垃圾焚烧发电厂垃圾吊和垃圾车作业安全智能联锁工艺研究

2023-08-29周明曾峥陈洋叶君辉姜鹏涛雪伟韦思海

中国设备工程 2023年16期

周明，曾峥，陈洋，叶君辉，姜鹏涛，雪伟，韦思海

（1.中电国际新能源控股有限公司，上海 200086；2.德阳和新环保发电有限责任公司，四川德阳 618003；3.杭州集益科技有限公司，浙江杭州 311200）

垃圾焚烧发电厂的燃料来自发酵后的生活垃圾，焚烧发电工艺主要包括垃圾受料给料系统、垃圾焚烧系统、灰渣排放系统、余热利用系统、渗滤液处理系统、烟气净化系统、飞灰输送暂存固化系统。在垃圾受料给料系统，主要有卸料平台、卸料门、垃圾库、垃圾吊、垃圾料斗以及垃圾吊控制室等。其中卸料门的启闭已基本实现了电气自动化，通过对垃圾车到来和离开的自动感应，实现卸料门地自动开启和关闭。

当前，垃圾库里的垃圾吊作业与垃圾卸料平台垃圾车的卸料作业是互相独立的，二者之间的联动依靠人工实现。通常情况下，垃圾吊操作员通过工业电视观察垃圾车的卸料情况，确定垃圾吊抓取新料的动作时间，避免在垃圾车卸料时垃圾吊到新料区抓料。如何避免人为因素影响，确保垃圾吊抓料与垃圾车卸料安全协同，减少垃圾车等待时长，加快早高峰卸料期的垃圾车进出厂，对垃圾发电厂的安全高效生产运行显得尤为重要。

本文以某垃圾焚烧发电厂为例，设计一套基于PLC的联锁控制工艺，实现垃圾吊与垃圾车作业的自动安全联锁控制，保证作业安全，减少车辆等待时长，杜绝人为因素影响，为同类垃圾焚烧发电厂提供借鉴。

1 垃圾库运行和管理概况

生活垃圾由专用垃圾车经厂区入口设置称重计量设施后，在卸料大厅交通指挥员的统一指挥下，将垃圾卸入垃圾库内。下面是垃圾库的主要运行和管理概况。

1.1 垃圾库组成

某垃圾焚烧发电厂，垃圾受料给料系统，包括卸料平台（卸料大厅）、垃圾库、投料区。垃圾库配置7个卸料门、2 台垃圾吊、2 个投料区（投料口）、1 个垃圾渗滤液收集池等，如图1 所示。垃圾库长51m，宽24m，深17m，有效容积约为20808m3，可储存垃圾约8947t，可储存垃圾时间约7 天。垃圾产生的渗滤液通过垃圾库设置的格栅渗滤到渗滤液池。在垃圾库上部安装两台行车及三台抓斗（二用一备方式），用于垃圾的给料、堆料、倒料。两台垃圾吊的处理能力能完成两条焚烧线的总的垃圾给料及倒料、堆料等工作。

图1 垃圾受料给料系统平面布置图

垃圾吊的运行由控制室操作人员遥控操作，配备手动控制、半自动控制两种操作控制模式。垃圾吊控制室设有垃圾卸料门控制盘，该控制盘上有每个卸料门的开、闭按钮、禁止开启按钮及开、闭指示灯，并能送出每个卸料门的位置信息等信号至远方控制系统。垃圾车辆刷卡进出卸料平台，并把相应信号传给垃圾吊控制室，垃圾吊控制室给出相应的信号开启/关闭卸料门。

1.2 垃圾吊和卸料门已有联锁控制

卸料门工作状态的信号（门开及门闭）由卸料门控制系统送出给垃圾吊控制系统，允许开启信号由垃圾吊控制系统送出给卸料门控制系统作为卸料门控制系统发开启命令的闭锁条件。卸料门开闭与垃圾吊位置进行互锁，垃圾吊工作区域的卸料门不得打开；卸料门将卸料门的位置信号（全开或全关）输送到垃圾抓斗操作室，并可接受来自垃圾抓斗操作室的指令：打开、关闭、禁止开启。

卸料门的就地操作箱有开/关、紧急停止、报警按钮。只能开启垃圾抓斗控制室允许打开的卸料门，为了把垃圾卸入垃圾库，开启后的卸料门在操作人员关闭该门前，一直保持开启状态；如果按下紧急停止按钮，为了确保安全，垃圾吊也联锁停止。

1.3 存在问题

从以上作业规程可以看出，垃圾吊作业与垃圾车卸料之间的联动主要依靠卸料门和垃圾吊的位置互锁，以及垃圾吊控制室人工控制和调度。位置互锁控制方法只能基于当下的垃圾吊和卸料门状态进行互锁，不能对各自的到位时间和运行时间进行有效预测和作业状态控制，影响了系统的运行效率，特别是在早高峰卸料期，垃圾吊与垃圾车之间的联锁，对垃圾车的排队时间和垃圾库的运行效率影响很大。因此，设计一套垃圾车与垃圾吊基于时间预测分析的联锁机制，实现自动联锁，解决人工联锁的问题。

2 联锁控制工艺

2.1 设备组成

如图2、3 所示，在垃圾库顶部靠近各卸料门位置A点分别设置超声波料位计，用来检测卸料区料位高度；垃圾吊大车、小车、抓斗分别安装编码器，用于检测大车、小车、抓斗的位置信息，检测信号连接到PLC1。在卸料平台B 点，设置车辆感应雷达，用于检测车辆到位状态；设置道闸，用于设置垃圾车通行障碍；设置计时器、红绿灯、广播，用于向垃圾车展示通行信号、等待时间、提示声音等；信号连接至PLC2。PLC1 和PLC2 连接互相通信，PLC1 将垃圾车车辆检测信号接入垃圾吊的安全联锁控制回路里。

图2 垃圾受料给料系统纵面图

图3 垃圾吊和卸料平台联锁控制系统示意图

2.2 联锁控制流程

如图2 所示，卸料门高度h1，新卸料的新料区垃圾堆高度h3，垃圾吊抓斗在新料区正上方（即大车小车在指定的区域）时h2，在其他位置时，需加上大车和小车位置。垃圾吊和垃圾车之间的联锁控制设计如下：

（1）当h3 ≥h1 时，则启动红灯、落下道闸，禁止车辆进入卸料平台。

（2）当垃圾车已就位卸料时，即有垃圾车车辆检测信号，则禁止垃圾吊进入h2 ≤h1 区域；已经进入的，断开垃圾吊下降控制指令，并上升使得h2 ≥h1，同时系统发出报警信号。

（3）当垃圾车未就位卸料时，当垃圾吊抓斗在新料区上方进行抓料作业时，计算抓料作业完成时长ΔT1，并在计时器上显示剩余时长，亮红灯，道闸放下状态。当垃圾车中间到达等候时，垃圾车司机可实时获得需等待时长，并提前做好倒车准备。

（4）当垃圾车未就位卸料时，当垃圾吊抓斗在堆料区或其他区作业时，垃圾吊操作员输入垃圾车到位预期时长ΔT，计算垃圾吊到新料区卸料门上部h1 的时长ΔT2 以及垃圾吊到新料顶部并抓料完成的时长ΔT3，比较ΔT 与ΔT2、ΔT3。当ΔT ≤ΔT2 时，先卸垃圾车，垃圾吊继续其他作业；当ΔT ≥ΔT3 时，垃圾吊先进新料区抓料，再垃圾车卸料；其他情况时，优先选垃圾车卸料。当垃圾吊进入新料区上方时，启动计时器ΔT1，亮红灯，道闸放下状态。

2.3 时长计算

垃圾吊的大车、小车、抓斗移动速度目前均采用三档变频控制，经过改造后可实现无级变频。

（1）抓斗作业时长：ΔT1、ΔT11。

抓斗在抓料过程中，抓斗在高度h2 处，变频器控制抓斗提速至V1，再匀速下行，再做减速运动，停在料顶抓料，抓料后启动加速至V1，再匀速上行，再减速上升高度h2。

式中，t1 为抓斗在h2 提速至V1 时长；t2 为抓斗继续匀速下降时长；t3 为减速为0 至料顶h3 时长；t4为抓料时长，为常数；t5 为在料顶启动加速运动时长；t6 为匀速上升时长；t7 为从V1 减速为0 至h2 时长。

通过PLC 设置变频器参数确定抓斗速度V1，以及从速度V1 至0 或0 至V1 的变速时长，即t1、t3、t5、t7可通过变频器参数确定。

当只计算垃圾吊匀速移动到垃圾门h1 高度且不停止时，垃圾吊移动时长

（2）ΔT2 计算。

抓斗从其他区移动到新料区时，为保证抓斗摇摆最小，大车、小车分时移动。因此，抓斗移动至卸料门上部h1 时长为ΔT2，可分解为大车、小车移动时长和抓斗下降时长，即ΔT11+ΔT4。

与抓斗运动相似，大车、小车运动过程又可分解为加速、匀速和减速。

上式中，S大车、S小车为大车、小车移动距离，由当前垃圾吊位置与目标新料区位置确定；V大车、V小车为大车、小车匀速运行速度，t11、t12、t21、t22 分别为大车、小车加速和减速过程时长，由PLC 设定变频器确定。

（3）ΔT3 计算。

抓斗从其他区移动到新料区并完成抓料时长为ΔT3，计算过程与ΔT2 相同，得

2.4 联锁优化控制

在实现垃圾吊任务的同时，采用能耗最低方式执行：在较低速率运行时，垃圾吊能耗较小，在较高速率运行时，能耗较大。在保证作业效率条件下，使垃圾吊能耗最低，执行以下策略：

（1）当垃圾车已就位卸料时，设垃圾车卸料时长为ΔT0，PLC1 计算垃圾吊到达卸料门高度h1 的最快时长ΔT2min 和最慢时长ΔT2max，其中控制参数为抓斗：V1、t1、t3；大车：V大车、t11、t12；小车：V小车、t21、t22，各参数在变频器的允许工作范围。

当ΔT2min≦ΔT0 ≦ΔT2max时，PLC1 调整设置上述各参数，使得ΔT2=ΔT0，使得平均能耗最低。当ΔT0 ≦ΔT2min，则垃圾吊来不及，垃圾吊继续其他作业。当ΔT2max≦ΔT0，则垃圾吊可用最慢速度移动，或先进行其他作业，再调整参数去抓料动作。

（2）当垃圾车未就位卸料时，当垃圾吊抓斗在堆料区或其他区作业时，垃圾车到位预期时长ΔT，PLC1 计算ΔT2min、ΔT2max、ΔT3min、ΔT3max。当ΔT ≦ΔT2min时，先垃圾车卸料，垃圾吊继续其他作业；当ΔT ≥ΔT3max时，先垃圾吊抓料；当ΔT ≥ΔT3min时，PLC1 设置合适的参数，使得ΔT3=ΔT，垃圾吊进行抓料作业；其他情况，优先垃圾车卸料。