摘要：本文以上海松江某垃圾焚烧发电厂为例，介绍了和利时DCS系统的结构特点，从系统配置、控制功能及实现方法方面，阐述了DCS系统的应用情况。
关键词：DCS；MACS；垃圾焚烧发电；工程师站；操作员站；组态
0引言
垃圾焚烧发电技术作为传统行业派生的新行业，可以高效处理生活垃圾，实现垃圾无害化、减量化、资源化，越来越受到重视并不断得到推广。同常规的火电相比，垃圾焚烧发电以垃圾焚烧为主，发电为辅。城市生活垃圾成份复杂、特性变化范围大、垃圾热值不稳定，非可控因素较多，焚烧过程的控制难度大。整个控制系统的构成上，独立性的要求要高于常规的火电机组。采用DCS控制系统，能保证垃圾焚烧发电的可操作性及管理的灵活性，从而对复杂的垃圾焚烧发电进行高效稳定的自动控制。
1项目概况
上海市松江天马垃圾焚烧发电工程是利国利民的社会公益性项目，使松江区的生活垃圾得到无害化处理，控制垃圾二次污染，对于改善城市环境、提高人民的健康水平具有十分重要的意义。该工程引进日本荏原往复式机械炉排炉，配置4台焚烧炉和2台18MW凝汽式汽轮发电机组，单台焚烧炉处理能力为500t/d，日焚烧处理生活垃圾能力2000吨，年运行8000小时。整个焚烧发电工艺流程主要包括以下几个部分：垃圾焚烧系统、余热发电系统、烟气净化系统、渗滤液处理系统、飞灰输送及稳定化处理系统、辅助工艺系统。由于各工艺子系统流程功能相对独立，要求控制系统能完成相对独立的数据采集和设备控制功能。项目采用了杭州和利时自动化有限公司的HOLLiAS-MACS分布式控制系统作为整个垃圾焚烧发电工程的主控系统，实现炉、机、电集中控制。
2 MACS系统结构特点
HOLLiAS-MACS系统是通过以太网和基于现场总线技术的控制网络连接的由工程师站、操作员站、现场控制站、通讯站、系统服务器组成的全能集成化综合信息系统。
系统硬件由工程师站、操作员站、现场控制站（包括控制器、电源模块和I/O模块）、通讯站、系统服务器、监控网络、系统网络、控制网络等组成。其中监控网络实现工程师站、操作员站、通讯站与系统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O单元的通讯。
如图1所示：
图1 HOLLiAS-MACS系统结构
3 系统配置
本工程采用4台焚烧炉和2台18MW凝汽式汽轮发电机组，4条焚烧线。系统主控单元包括：
1）1#、2#、3#、4#线锅炉焚烧/汽水/ACC控制单元；
2）1#、2#、3#、4#线烟气净化控制单元；
3）l#、2#号汽机及发电机控制单元；
4）焚烧公用系统、汽机公用系统、烟气净化公用系统以及ECS系统的控制。
垃圾卸料、垃圾吊车系统、渗滤液处理系统、地磅称重系统、空压机系统、化学水处理系统、激波清灰系统、SNCR系统、CEMS系统为独立的控制系统，重要的数据通过通讯线进入DCS，在中控室进行监视报警。
DCS主要人机接口硬件配置：
工程师站2台（1台兼历史站A，1台兼SIS接口站）；
CEMS主机1台；
SIS接口站1台（兼工程师站）；
历史站2台（历史站A兼工程师站）；
操作员站7台；
值长站1台；
交换机8台。
DCS控制系统图如图2所示。
图2 DCS控制系统图
机柜分布情况：
电子设备间配有机柜29个，其中电源柜1个，交换机柜1，通讯柜1个，过程控制站26个：1#、2#、3#、4#锅炉燃烧控制站；1#、2#、3#、4#锅炉汽水控制站；1#、2#、3#、4#锅炉ACC控制站；1#/2#锅炉扩展控制站；3#/4#锅炉扩展控制站；锅炉公用控制站；锅炉公用扩展控制站；1#、2#汽机控制站；1#/2#汽机扩展控制站；汽机公用控制站；汽机公用扩展控制站；1#、2#汽机ETS控制站；ECS控制站；1#、2#汽机DEH控制站。
烟气净化电子设备间配有机柜11个，其中电源柜1个，交换机柜1，过程控制站9个：1#、2#、3#、4#烟气净化控制站、烟气净化扩展控制站、1#、2#洗烟废水控制站、烟气净化公用控制站、烟气净化公用及废水扩展控制站。
取水泵房配有过程控制站1个。
循环水泵房配有过程控制站2个。
本工程主控制器采用FM801主控模块，主频100MHz，16MB内存；电源模块采用FM910；I/O模块配置如下：
AI模块 FM148A 8通道
热电阻输入模块 FM143A 8通道
热电偶输入模块 FM147A 8通道
AO模块 FM151A 8通道
DI模块 FM161D 16通道
DO模块 FM171B 16通道
4系统主要控制功能
本工程DCS控制系统以操作员站及工程师站为监控中心，通过鼠标、键盘、显示器等人机交互设备，结合现场热工仪表及工业电视监控，实现对锅炉焚烧系统、热力系统、汽轮发电机组、烟气净化和电气等系统设备的监控，完成数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）及联锁保护等功能。DCS系统控制流程及监测点数量较多，控制调节、联锁保护回路主要集中在锅炉系统及汽轮机系统。
4.1锅炉燃烧控制
锅炉是垃圾焚烧发电工艺中能量转换的核心设备，燃烧介质成份复杂、特性变化范围大、热值不稳定，非可控因素较多，燃烧设备的启停、运行控制难度大。因此，必须有一套高可靠性的锅炉燃烧控制系统。
ACC系统是垃圾焚烧自动控制的核心。在垃圾焚烧运行阶段，ACC根据现场检测到的参数：垃圾层厚度差、炉排燃尽段上部温度、炉膛温度、氧气浓度等，进行数据演算，判断燃烧状况，输出相应的控制命令对推料器、干燥段炉排、燃烧段炉排、燃尽段炉排移动速度和燃烧空气量进行调节，保证燃烧的稳定运行。
FSSS是锅炉安全运行的保证，包括燃烧器系统（BCS）和燃料安全系统（FSS）。锅炉冷态启动时，启动炉膛两侧点火燃烧器对炉排加热，温度升至400℃，满足垃圾初步燃烧的要求。依靠垃圾本身的热量能保持炉温达850℃以上，使焚烧后的有害有机物充分分解。当垃圾热值低、水份含量高、灰份多等情况下，垃圾焚烧的热量不足以维持炉温时，则自动连锁启动炉前的辅助燃烧器系统，补足所需的热量。主燃料跳闸MFT是FSSS中安全措施的核心。当发生引风机跳闸、一次风机跳闸、总风量小于25%额定风量、汽包水位≥200mm、汽包水位≤-200mm、炉膛压力高≥2000Pa、炉膛压力低≤-2000Pa、仪用压缩空气母管压力低、手动紧急停炉任一情况时，快速切断所有进入炉膛的燃料，发出MFT指令。同时联锁进行下列操作：发出声光报警信号；停垃圾给料；停吹灰器；切断点火系统油阀；关减温水阀。
4.2 锅炉汽水系统调节
汽包水位控制是保证锅炉安全运行的重要条件之一。水位过高会影响汽包的汽水分离，使蒸汽携带水份增多，导致管壁结垢影响蒸汽品质。水位过低则会破坏汽包与水冷壁间的水循环，如不及时控制将会使汽包内的水全部汽化，导致汽包损坏甚至爆炸。采用三冲量调节模式对汽包水位进行控制，汽包水位作为主冲量，给水流量和蒸汽流量作为辅冲量，如图3所示。
图3 汽包水位三冲量控制流程图
该控制模式能有效克服蒸汽负荷变化和给水干扰对水位的影响，自动控制调节汽包水位。
主蒸汽的温度控制采用串级PID调节，主蒸汽作为主调节，过热蒸汽为副调节。
4.3汽轮机危急遮断系统
汽轮机危急遮断系统在DEH内实现其功能。ETS将汽轮机主要保护的检测部件、逻辑部件和执行部件构成一个有机的整体，对机组主要参数：汽机超速、润滑油压低、凝汽器真空度低、轴向位移大、轴承回油温度高、前后轴承温度高、推力瓦轴瓦温度高、发电机主保护动作等进行监视，当这些参数超过运行限值时，将关闭汽轮机蒸汽进汽阀以保护汽机安全。ETS接受来自现场的信号或TSI、DCS的接口信号，在保护信号满足时，直接动作现场电磁阀，使汽轮机脱扣，关闭主汽门，汽轮机组紧急停机。
5系统组态
工程师站采用集成的全局数据库和统一的组态工具，运行相应的组态管理程序—MACSV离线组态软件，对整个系统生产过程进行集中控制和管理。组态产生的有关数据及结构以文件形式保存在工程师站上，经联辑后生成供系统运行的数据文件，通过专门的装载命令，将这些数据文件装入系统服务器、操作员站和现场控制站。组态示意图如图4所示：
图4 组态示意图
画面组态工具生成系统运行所需的工艺流程图，用来实现工艺生产过程的在线监控。本项目HMI监控画面包括：锅炉总貌画面、ACC监控画面、燃烧风系统、烟风加热系统、点火系统、排渣系统、汽水系统画面、液压系统、减温塔、布袋除尘、洗涤塔、联锁保护、主监视画面；汽机总貌画面、汽机油系统画面、循环冷却水画面、除氧给水画面、疏水箱系统、中低压蒸汽画面、主蒸汽系统、电调主控、调门试验、ETS画面；公用系统画面。操作员在中控室通过HMI画面，对各系统工艺参数进行实时监控，保证设备的安全运行，清晰地参与和优化生产过程。典型HMI画面如图5、图6所示。
图5 锅炉总貌画面
图6 汽机总貌画面
6 结束语
MACS系统自项目竣工投产以来，运行稳定可靠，完全能满足垃圾焚烧发电集中管理与控制的需要，应用效果良好。根据生产报表统计，2016年6—12月累计垃圾焚烧量349939.13t，总发电量164686200kWh，总上网电量131809475kWh；2017年1—8月累计垃圾焚烧量423896.74t，总发电量206664280.00kWh，总上网电量168899850.00kWh。垃圾焚烧发电既可有效地解决垃圾污染问题，又能实现能源再生，随着计算机技术和智能仪表的发展，垃圾焚烧发电将具有更广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 王常力，罗安．分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M］.电子工业出版社，2005.
[2] 曲岩.ABB公司 DCS控制系统在垃圾焚烧发电厂的应用 [J］.制造业自动化 2013（01）：145-145
[3] 和利 时硬件手册 [J］
[4] HOLLiAS-MACS V6.5.2软件使用手册[J］
作者简介：
郭春伟（1971-），男，本科，高级工程师，主要从事自动化控制工程方面的工作
论文作者:郭春伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/13
标签：系统论文; 汽包论文; 汽机论文; 锅炉论文; 垃圾焚烧论文; 画面论文; 组态论文; 《电力设备》2018年第3期论文;