引言
近年來，隨著中國城市化進程的加快，垃圾污染日益嚴重，垃圾處理不當將會制約城市的生存與發展。為此，中國專門制定了《全國城市生活垃圾無害化處理設施建設“十一五”規劃》 ，在全國范圍內實施垃圾處理收費制度，并進一步加大了對垃圾發電的政策支持力度。由于垃圾焚燒發電技術具有高效率處理生活垃圾、節約能源、建設周期短以及有利于環保等特點；同時，循環流化床鍋爐CFBB(circulating fluidized bed boilers）具有燃燒效率高、適應性強和燃燒強度大等特點，是值得采用的新鍋爐工藝。所以，采用循環流化床鍋爐焚燒垃圾發電，既能很好地解決城市生活垃圾問題，又能適當緩解近年來的能源危機問題 。
一、項目簡介
上海電氣南通區域垃圾焚燒熱電聯產項目由上海電氣環保熱電（南通）有限公司以BOT方式建設，位于如皋港經濟開發區內，占地12000㎡，日處理城市生活垃圾15oot。該項目的服務范圍為南通市、如皋市、通州市和靖江市的城市生活垃圾。同時，建成后的垃圾發電廠可以對開發區內的各種固體廢棄物進行就地處理。電廠采用先進的煙氣處理裝置，保障了大氣質量；垃圾處理過程中利用焚燒技術發電并網；焚燒發電廠產生的余熱可以作為園區工業和生活用熱的來源。這樣，從垃圾處理、廢氣處理到發電、供熱的問題可以同時解決。項目自建成正式投產之日起經營25年，經營期滿后，將整體無償地移交給如皋市人民政府。該項目包括3臺日處理垃圾500t 、產汽75t/h的循環流化床垃圾焚燒爐，2臺15MW抽凝式汽輪發電機組。項目中DCS系統采用上海自動化儀表股份有限公司DCS公司自主開發的SUPMAX800系統。
二、CFBB焚燒垃圾發電廠工藝流程
2.1循環流化床垃圾焚燒爐
循環流化床垃圾焚燒處理技術與設備集垃圾焚燒、供熱和發電于一體，是一種基于循環流化床燃燒技術而發展起來的、新型的、先進的垃圾處理技術和設備。循環流化床是國家相關行業政策明確推薦的節能環保燃燒爐型。該爐型特別適用于燃用劣質燃料，對生活垃圾的高灰分、高水分和低熱值具有較好的適應性。
2.2垃圾焚燒工藝流程
垃圾焚燒工藝流程如圖1所示。
2.3流程簡介
當城市垃圾運到焚燒廠倒入垃圾池后，經抓吊入料斗，從焚燒爐的頂端投放進爐內，落在活動床的中 央；在流化床內，垃圾被劇烈運動的砂粒擠成碎片而很快燃燒掉。產生的蒸汽進入汽輪機做功繼而發電，產生的煙氣則進入除塵排放或綜合利用。
三、DCS控制與管理
DCS控制系統應建立在功能完善、危險分散、物理分離和負荷均衡的基礎上，以便增強系統的可靠性和可利用率川。在此基礎上，DCS系統應采用合適的冗余配置，由分散處理單元、過程輸入輸出通道、數據通信系統和人機接口等組成，具有診斷至通道級的自診斷功能以及高度的可靠性。
當系統內任一組件發生故障時，均不應影響整個系統的工作。在控制方面，DCS系統應完成模擬量控制系統MCS(modulation control System）、順序控制系統SCS(sequence control system）、電氣控制系統（electrical control system）、數據采集系統DAS(data acquisition system）和鍋爐爐膛安全監控系統FSSS(furnaces safety supeoisory system）功能，以滿足機組各種運行工況的要求，確保機組安全、可靠、高效運行；在應用方面，DCS系統應易于組態、使用、修改和擴展，具有開放性，易于與其他系統通信；在具體對象設計方面，DCS系統應按垃圾電廠的生產過程，分級分層設計，以便在DCS局部故障或設備故障時，可自動或操作員手動選擇較低一級的控制方式，而不致喪失對整個過程的控制。
四、系統實施介紹
全廠設有一個總控制室，采用爐、機、電集中控制方式對以下內容進行監控： 3x500 t/d的循環流化床垃圾焚燒爐（額定產汽量75t/h ）、裝機容量為2xC15MW的抽凝式汽輪發電機組及其輔助系統等。
4.1分散控制系統（DCS)
DCS系統部分主要完成發電生產過程的監視和控制，包括MCS、SCS、DAS和FSSS功能。系統具體配置如下。
4.1.1上位機配置
10臺操作員站進行生產現場的實時監視和管理，其中包括1臺值長站，另設2臺工程師站進行組態調試等，并兼做趨勢報警服務器。
4.1.2下位機配置
14套I/O控制站完成現場信號采集、工程單位元變換、控制和聯鎖控制算法、控制輸出以及通過系統網絡將數據和診斷結果傳送到上位機。具體分散處理單元（DPU）的配置如下：3臺鍋爐，共6對（按每臺鍋爐2對配置，其中燃燒系統1對，汽水1對）; 2臺汽機，共4對（按每臺汽機2對配置，其中主蒸汽系統、再熱蒸汽系統、回熱抽汽系統1對，油系統和真空系統l對）；公用系統部分，2對（減溫減壓、除氧給水各配置l對） ; 遠程循環水1對；遠程綜合水1對。
4.1.3 配電柜配置
系統共配置了3套配電柜，即鍋爐間1套、汽機間1套、儀表電源柜1套。
DCS的電源分配柜和儀表電源分配柜均能接收由電廠需求方提供的兩路交流220V(1±10%）和（50±l)Hz的單相電源。這兩路電源中的一路來自不停電電源UPS，另一路來自廠用電源。儀表電源分配柜內應配有兩路電源自動切換裝置。
在各個機柜和站內配置相應的冗余電源切換裝置和回路保護裝置，并用這兩路電源在機柜內饋電。
在每個機柜內配置2套德國魏德米勒冗余直流電源，且2套冗余直流電源具有足夠的容量和適當的電壓。每個直流電源都具有在單獨運行時負荷率不超過50％的容量。
任意一路電源故障都應報警，兩路冗余的電源應通過二極管切換回路藕合，即在一路電源故障時自動切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統的任一部分失電。
每個I/O機柜配備2套德國魏德米勒冗余直流電源，其中24V系統電源采用1+1冗余配置方案，SV系統電源采用2+1冗余配置方案
4.1.4軟件版本系統采用的軟件版本為：win2000,SUPMAxsoo。
4.1.5歷史站配置歷史站支持網絡冗余和工作備用歷史站之間的冗余。歷史站通過兩塊以太網卡同SUPMAX800NET網絡連接。當工作的網絡出錯時，服務器會自動切換到另一條網絡，從而保證系統的穩定性和控制的連續性。
分散處理單元（DPU）通過C網在工作和備用的歷史站之間冗余數據。
在一個大的系統中，服務器可以采用分布處理方式，以減輕單機的負荷。上面的這些任務可以完全由單機承擔，也可以分配給2臺或更多的計算機，如圖2 所示。在這種方式下，服務器的任務被分配到4臺計算機，大大減輕了單機的負荷，優化了系統性能。
4.2網絡設計方式
SUPMAX800系統網絡取名為SUPMAXSOONET網絡，是全冗余的100 Mbit/s高速以太網絡，由完全獨立的2條網絡（A、B網）組成。SUPMAxsooNET網絡是SUPMAX800系統的主干網，連接了所有的工作站和DPU。SUPMAX800NET符合國際標準IEEE 802.3,自適應速率為10 Mhit·s-1/100 Mbit·s-1，采用星形拓撲連接方式，并采用有源HUB或SWITCH作為中繼器。SUPMAX800NET采用上海自動化儀表股份有限公司自主研發的基于IP的SMCP通信協議，取消了實時服務器結構；并采用完全對等的方式（即點對點技術），減少了系統因服務器崩潰造成整個網絡癱瘓的風險。網絡拓撲結構如圖3所示。
4.3系統控制方案
4.3.1 DAS系統
數據采集系統DAS由SUPMAX800現場控制站實現所有I/O信號數據采集，并將運行參數、輸入／輸出狀態、操作信息和異常情況等數據實時地提供給運行人員，指導他們安全可靠地操作，同時還進行數據記錄和儲存，供事故分析信號處理。
4.3.2 MCS系統
SUPMAX800系統應用模塊化算法軟件經合理組態，實現MCS各子系統控制功能。這些子系統包括給水調節系統、主蒸汽溫度調節系統、燃燒控制系統、一次風量控制系統、二次風量控制系統和料層差壓控制系統。
①給水調節系統
給水調節系統是由蒸汽流量、汽包水位和給水流量組成的三沖量全程控制系統，它的任務是在啟動到滿負荷正常運行的整個過程中維持汽包水位在要求的范圍內。低負荷時（如25％以下），給水調節系統通過調節給水旁路調節閥來保持汽包水位的單沖量控制；高負荷時（如28％以上），則通過調節給水主回路調節閥維持汽包水位。低負荷控制和高負荷控制的切換可自動或手動，且是無擾雙向切換。在設計時，水位、蒸汽流量經過溫壓補償進行校正，給水流量經過溫度補償進行校正。
②主蒸汽溫度調節主蒸汽溫度控制系統由二級減溫調節組成，采用串級調節；減溫器出口溫度為導前溫度，過熱器出口溫度為主汽溫度，并作為主調參數，負荷（主蒸汽流量）作為前饋。
③燃燒控制鍋爐指令（BD) ：根據蒸汽母管壓力實際值與設定值的比較，經比例積分微分（PID）運算得到總鍋爐指令，然后按比例將指令分配給每臺鍋爐（BD) ，或者根據總負荷需求按比例分配給每臺鍋爐（BD）。
熱量信號（HR) ：汽包壓力微分乘以鍋爐蓄熱系數與蒸汽流量之和即為熱量信號。
熱量信號與鍋爐指令經過高選模塊得到輸出信號，此輸出信號根據鍋爐燃料一風特性曲線擬合相應風量后，得到總風量指令，總風量指令減去一次風量指令則為二次風量指令SAFD。
床溫控制：床溫為主要控制對象，控制策略是當負荷需求變化時一次風量變化，一次風量變化直接引起床溫變化，床溫變化則引起給煤量變化，從而達到床溫控制，且滿足負荷需求。
④一次風量控制
一次風量控制用來保證流化且按負荷需求。
⑤二次風量控制
二次風量指令SAFD經氧量校正，為最后二次風量指令，與實際二次風比較后經PID運算，調節二次風量。
負荷需求不變時，不調一次風，主要通過調節煤來滿足床溫變化。垃圾量不受控，則人工進行操作。
⑥料層差壓控制料層差壓通過排渣（冷渣機轉速）來穩定（風室壓力由布風阻力和料層差壓組成，料層差壓由風室壓力減空板阻力得到，且對應負荷需求）。
4.3.3爐膛安全監控系統（FSSS）
爐膛安全監控系統（FSSS）執行對供風系統、引風系統、爐膛壓力和汽包水位等的監視，一旦檢測到危及系統安全的條件，立即進行MFT（main fuel trip）動作，切斷主燃料，迫降減溫器，并指出首次跳閘原因，給出聲光報警信號，進行有關的聯鎖動作，以保證鍋爐的安全。當出現以下情況時，燃燒系統停止。
①MFT保護邏輯由DCS系統組態完成，觸發條件為：手動MFT、引風機跳閘、一次風機跳閘、兩臺返料風機跳閘、爐膛壓力高高、風室風壓高高、風室風壓過低、汽包水位高高、汽包水位低低、床溫連續高高、床溫連續低低、一次風量低低。
②MFT復位：由熱態和冷態不同啟動條件經過爐膛吹掃后復位。
五、項目特色
5.1 現場總線協議HART的應用
HART(highway addressable remote transducer）可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART裝置提供具有相對較低的帶寬和適度響應時間的通信。經過10多年的發展，HART技術在國外已經十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業標準。
系統采用獨立的HART協議卡件，可與外部支持HART協議的儀表進行通信。該項目采集現場數據超過800點，連接了不同廠家的儀表，可以在遠程計算機上進行相關數據監測、零位校正及量程修改等，并可代替用戶親自到現場，方便實用。
5.2 性能計算模塊的應用
本系統配置了性能計算模塊，包括機爐在線耗差分析與操作指導模塊、汽輪機轉子應力及壽命在線管理模塊等。
① 機爐在線耗差分析與操作指導模塊該模塊采用等效燴降法和熱偏差法相結合的分析方法進行機爐的耗差分析，并動態找出機組耗差的分布。通過機組耗差分析，對機組運行時的總耗差進行分割，動態找出機組能量損失的分布情況，給出各項損失的大小及其產生的原因，實時指導運行人員操作。
耗差的分析參數包括主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、凝汽器真空、各加熱器端差、凝汽器過冷度、給水溫度、過熱器減溫水量、排煙溫度和煙氣含氧量等。機爐在線耗差分析與操作指導模塊可在線計算各參數的應達值、各運行參數偏離應達值造成的熱經濟性損失，并給出操作指導；可同時顯示運行參數的應達值和實際運行值，運行人員不但能了解運行工況和控制水平對經濟性的影響程度，而且可以根據影響程度的大小決定參數調整的先后順序。
②汽輪機轉子應力及壽命在線管理模塊該模塊
用于研究汽輪機轉子熱應力及壽命的在線監測計算方法和合理的壽命損耗，以確保機組在有效壽命周期內絕對安全前提下，實現安全、經濟的優化運行，具有十分重要的意義。
本模塊以汽輪機轉子為對象，首先對轉子結構及熱力特性進行分析，選用合理的幾何邊界條件和熱邊界條件；并針對不同的主蒸汽溫升率進行轉子溫度場和應力場分析，結合熱電廠運行實際，選定轉子最危險截面作為在線應力及壽命監測部位，再按有限差分法原理，開發汽輪機轉子應力及壽命損耗在線計算的壽命管理系統。在汽輪機啟、停及大幅度變負荷時，模塊實現熱應力計算、應力超限報警、蠕變壽命損耗和熱疲勞壽命損耗計算，并以應力裕度系數的變化實現最佳溫升率提示，確保機組的安全、經濟運行。
六、結束語
該項目基于上海自動化儀表股份有限公司自主研發的DCS系統，到目前已經連續運行一年多了，運行情況良好，對南通區域垃圾焚燒熱電廠的穩定高效運行起到了重要作用。