危废垃圾焚烧炉控制系统的设计与实现

危废垃圾焚烧炉控制系统的设计与实现

王杰 

徐州海德测控技术有限公司   江苏省 221116

摘要：危废垃圾焚烧处理法由于具有减容性大，无害化程度高，并且还可以通过余热锅炉回收燃烧过程产生的热量，因此成为最有效的危废垃圾处理方法。较普通的生活垃圾焚烧，国家环保局对危险废物垃圾燃烧的各项指标采取更加严格的要求,并且惩罚力度更高。通过调查发现，目前存在的焚烧炉控制以人工控制和半自动化控制为主，这两种方式不能可靠达到危废垃圾焚烧的工艺要求，逐渐不能适应当今对智能化控制的要求。基于此种情况，该文研究设计了一种可以实现焚烧炉自动温度控制的系统，使焚烧炉始终处于最佳燃烧状态。

关键词：危废垃圾焚烧炉；控制系统；设计实现

1危废垃圾焚烧炉结构分析

危废垃圾焚烧炉是一种用钢结构、壁冷水管及耐火砖材料堆砌而成的大型焚烧炉，专用于处理危险废物，可承受较高的温度。其中料斗主要用铁质材料制成，用来存放从库房来的危废垃圾，风室主要用来放置鼓风机；灰室用来储存燃烧后的灰烬，炉排根据降温方式可分为水冷炉排和普通机械炉排，水冷炉排通过循环冷却水降温，普通机械炉排通过自然降温，炉膛又分为一燃室和二燃室，两者之间通过水冷墙体隔开，在二燃室上方安装蒸汽包完成能量转换，由于焚烧炉在运行过程中会释放大量的热，所以焚烧炉配置了水冷壁，可防止焚烧炉的结构在高温下被破坏，烟气处理装置包括冷却塔、脱硫塔布袋除尘器等处理装置。

2焚烧系统控制难点

(1)多变量在危废垃圾焚烧炉控制系统中，需要同时协调配合多个变量共同实现控制要求。其中控制变量包括鼓风机的转速、引风机的转速、炉排的速度、汽包补水泵和喷油阀的通断等，被控变量包括炉膛一燃室和二燃室的温度、炉膛的压力、烟气氧气浓度以及余热锅炉的液位等。(2)耦合性强焚烧系统中的某个控制变量发生变化，势必会引起其他被控变量发生改变。例如焚烧炉内温度发生变化，系统首先会改变炉排和鼓风机运转的速度，从而改变焚烧的燃料量和空气含量，并且由于鼓风机送风量的增加导致烟气中氧气含量发生变化，同时炉膛原本稳定的负压平衡状态被破坏，为继续维持炉膛负压的状态，引风机也应该跟随鼓风机增大转速。但在众多的耦合关系中，根据对结果影响程度的大小分为主要影响因素和次要影响因素，在对被控变量施加控制时仅考虑主要影响因素。(3)随机干扰多系统运行过程中存在很多外部干扰。运送到库房垃圾水分含量会对焚烧过程产生影响，外界环境温度的变化也会影响炉内温度的波动，同时蒸汽包受热面积结焦、蒸汽负荷变化会对余热锅炉系统产生影响。(4)滞后性大焚烧炉的自动燃烧控制属于过程控制，控制任务包括温度、压力、液位等。当系统测量值低于设定值时，系统通过改变控制变量状态，使被控值向设定值方向发展，并最终稳定在设定值附近。从系统发出指令到实现控制要求的过程，需要经历很长时间，导致控制过程的存在明显的滞后性。因此充分考虑这些因素，保证系统安全稳定且经济的运行成为设计危废垃圾焚烧炉控制系统的难点。

3危废垃圾焚烧炉控制系统的设计与实现

3.1控制系统方案设计

危废垃圾焚烧炉控制系统采用PLC结合上位机的方式。使用不同类型的传感器将现场的温度、压力等模拟信号传送至控制器PLC，执行运算后将结果传送至风机、炉排等执行装置的变频器，完成自控要求，当燃烧过程出现故障时，PLC执行报警程序，完成紧急处理。控制器与上位机通信，使用组态软件建立人机交互界面，监控燃烧过程中的炉膛压力、温度和汽包水位等工艺参数，必要时也可干预焚烧炉控制。

3.2送料系统

喂料系统主要是将危废垃圾从垃圾池运送到料斗中，并按照要求送入炉膛中。其中主要的被控对象有垃圾输送装置和液压推料油缸，垃圾输送装置是由变频器控制的输送带组成，可根据料斗和炉排的状况动态调整垃圾的输送速度。液压推料油缸可根据炉膛的燃烧状况调整送料量，当燃烧状况良好可适当增大燃料量，当燃烧状况欠佳时可减少燃料量。PLC程序的主要任务是通过设计程序实现对传送带和推料油缸的顺序控制，使喂料系统按照设定的时间和速度运行，并可以根据燃烧工况自动调整。

3.3风网系统

风网系统不是独立起作用的，与送料系统协作维持焚烧炉温度稳定。风网系统包括鼓风系统和引风系统，鼓风系统主要是为焚烧炉的稳定燃烧提供充足的氧气，引风系统用来维持焚烧炉内部呈微负压状态，保证火焰不外泄以及烟气可以顺利地排出。

鼓风系统主要由10台鼓风机、变频器及温度传感器组成。鼓风机从垃圾池上方抽取空气，经过省煤器加热之后从焚烧炉排下方送入，根据控制作用分为一次风机和二次风机。当炉膛温度传感器检测到焚烧炉的温度低于设定温度时，PLC通过PID运算后发出增加燃料量的指令，同时控制器根据燃料量计算所需空气量，并将运算结果送给变频器，达到控制风机的目的。

3.4PLC与上位机

在焚烧炉控制系统中，上位机作为系统主站要与PLC从站进行数据交换，获取焚烧过程中的参数信息，因此选择合适的通信协议是保证系统快速响应的关键。PLC本身集成了RJ45网络接口，并提供了PPI和TCP/IP两种通信协议可供选择，在传统的PLC自控系统中，经常使用PPI协议实现PLC与上位机组态软件之间的通信，但是由于抗干扰能力和传输速度的局限，该协议在焚烧炉控制系统中应用效果并不理想。TCP/IP通信协议因为其传输速度快、协议标准公开等特点被广泛应用在局域网通信领域，可为多个工业智能设备之间提供可靠的站点连接，因此选择使用TCP/IP通信协议实现PLC和上位机之间数据交换，不仅可以提高数据传输速度，同时也解决了多设备同时访问PLC的问题。

3.5蒸汽回收系统

蒸汽包作为能量转换装置，将垃圾焚烧后产生的热量转换为具有一定压力的蒸汽，实现资源回收再利用。蒸汽回收系统主要由蒸汽包、压力传感器、温度传感器、水位传感器、水泵组成。为确保输出合格的高温蒸汽，系统要求将蒸汽包的液位、压力和温度维持在设定的范围内，在蒸汽回收系统中，传感器将蒸汽包的压力、水位、温度等参数传送到PLC进行运算处理，同样采用控制精度高的PID算法，控制给水阀门实现对汽包液位的控制。

3.6辅助燃烧系统

辅助燃烧系统用于焚烧炉的第一燃烧室启动时的迅速升温以及在停炉时保持缓慢降温，同时当第二燃烧室不满足使烟气在850℃的环境中保持2s的条件时，通过启动辅助燃烧装置提高温度。该系统用柴油为燃料，主要包括点火燃烧器、辅助燃烧器等装置，点火燃烧器安装在一燃室的炉膛中，当焚烧炉启动后，燃烧器开始工作，实现炉膛升温并点燃垃圾废料，完成整个焚烧系统的第一步；当温度传感器检测到二燃室温度低于设定温度时，辅助燃烧器启动，当温度高于设定温度并稳定一段时间后，辅助燃烧器自动关闭。

结论

该文以危废垃圾焚烧炉为研究对象，设计了基于PLC的焚烧炉自动控制系统。通过实践证明，该系统具有响应速度快、控制精度高、运行稳定性好的优点，大大提高了垃圾处理速度，也减轻了工人的劳动强度，上位机监控界面可以显示焚烧炉运行参数，便于工人对系统全面的掌控，并且故障报警显示功能可以及时显示设备故障，保障系统运行安全。系统整体设计合理，运行可靠，为垃圾焚烧炉控制系统的研究积累了经验，具有一定的推广价值。

参考文献：

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