式机械炉排的主要特点说起吧。
垃圾焚烧炉往复式机械炉排的主要技术特点是什么？
通常，垃圾焚烧炉往复式机械炉排主要特点是：炉排的倾斜度向下为25 左右。炉排由两列炉排片构成，每列炉排片中，又分为固定炉排片和可动炉排片，相互间隔排列。而可动炉排片的逆推运动是由驱动油缸控制的。当可动炉排片逆向运动时，垃圾依靠自身的重力作用，不断翻转、搅拌、破碎、干燥、燃烧，并向前移动。根据燃烧过程本身的需要，往复式机械炉排共分成三段：干燥段、燃烧段、燃烬段；每一段分别配置一对驱动油缸，来独立地控制该段炉排的运动速度。通常称为“三驱动”炉排。
必须指出，这些控制炉排运动的驱动油缸，本身是受比例调节电磁阀控制的：通常，比例调节阀开度增加，就使得液压驱动油缸运动速度加快，进而导致炉排运动速度加快；反之，比例调节阀开度减小，就使得液压驱动油缸运动速度减慢，进而导致炉排运动速度减慢。
与此同时，与三段炉排相对应，在每一段炉排下方设有一个独立的风室，各配置一台独立的变频调速一次风机；风量可以根据干燥段、燃烧段、燃烬段的不同燃烧状况来灵活方便地分别调节。其结构示意图如图1所示。
图1 垃圾焚烧炉的往复式液压驱动炉排结构示意图
由图1可知，往复式机械炉排（逆推炉排）共有三段，因此共配置了3对驱动油缸（每段一对）；并配置了3台独立的变频调速一次风机（每段一个）；所以，干燥段、燃烧段、燃烬段各自的逆推炉排运动速度和风量可分别灵活方便地实现独立调节。值得注意的是：传统的逆推式炉排是不分段的，整个炉排系统只有一对驱动油缸。因此无法根据干燥段、燃烧段、燃烬段三段炉排实际燃烧情况来要求三段炉排具有不同的速度。同时，由于只有一台总的送风机，所以控制系统只能控制总的送风量，而每一段的一次风量往往需要人到现场去进行调整，非常不方便。因此，从燃烧控制角度来看，采用DCS控制的往复式机械炉排（三驱动逆推炉排）是对传统的单驱动炉排燃烧方式的重大改进和创新。
除此之外，在炉膛内，还单独配置了1台变频调速二次风机。因而可以为往复式机械炉排（三驱动逆推炉排）垃圾焚烧炉的风量控制提供理想的、科学的、合理的控制方式。特别是燃烧段的风量能够得到100%的保证，从而确保垃圾在炉膛内可以被彻底焚烧掉。而干燥段的一次风量可以根据负荷情况调小一些；燃烬段的一次风量可以根据燃烬情况灵活调节。各段炉排速度控制的具体情况可在现场调试中确定，并保存在DCS系统的数据库之中。传统的单驱动炉排炉由于只有一台总的送风机而导致风量调节没有如此方便。此外，由于增加了独立的二次风机，因此DCS可以根据锅炉的烟气含氧量来调节二次风机的转速或者入口档板的开度，确保垃圾在炉膛里充分燃烧，并使烟气含氧量达到环保部门的标准。
传统的国外炉排都是PLC控制，用DCS直接控制炉排液压系统行吗？
多年来，进口的炉排型垃圾焚烧炉的炉排液压系统都是由PLC控制的。这主要是因为国外公司在卖垃圾焚烧炉的同时，就把一套控制炉排运动的PLC及其软件打包卖给了国内用户。而这套PLC系统及其软件价格非常昂贵，并且保密。而从技术上来看，PLC主要是在控制炉排液压系统的比例调节电磁阀。而当代的DCS系统也完全有能力控制炉排液压系统的比例调节电磁阀。特别是对和利时公司来说，已经完全有能力控制高速运转的汽轮机液压调节系统，因此控制低速运行的炉排液压系统更是轻而易举的事。
那么，究竟能不能用DCS直接控制炉排的液压系统呢？实践是检验真理的唯一标准。和利时在3个垃圾焚烧发电厂的成功实践回答了这个问题。
和利时与常州绿色动力环保集团股份有限公司紧密合作，已经成功地在江苏武进某垃圾焚烧发电厂、浙江平阳某垃圾焚烧发电厂、浙江永嘉某垃圾焚烧发电厂等，用DCS系统取代可编程控制器PLC直接来控制垃圾焚烧炉的往复式液压驱动炉排和给料装置；为这些工厂提供了一个完整的、直接的、全部由DCS组成控制的垃圾焚烧炉控制系统。
举例来说，江苏武进某垃圾焚烧发电厂已经有3台垃圾焚烧炉往复式机械炉排和给料装置采用DCS系统直接控制顺利投运。其中，第1台垃圾焚烧炉的往复式机械炉排和给料装置已经正常运行5年以上。其余2台垃圾焚烧炉的往复式机械炉排和给料装置已经正常运行4年以上。浙江平阳垃圾焚烧发电厂和永嘉垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧炉往复式机械炉排和给料装置采用DCS系统直接控制已经正常运行2年以上。
综上所述，多个垃圾焚烧发电厂二年以上的运行实践证明：DCS系统完全能够直接控制往复式机械炉排和给料装置，而且效果非常好，全部达到了设计要求。特别是炉排液压控制系统运行非常稳定，修改程序非常方便，用户十分满意。
怎样才能用DCS系统直接控制往复式机械炉排和给料装置的液压系统？
要使DCS直接控制炉排液压系统和给料装置，DCS控制公司就必须对炉排液压系统和给料装置有比较深刻的了解和认识。以江苏武进某垃圾焚烧发电厂为例，和利时技术人员通过对该厂使用的往复式机械炉排和给料装置分析和研究，制定了一整套的控制解决方案。该项目的液压系统是某液压控制公司负责设计并提供全套液压设备的。为规范控制接口，该公司要求把他们的部分控制卡件安装在DCS的现场控制柜内。根据控制要求，DCS系统需要对液压设备的19个液压驱动油缸加以控制：
（1）卡锁装置1：单缸；单轴铰耳；对破桥装置1起到卡锁作用。
（2）卡锁装置2：单缸；单轴铰耳；对破桥装置2起到卡锁作用。
（3）破桥装置1：双缸；缸底单耳；运行时，垃圾进入料斗的左开闭门。
（4）破桥装置1：双缸；缸底单耳；运行时，垃圾进入料斗的右开闭门。
（5）料斗门：双缸；缸底单耳；启停时，料斗中部的密封门。
（6）左送料滑板：单缸；缸底单耳；把垃圾推入炉膛的给料装置。
（7）中送料滑板：单缸；缸底单耳；把垃圾推入炉膛的给料装置。
（8）右送料滑板：单缸；缸底单耳；把垃圾推入炉膛的给料装置。
（9）左列干燥炉排：单缸；缸底单耳；逆推左列干燥炉排，速度可调。
（10）右列干燥炉排：单缸；缸底单耳；逆推右列干燥炉排，速度可调。
（11）左列燃烧炉排：单缸；缸底单耳；逆推左列燃烧炉排，速度可调。
（12）右列燃烧炉排：单缸；缸底单耳；逆推右列燃烧炉排，速度可调。
（13）左列燃烬炉排：单缸；缸底单耳；逆推左列燃烬炉排，速度可调。
（14）右列燃烬炉排：单缸；缸底单耳；逆推右列燃烬炉排，速度可调。
（15）出渣装置：双缸；缸底单耳；炉膛底部定时排渣用。
此外，还有液压系统的变量泵也纳入DCS系统的控制范畴。在绿色动力环保集团股份有限公司的积极指导和配合下，和利时经过半年的努力，终于成功地开发出“往复式液压驱动炉排和给料装置液压系统控制专用软件”，并已经在武进、平阳、永嘉等3个垃圾焚烧发电厂的往复式机械炉排和给料装置中成功投运。
用DCS系统直接控制炉排液压系统有什么重大意义？
目前，在许多垃圾发电厂，由于种种原因，仍然采用了大量的PLC。PLC用于开关量控制非常理想。但是各个厂家的PLC之间基本上不能实现相互通讯。并且DCS系统和PLC之间也往往会出现通讯不畅的问题。这样，PLC往往就容易变成为一个个“自动化孤岛”。
进入21世纪的垃圾焚烧发电行业，必须有代表21世纪水平的垃圾焚烧发电工程项目。那就是要采用最先进的DCS系统和最先进的信息集成技术，不仅要实现先进的控制方案，而且要实现先进的信息管理模式。目标之一就是：用一套DCS系统，来控制整个垃圾焚烧发电厂的机、炉、电以及全厂主要的辅机系统（包括炉排液压系统、化学水处理系统、循环水和工业水系统、出渣系统、布袋除尘系统、烟气处理系统、炉内加药系统、锅炉吹灰系统和空压机站等），从而能够建立覆盖全厂的高效先进的实时信息集成监控系统，实现所有运行设备生产过程信息的 “全厂一体化” 采集、监控和共享。
和利时与绿色动力环保集团股份有限公司紧密合作，已经在向上述目标前进了一大步，今后将逐步实现“全厂一体化”的控制系统和信息系统。
附：作者简介
陶之未（1943-）男，江苏常州人，毕业于清华大学电力工程系，现为杭州和利时自动化有限公司新能源专家组成员。
