浅谈垃圾焚烧炉炉排控制系统

浅谈垃圾焚烧炉炉排控制系统

摘要：文章以400T/D垃圾焚烧装置为例，介绍了炉排控制系统的控制工艺，并对每个子系统的控制方案进行了详细介绍。

关键词：垃圾焚烧；炉排控制；相位超前；阻力控制

引言

伴随着中国经济的快速发展和城市化进程不断加速，工业垃圾和生活垃圾问题已成为制约城市发展的瓶颈。如何治理这些废弃物已成为摆在我们面前急需解决的一个重要课题，现行的垃圾处理主要有卫生填埋、堆肥、焚烧、废品回收等方式。这几种处理方式都各有其优缺点，其中焚烧处理具有减量效果明显、无害化彻底、占地量小、可回收能量用于供热和发电等优点，符合我国可持续发展战略的要求，正日益受到人们的重视。目前国内应用较多的垃圾焚烧锅炉主要有炉排型焚烧炉、流化床焚烧炉和回转窑式焚烧炉等几种类型。

常规炉排型焚烧炉可以分为顺推式和逆推式两种形式。杭州新世纪能源环保工程股份有限公司开发的二段式垃圾焚烧装置是在充分吸收原有垃圾焚烧装置的设计、运行经验的基础上结合两种炉排形式的特点研制的，优于单一的逆推式或顺推式炉排，特别适合于焚烧处理我国城市不分拣的低热值、高水分垃圾，具有适应热值范围广、负荷调节能力大、可操纵性好等特点。其垃圾焚烧装置在国内具有相当广的市场占有率，我公司作为其焚烧装置的炉排控制系统的长期分包供应商，在大量的工程实践中，积累了丰富的成功经验，但也遇到了广受关注、需要研究的一些问题。本文以400T/D垃圾焚烧装置炉排自控系统为例，期待能为同行们提供有益的参考和借鉴。

1工艺流程

垃圾经过环卫部门收集运送至垃圾焚烧电站，存储在垃圾堆放池中，经抓斗充分混合搅拌后送入落料槽，通过液压式推料机按设定速度加入炉内，垃圾在炉内运动的炉排上燃烧。焚烧过程中，用于助燃的一次风经预热后由炉排下方的空气室吹入，使入炉垃圾快速干燥、着火和燃烧。高温二次风由炉排上部的风管高速吹入，使烟气得到充分扰动，以改善燃烧状况。

二段式垃圾焚烧装置分为逆推段和顺推段两个燃烧区域，其主要流程为：抓斗将垃圾从垃圾堆放池送入落料槽，在推料机的推送下进入炉膛，落在倾斜的逆推炉排上，垃圾在床面上不断翻滚、搅拌，完成干燥、着火、燃烧三个过程，随后在逆推炉排末端的料层调节装置上经过一段落差掉入顺推炉排床面上继续燃烬，最后灰渣经出渣机排出炉外。

2系统组成

焚烧炉炉排控制系统是垃圾焚烧炉自动控制的核心部分，该系统运行的好坏将直接影响焚烧炉的运行状况和蒸汽产量，进而影响机组的发电量。焚烧装置的炉排控制系统由PLC来实现，采用基于锅炉蒸发量或炉温稳定控制原理，以保证焚烧炉根据设定的数值实现稳定、可靠的运行。控制系统采用西门子S7-300PLC为控制核心，配置西门子OP277操作屏完成参数设置、部件调试、手动操作等功能，图1为OP277操作屏初始画面。控制柜内置7只Bosch-Rexnoth比例阀放大器组件。炉排控制系统通过PROFIBUS-DP通讯接口可在主控室内进行监控和调整各相关参数。炉排PLC控制系统通过液压驱动系统控制炉排的启停、运动速度和启停周期等，液压系统由液压泵站、液压阀台以及液压管路等组成。液压泵站提供驱动液压阀的动力油源，液压阀台集中布置液压比例方向阀、电磁换向阀、同步马达、减压阀、溢流阀、单向阀等组件用以控制炉排片的运动方向和运动速度。液压

系统一般由垃圾焚烧炉生产厂家配供，由炉排PLC系统来完成控制，垃圾炉排自控系统可由料斗系统、逆推炉排、顺推炉排、料层调节系统、液压泵站等系统组成。

图1 OP277操作屏初始画面

2.1料斗系统

料斗系统分为落料槽挡板门和破桥装置两部分，落料槽挡板门由两只液压缸控制启闭，采用机械刚性同步。配置双向液压锁来锁定落料槽挡板门液压缸，使挡板门能停在任何位置。挡板门启闭位置上设有接近开关，利用单向节流阀来调节挡板门运动速度。挡板门在机组启动阶段炉膛温度未达标准之前关闭，等启动燃烧器后将炉膛升温达到“850℃/2s”标准时打开，机组停运时关闭。破桥装置由两只破桥液压缸和一只锁定液压缸组成，破桥装置和锁定装置起始位置上分别装有接近开关，两破桥缸采用同步马达确保同步。锁定液压缸用于破桥装置不用时防下滑保护，破桥缸回位5s后要求锁定缸动作。配置双向液压锁用来锁定破桥装置液压缸，使破桥装置能停在任何位置。利用单向节流阀调节破桥装置运动速度。破桥装置用作结块垃圾的破碎，防止搭桥。料斗系统一般采用手动控制，垃圾吊司室亦可实现落料槽挡板门开关，但不具有优先权。

推料机设有三组平行布置的滑动平台，每组滑动平台分别由一支油缸驱动，液压缸上外置旋转编码器。推料机配置前限、后限和中间位置接近开关，由溢流阀控制推料压力，同步马达确保三支推料液压缸同步动作。比例方向阀的输入电流由伺服比例放大器提供，比例放大器可以将来自PLC的控制电压信号转换成比例方向阀的输入电流改变推料缸运动速度。推料机炉排是一种垃圾容量分配装置，用来推动垃圾在最佳条件下从落料槽送入燃烧室。推料炉排不提供燃烧空气，目的是保持燃料供应与燃烧区分隔开（用这种方法可避免在给料槽上发生突然着火）。

推料机自动循环顺控步序：首先推料机从启动位置按设定速度缓慢朝前运动，直至前限短暂延时后停止速度为零。等待3s后给料炉排按设定速度快速回撤，直至启动位置停止速度为零。在下一个周期运动前有个停止时间，就这样不断地往复循环运动。

推料机有长行程、短行程两种工作模式。一般建议在炉排刚启动时选择长行程，使垃圾迅速落到炉排上，正常运行时选择短行程。如果是选择在长行程工作，推料机工作行程为后限接近开关至前限接近开关。如果是选择在短行程工作，推料机工作行程为中间位置接近开关至前限接近开关，通过调整推料机中间接近开关位置可以调整短行程实际行程。运行当中应根据垃圾种类进行调整，灵活选择合适的行程，若行程太大，一次进入炉膛的垃圾过多，造成炉温波动大，影响焚烧效果；若行程过小，则造成供料不上或缺料。短行程运行时推料机同步累积误差修正在油缸伸至极端位置实现，因此必须设定合适的行程延长时间，使推料机推到前限位置后，继续向前推至极限位置。每次大幅度改变推料进速度后应重新调整行程延长时间。其时间设置满足油缸进到极端位置后再停留（2～3）s为最佳。推料油缸位置和速度通过油缸上外置旋转编码器来测量显示，OP277推料机画面上的棒图对应推料油缸的实际位置，每到零位（油缸完全缩回）时位置信号自动清零。所以当发现位置信号与实际偏差大时只须将其归零。

推料机控制有如下关键参数需设置：启停控制模式；间隔运行时间；前进、后退速度；原位停止时间；行程延长时间等。

2.3逆推系统

三列逆推炉排分别由左中右三只油缸驱动，每只油缸的起始位置均装有接近开关，通过液压缸上外置旋转编码器，OP277逆推画面上能形象地反映各个液压缸的位置和速度。每支液压缸装有顺序阀，确保故障等情况下液压缸的行程能自锁；液压缸速度由比例方向

阀进行开环调节，每支液压缸速度单独可调。

压力补偿器能确保比例阀、节流阀口前后压差基本为恒定值，从而使液压缸的运动速度不受负载变化的影响。比例方向阀的输入电流由伺服比例放大器提供，比例放大器可以将来自炉排PLC的控制电压信号转换成比例方向阀的输入电流。调节比例电磁铁输入电流大小即可控制逆推炉排液压缸的运动速度。由于逆推炉排机构倾斜放置，其负载为超越负载，因此在逆推炉排液压缸的有杆腔设置顺序阀，以限制下降速度，使机构运动平稳。另外，顺序阀在逆推炉排停止运动时又可以起到支撑作用，防止逆推炉排下滑。

单个逆推油缸自动循环顺控步序：首先逆推液压缸从启动位置按设定速度朝前运动，直至前限停止速度为零。等待5s后给料炉排按设定速度回撤，直至启动位置停止速度为零。在下一个周期运动前有个停止时间，就这样不断地往复循环运动。

逆推炉排在自动模式下有联动和分动两种运动方式。联动方式下，相邻液压缸的行程运动方向相反，即一进两退或一退两进交叉运动。分动模式下，三液压缸各自运动无约束。

逆推控制有如下关键参数需设置：启停控制模式；间隔运行时间；前进、后退速度；原位停止时间；行程延长时间等。

2.4料层调节系统

逆推炉排尾部设有料层调节机构，由左右两支液压缸驱动两组滚筒。两液压缸分别设置两只位置传感器，实现滚筒行程位置（挡板角度）测控。料层调节系统一般手动操作，油缸速度在初始状态调节完毕后恒定不变。电磁换向阀控制料层调节装置角度增大或减小，双向液压锁锁定料层调节液压缸，使活塞能停在任何位置。单向节流阀用于调节料层调节

液压缸运动速度。

料层挡板可同步调节或单独调节，图2为OP277料层调节控制画面。其中同步调节时，只需对其中一个料层挡板进行操作，两个挡板会一同动作，操作结束后若两挡板开度偏差在2%以上，系统自动校正，如果是挡板开大操作，以开度大的料层挡板为基准，调节开度小的料层挡板；如果是挡板关小操作，以开度小的料层挡板为基准，调节开度大的挡板。料层的厚度控制直接影响到燃烧的稳定性。料层厚度必须满足在燃烧过程中，具有一定热容量，维持较大储热能力，保证炉膛的烟气温度不产生大的波动，从而保证锅炉产汽连续稳定。

图2 OP277料层调节控制画面（来源：余热锅炉）

2.5顺推炉排

三列顺推炉排分别由左中右三只液压缸驱动，每只油缸的起始位置均装有接近开关，通过液压缸上外置旋转编码器，OP277顺推画面上能形象地反映各个液压缸的位置和速度。每支液压缸装有顺序阀，确保故障等情况下液压缸的行程能自锁。液压缸速度由比例方向阀进行开环调节，每支液压缸速度单独可调。减压阀控制该系统工作压力为8MPa左右。比例方向阀输入电流由伺服比例放大器提供，比例放大器可以将来自炉排PLC的控制电压信号转换成比例方向阀的输入电流，调节比例电磁铁输入电流大小即可控制顺推炉排液压缸的运动速度。

单个顺推油缸自动循环顺控步序：首先顺推液压缸从启动位置按设定速度朝前运动，直至前限停止速度为零。等待5s后给料炉排按设定速度回撤，直至启动位置停止速度为零。在下一个周期运动前有个停止时间，就这样不断地往复循环运动。

顺推炉排在自动模式下有联动和分动两种运动方式。联动方式下，相邻液压缸的行程运动方向相反，即一进两退或一退两进交叉运动。分动模式下，三液压缸各自运动无约束。

顺推控制有如下关键参数需设置：间隔运行的启停时间；前进、后退速度；原位停止时间；行程延长时间等。

2.6出渣机

系统配备两台出渣机，每台出渣机由左右两支液压缸驱动，采用机械刚性同步，速度手动调节。电磁换向阀控制出渣机运动及退回。单向节流阀调节出渣液压缸的运动速度。

出渣能力通过调整液压系统的油缸速度和调整自控系统的启停时间间隔两种方法来实现。出渣机通常采用定时的方法控制启停，如设置为：运动135s→停止3min→运动135s……。停止时间间隔设置为（0～5）min，通常设为3min，具体根据出渣状态调整，要求每次运行都有适量的渣被推出来。当停止时间间隔为0时，出渣机作连续不间断运行。

2.7集中润滑系统

系统主要由多点干油泵及管路组成，实现定时润滑。润滑点每台炉为18点，时间间隔可调，通常设为一小时润滑一次，工作时干油泵启动，将油脂依次分配到各润滑点。

2.8电动风门调节装置

电动风门分为逆推和顺推两部分，逆推部分共有12个扇形风门、每3个风门由1组电动执行机构以及辅件单独进行驱动；顺推部分采用单个电动调节蝶阀进行控制。逆推和顺推的风门可一起联动，也可分别控制。

风门调节装置用于调节一次风的风门开度，目的在于通过调风使锅炉保持最佳燃烧工况。一次风配风应满足中间大两头小的原则，即中间风门的开度应该较大，两头风门的开度应该较小，这样才能满足垃圾炉炉膛内燃烧所需的空气。在此原则上根据不同垃圾种类配风，当燃料为高热值垃圾（密度低）时，一次风量低（相对整个燃烧风量），在燃烬区几乎没有一次风；低热值垃圾（密度低）时，一次风量高（相对整个燃烧风量），燃烬段一次风较多。另外还可以根据锅炉水平烟道烟气含氧量来进行合理配风，按国标要求，水平烟道中烟气含氧量应控制在（6～12）％之间。

2.9气动放灰装置

系统包括清灰风机和气动放灰阀，用于将炉排下部的漏灰通过放灰通道排入出渣机。放灰管位于风室下部，每台炉共3根，每根放灰管上有1个总阀和5个放灰门，均为气动，吹灰气源来自清灰风机。放灰系统采用定时工作方式，通常为一小时工作一次，时间间隔可调。

自动循环顺控步序：按照流向依次打开各支路放灰阀，然后依次打开左右总阀，清灰风机会在总阀打开吹扫管道时自动启动，完成后自动停止，延时后关闭总阀，停顿一个循环间隔时间后进入下一次清灰过程，就这样不断地往复循环运动。

放灰装置控制有如下关键参数需设置：循环间隔时间；支阀、总阀动作时间等。

2.10密封装置和冷却装置

逆推炉排密封系统设有一台密封风机，随焚烧炉一同手操启停。料层调节装置冷却装置设有一台冷却风机，自动控制模式时，炉温大于80℃时启动，小于60℃时停止。

2.11液压泵站系统

本系统设有2台主油泵，一台滤油泵和一台自循环冷油泵。主油泵一用一备，油泵启动前吸油蝶阀须提前打开，油泵卸荷动作由炉排PLC完成，强制卸荷仅在调试或维修中使用（维修时如有需要可以不停泵，而将出口加载阀卸荷），正常工作时不使用。滤油泵用于对液压油进行循环过滤。液压站油箱内配置温度传感器和压力传感器，当油温高于60℃或油位低于500mm时，炉排控制系统给出相应报警；当油温高于65℃或油位低于400mm时，系统自动停止所有油泵。系统设置有冷却进水阀，当其选择自动模式时，炉排PLC系统会在油温高于50℃时自动打开冷却进水阀，冷却水进入水冷器对回油进行冷却，低于50℃时关闭。（来源：余热锅炉）

3控制模式

3.1启停控制

炉排控制系统中推料、逆推炉排、顺推炉排在启停自动控制模式时内置有3种不同方法可供选择：炉温控制、蒸发量控制、间隔控制。

“炉温控制”时，系统选择稳定锅炉炉膛温度作为主控方式。操作员需进入OP277“燃烧自动-炉温”画面，设定炉温调节设定值和调节宽度。“蒸发量控制”时，系统选择稳定锅炉蒸发量作为主控方式。操作员需进入OP277“燃烧自动-蒸发量”画面，设定蒸发量调节设定值和调节宽度。上述两种方法均采用相位超前控制原则，即根据蒸发量或炉温变化趋势，提前动作，图3为相位超前控制算法。

图3蒸发量、炉温控制相位超前控制算法示意

当选择“自动”时，上述炉温或蒸发量两种控制方式都未建立，则此时默认为“间隔控制”。“间隔控制”实际上是用户根据操作经验、垃圾种类、燃烧情况，得出一套合适的推料、顺推、逆推的时序间隔时间和速度比，使焚烧炉处于最佳的运行方式。具体而言有两种模式：当选择推料、逆推、顺推连锁建立时，主要调节推料、逆推、顺推之间的速度比及总间隔开停时间来控制燃烧状况；当选择推料、逆推、顺推连锁退出时，主要调节推料、逆推、顺推之间的时序间隔长短、各自开停频繁程度来控制燃烧状况。

顺推、逆推炉排自动运行时，运行人员可以随时暂停某个单边或两边炉排，并能随时恢复至暂停前的状态，从而达到自动、手动相结合的控制目的。

推料运行时，运行人员可以随时进行手动、自动切换（不影响炉排自动运行），达到自动、手动相结合的控制目的。

3.2速度控制

当在炉排上垃圾料层过厚的燃烧情况下，由于干燥段垃圾压得很紧，一次风通过垃圾很困难，严重地扰乱了燃烧过程。此时我们很难通过放置在炉膛内的摄像头发现此情况，而利用由多点测量得到的一次风进风总管压力与干燥段第一风室压力差得到的料层阻力平均值就很容易发现在干燥段垃圾成包。只要干燥段垃圾成包产生，一次风通过炉排和垃圾层阻力增加，导致经过垃圾层压力下降增加。因此料层阻力可以看做是垃圾层厚度的一种象征。

炉架速度的控制采用单回路PID来控制，计算阻力是被使用当作阻力控制器PID的过程变量，PID控制器输出作为炉架速度。基本原理就是当干燥段第一风室的料层阻力低于阻力设定值，说明垃圾厚度低，那么PID控制器将加快炉架速度。如果第一风室的料层阻

力高于阻力设定值，说明垃圾厚度大、燃烧困难，那么PID控制器将降低炉架速度。

阻力计算公式为：

式中：dP－运行时第一风室的料层阻力平均值；

dP0－标况时第一风室的料层阻力平均值；

Q－运行时一次风量；

Q0－标况时一次风量；

C、n－常数。

运行人员可在OPZ77炉架速度控制窗口中修改压力测量的采样周期和测量时间，并在阻力计算里取压力的平均值。同时可以修改幂值n和常数C，以调整得到最佳的运行参数。

该控制触发时推料机、逆推炉排、顺推炉排各速度初始值均为OP277或DCS设定值，然后根据PID运算缓慢变化，当退出炉架速度自动控制时各速度又恢复到原OP277或DCS设定值。使用本功能时要设置以下参数：（1）推料机、逆推炉排、顺推炉排各速度调节与阻力相关系数（0～100可设）。系数设置越大，说明该速度与阻力相关性越大。（2）推料机、逆推炉排、顺推炉排各速度极大值，极小值。如选择逆推速度极大值为90，极小值为10，则表示速度自动控制时逆推炉排速度绝对不会超出10～90。

通常情况下推料机、逆推炉排、顺推炉排可同步投入到炉架控制当中联动，也可以分

别选择不同的控制模式分动。

目前炉架速度采用料层阻力控制器，亦可以采用炉温或蒸发量控制器（注意不要与炉排启停控制的炉温或蒸发量相位超前控制同时选中同一模式），原理类似，实现优化控制目的。

4系统连锁

推料机、逆推炉排、顺推炉排要求与鼓、引风机连锁，当鼓、引风机均在运行时，推料机、逆推炉排、顺推炉排才能投入自动控制，否则系统会保护切换其为手动操作。若液压油泵全停延时15s后，推料机、逆推炉排、顺推炉排、料斗装置、出渣机、料层挡板切手动模式全停。（来源：余热锅炉）

5前景展望

由于垃圾成分复杂，热值不均，锅炉经常偏离最佳燃烧状况，炉排燃烧控制参数需经常调整，很难实现真正意义上的全天候自动化。近年来，随着飞灰测碳仪表、烟气分析仪表等在线检测仪表的发展和应用，自动化理论的发展以及计算机水平的大幅度提高，我单位现正和其它兄弟单位院所合作，尝试利用APC先进控制所包含的非线性建模技术（如灰箱辨识、人工神经网络技术等）、多变量预测等控制技术，结合锅炉的热力计算方法，根据锅炉效率正反平衡原理，在线进行诸如一、二次风量、含氧量、炉膛温度等参数的自寻优，进而自动整定炉排启停时间、运行速度等参数，达到优化垃圾焚烧的自动控制水平。

参考文献

[1]400T/D二段式垃圾焚烧装置说明书.杭州新世纪能源环保有限公司.

[2]400T/D焚烧炉电液控制系统使用说明书.杭州浙大华泰液压机电有限公司.

本文来自环卫科技网（http://www.cn-hw.net/） 原文链接：http://www.cn-hw.net/html/27/201109/29657_5.html