基于DCS系统循环流化床垃圾焚烧锅炉温系统的模糊控制优化

陈建强，贺巧利，贾叶芬

（内蒙古化工职业学院 机电工程系，呼和浩特 010010）

垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物，由于排出量大、成分复杂多样、具有污染性，需要进行无害化处理。现今国内外广泛应用的垃圾处理方法是卫生填埋、高温焚烧。国外工业发达国家，特别是日本和欧美，普遍致力于推进垃圾焚烧技术的应用，国外焚烧技术的应用比我国焚烧工艺和设备相对成熟、先进。我国城市垃圾处理起步较晚，但近几年全国各地根据城市实际情况，从对策和规划着手，积极对城市垃圾处理技术进行探索。杭州、常州、天津、绵阳、北京、武汉等城市在学习国外城市垃圾处理技术经验的基础上，自主研发的垃圾机械化堆肥处理生产线、建设垃圾焚烧厂，也为其他城市应用焚烧技术提供了经验[1]。

目前，焚烧垃圾普遍采用循环流化床锅炉，循环流化床锅炉也是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染的清洁型锅炉。循环流化床锅炉因其没有独立的脱硫系统，并且通过炉内投烧石灰石的方式进行炉内脱硫然后利用高压硫化风机使SO2与石灰石发生化学反应，最终达到脱硫目的而成为区别于一般的煤粉炉最大的优点[2]。

由于垃圾焚烧锅炉燃烧效率高、炉膛体积小，床内传热系数高，负荷调节性能好，灰渣可综合利用，而且可以燃烧低挥发性的劣质燃料，通过可燃废物中加入石灰石脱硫，大大地降低烟气中CO、SOx、NOx含量有利于环保，因此垃圾焚烧锅炉在我国的应用发展具有综合的社会效益。

随着计算机分布式控制系统（DCS）被广泛应用于工业生产过程控制，采用分布式控制垃圾焚烧锅及其附属系统，实现整个垃圾焚烧锅炉的监视、控制和连锁保护功能，将垃圾焚烧锅炉的炉膛温度根据不同参数变化维持在某一给定范围内，以便能够实现高效脱硫和防止结焦。

DCS 系统将所有目标参数进行精确化设定，所有设定均可实时在线修改，对垃圾焚烧锅炉的炉膛温度、给料量、汽压等被控对象动态特性进行描述，保证垃圾焚烧锅炉经济燃烧。

本文以呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循环流化床垃圾焚烧炉环保综合利用技改项目为基础，针对循环流化床锅炉的结构及恒功率运行工况等展开研究，特别对影响循环流化床锅炉床温和给料量的参数为重点研究对象，通过数据分析从而得出有效控制循环流化床锅炉床温的技术措施。

1 项目概况

呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司位于呼和浩特市土默特左旗毕克齐镇，厂内2 条生产线独立运行，独立配备焚烧炉及烟气净化系统、汽轮发电机组。焚烧炉采用循环流化床垃圾焚烧，功率为21.5 t/h。汽轮机组采用高效复合型空冷凝型，汽式汽轮机组独立配备12 MW 发电机组，按照额定功率运行每条生产线日燃烧垃圾500 t。垃圾热值低于800 kJ/kg 时采用垃圾中参入燃煤混烧形式，燃煤掺烧量不高于20%。烟气净化系统采用先进的净化工艺“SNCR 脱氮工艺+半干法脱硫净化反应塔+活性炭吸附+布袋除尘器”。渗滤液处理系统采用“预处理+UASB 厌氧反应器+A/O 工艺和MBR 膜系统+NF纳滤膜系统+RO 反渗透”净化工艺[3]。项目的投产运行对于呼和浩特地区及周边旗县垃圾处理起到非常重要的环保意义，同时具有进行垃圾分类指导、节约资源、合理利用资源的社会教育意义。

2 系统结构组成

循环流化床锅炉主要由物料系统、风烟系统、汽水系统、飞灰再循环系统、烟气脱硫系统等组成，结构示意图如图1所示。物料系统是将新燃料和脱硫剂（石灰石）混合后加入到炉膛燃烧室，混合料在风的作用下充分混合，被风烟带出燃烧室的粉尘被分离器二次捕捉，再次返回燃烧室中，形成循环流化反应的过程。

图1 循环流化床锅炉结构示意图Fig.1 Structural diagram of circulating fluidized bed

风烟系统是循环流化床锅炉的核心系统，从炉膛底部吹入的一次风的作用是使新燃料和脱硫剂（石灰石）充分反复混合发生还原燃烧，从燃烧室侧方吹入的二次风的作用是使燃料循环返料在燃烧室得到充足的氧气充分燃烧[4]。

汽水系统是将给水经过省煤器、汽包、水冷壁、过热器后升温、汽化、过热形成高温高压蒸汽，也是整个锅炉系统和汽轮机组进行能量传递的介质。

3 试验与数据

城市生活垃圾大部分是居民家中进行简单分类后投入小区垃圾箱，经过垃圾转运站分类后直接转运到处理地点。生活垃圾水分高热值低（特别是夏季雨季蔬菜和水果垃圾较多，水分含量偏高），成份复杂多变热值波动阈值大，造成垃圾焚烧炉运行工况调节处理难度加大，特别对垃圾焚烧炉炉温的控制成为一个难点。所以垃圾在焚烧之前必须对垃圾中的水分进行处理，进一步通过渗滤将垃圾的水分去除掉。

通过前期进行，而后进行发酵处理约一周时间，最大限度地减少垃圾中的水分含量，才能加入炉内焚烧。通过研究表明，如果燃烧的炉温温度过低，垃圾焚烧达不到固定的温度，很容易产生二噁英等有害气体，二噁英的产生温度在360 ℃～820 ℃之间，若保持焚烧炉内温度大于850 ℃，并控制烟气在炉内充分燃烧停留2 s 以上，即可使二噁英得到有效的分解。所以垃圾焚烧炉温度的控制成为核心要点，炉温的控制不仅有利于二噁英的分解，同时也影响垃圾在焚烧的过程中是否会产生二次污染。

本次试验数据是在呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循环流化床垃圾焚烧炉DCS系统上测定温度和给料量等相关参数，通过前期的资料分析和实践经验得出，确认影响锅炉炉温和给料量的测试试验的因素有4 种：A 一次风量、B 床层厚度、C 二次风量、D 燃料热值。经过与现场生产工程师沟通，综合考虑确定进行正交试验，试验的参数是3 水平4 因素，若进行全面试验，则试验的规模和次数将很大，而且因现场生产管理等条件的限制而难于实施。通过正交试验设计，寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法，所以在这种条件下完全可以用正交试验代替全面试验，因此试验采用L9（34）正交试验设计代替全面试验，通过DCS 系统温度显示实时记录数据，通过调整相应参数得出温度变化上下阈值的平均值取整（为了便于整合计算）作为测量值，给料量通过试验计算测得取平均值。试验因素和水平详见表1。

表1 温度测试的因素水平表Tab.1 Factor level table of temperature test

按照正交试验表L9（34）的试验安排，通过正交试验表改变相对应的参数对循环流化床垃圾焚烧炉炉温和给料量进行测试，因为DCS 系统温度显示实时变化，考虑控制系统实际情况最终取相应参数变化上下阈值的平均值取整作为试验测试数据，正交试验结果经过拟合计算和极差分析处理后其结果如表2所示。

表2 测试正交试验结果Tab.2 Test orthogonal experiment results

根据对数据进行极差分析（不考虑各个因素的交互影响）的结果可知，影响炉温主次顺序是一次风量、燃料热值、床层厚度、二次风量或者一次风量、燃料热值、二次风量、床层厚度；影响给料量的主次顺序一次风量、燃料热值、床层厚度、二次风量或者一次风量、燃料热值、二次风量、床层厚度。无论何种情况一次风量和燃料热值都是作为影响循环流化床垃圾焚烧炉炉温和给料量系统的较为重要的因素，通过极差数据分析观察最优组合是A3B2C2D3，这样既保证了循环流化床垃圾焚烧炉炉温工作在大于850 ℃阈值左右，并控制烟气在炉内充分燃烧停留2 s 以上，最大程度可使二噁英得到有效的分解。同时也保证给料量达到额定值21 t/h 的标准，而且烟道排放物还符合环保指标的各项要求。

4 试验结果分析

为了进一步研究一次风量和燃料热值二者对循环流化床垃圾焚烧系统炉温的影响，进行了扩展性试验，获得一次风量和燃料热值影响循环流化床垃圾焚烧炉炉温图像关系，如图2所示，但是循环流化床内的一次风量主要作用在于流化风与燃烧风，通过调节风量的大小，测量炉温的数值。当风量再增加时床温开始出现下降的情况，分析原因考虑风量的增加使得烟气带走的热量随一次风量增加而升高导致最终炉温不升反降为主要原因。燃料热值影响循环流化床垃圾焚烧炉炉温和给料量理论上是成正比例线性函数关系，但是垃圾焚烧的特点是城市垃圾经过渗水发酵等环节处理后以及城市生活垃圾的成分特点，热值的最高值接近1400 kJ/kg左右，所以通过提高燃料热值的方法来提高锅炉炉温显然不符合垃圾焚烧锅炉的燃烧特点。

图2 一次风量和炉温关系图Fig.2 Relationship between primary air volume and furnace temperature

5 结语

综上所述，为了可以更好地实现对循环流化床垃圾焚烧锅炉炉温和给料量的控制，就需要结合控制系统实际存在的影响因素制定出相应的优化措施，从而对垃圾焚烧电厂的日常运行与生产起到良好的基础保障。促使现代垃圾焚烧电厂的生产与日常运行全面提高对于高效率、无污染技术与设备的运用得到有效的更新换代。

在现代控制理论对循环流化床垃圾焚烧锅炉炉温的控制方案一般都以调整给料量和一次、二次风速配比从而控制炉膛温度，但是存在的问题是床层厚度也会对炉膛温度产生影响，所以把床层厚度也作为控制量，综合考虑现场生产管理试验条件等相关技术指标因素最终确定把给料量和炉膛温度作为观察值。但不论采用几种控制变量和变化幅值，调节其变量既会影响炉膛温度，又同时影响给料量，二者之间存在着严重的耦合关系。因此炉膛温度控制需要兼顾平衡给料量和炉膛温度，不仅要使炉膛温度维持在一定阈值的变化范围内不能出现大范围的波动，还要保证给料量的变化不至于较大地影响负荷的波动。由于引起炉膛温度和给料量变化的参数因素比较多，而且参数之间又相互关联和影响，还存在现场生产管理不允许试验调节各个参数因素的变化阈值过大，所以试验结果数据测量值存在一定的局限性。如果深入研究可采用仿真软件进一步优化试验结果。最终为DCS 系统下对循环流化床锅炉温系统的模糊控制优化起到理论技术支持，特别是垃圾焚烧锅炉的控制起到一定理论意义，对于今后呼和浩特地区及周边旗县垃圾处理起到非常环保的意义，同时加强进行垃圾分类指导、节约资源、合理利用资源的社会教育意义。