随着城市规模的日益扩大，城市垃圾日益增长，垃圾处理压力增大。受益于国家政策利好、城市垃圾分类处理刚需等众多因素影响下，我国垃圾焚烧发电市场不断扩大。特别是在2019年里，垃圾焚烧发电市场份额不断增长。据不完全数据统计，仅2019年全国在建、拟建的垃圾发电项目已超400个。2020年我国垃圾焚烧发电行业发展前景广阔未来市场有望高达千亿元。
通过工业自动化设备的应用为垃圾焚烧发电产业保驾护航。近年来我国生活垃圾焚烧发电处理能力快速提升。根据国家统计局数据显示，在2017年，我国生活垃圾焚烧无害化处理能力产能已经达到了29.8万吨/日，按照当前趋势及“十三五”规划，预计到2020年，我国垃圾焚烧产能将达到59万吨/日。而在环保强监管和多项政策推动下，目前我国垃圾焚烧行业已进入高质量成长期。
1 自动燃烧控制系统
通常情况下，垃圾焚烧发电项目中最主要的设备即是垃圾焚烧炉，自动燃烧控制系统(以下简称ACC)组合图如图1所示，显示垃圾焚烧炉的结构、主要工艺流程以及ACC计算、控制功能图。
一次风经过一次风预热器进行预热，做温度控制（TIC），生成的烟气空气进行流量控制（FIC）输入给垃圾焚烧燃烧炉排的不同炉段，一般炉排分为三段：干燥炉排、燃烧炉排以及燃烬炉排。
垃圾从进料口由推送装置送入干燥炉排，依次进入燃烧段以及燃烬段，垃圾层厚度控制推料装置和干燥炉排的速度。
炉温控制主要根据炉内的温度调节二次风的流量以及温度；锅炉蒸汽流量控制根据检测的流量调节燃烧炉排的速度。
垃圾燃烧位置控制根据燃烬段的温度调节燃烧炉排速度；热酌减率控制主要检测燃烬炉排的的温度去控制燃烬段炉排的速度以及燃烬段的一次风流量。最后烟气处理的氧浓度控制产生的烟气可以采取流量控制，循环利用输入燃烬段炉排。
工厂运营商通过ACC可以方便地操作与控制垃圾焚烧炉，ACC用来满足如下4个需求：（1）维持锅炉主蒸汽流量在设定值；（2）将垃圾连续、恒定地输送到焚烧炉排；（3）热灼减率最小化；（4）减少焚烧炉产生的污染物。其中垃圾焚烧炉排的设计与控制显得更加重要。
图1 ACC组合图
2 系统选型、设计
根据过程量控制回路数、控制规模以及程序容量等综合考虑，该控制系统使用三菱电机自动化公司的Q系列过程PLC，其适合于构建中小规模的过程控制系统。1台过程控制CPU可同时执行顺序控制和回路控制。增强的回路控制功能，包括PID、采样PI、blend PI、I-PD、级联控制、前馈控制等52种回路控制指令。
本文介绍的是垃圾焚烧处理能力为300吨/天的垃圾焚烧炉排ACC系统。本套系统的垃圾焚烧炉控制回路数是20个左右，ACC主要包括6个控制功能：锅炉主蒸汽流量控制、垃圾层厚度控制、垃圾燃烧位置控制、热灼减率最小化控制、炉温控制以及烟气中氧浓度控制等。ACC系统里主要控制回路与动作如表1所示。
表1 ACC主要控制回路与动作
垃圾焚烧发电焚烧炉排控制系统解决方案原理图如图2所示，本解决方案具有以下特点：
（1）过程控制和逻辑控制在一套系统里完成，可简单搭建处理连续过程量的集散控制系统；
（2）设备装置的小型化，系统构建成本低，无需搭建专门DCS系统；
（3）过程量处理数多（控制回路数最大达100个）；系统运行稳定，处理速度快；
（4）系统搭建组网、接线方便，程序编写、调试简单；
（5）三菱Q系列过程CPU适用领域广泛，特别适合于中等规模的过程量处理需求的行业，如：化学（无机、有机、油脂）、食品（饮料、乳品、糕点）、环境（燃烧炉、垃圾处理、污水处理）、半导体、公共（上下水道、电力、燃气）、钢铁以及造纸等行业。
图2 垃圾焚烧发电焚烧炉排控制系统解决方案原理图
3 垃圾层厚度PID控制功能介绍
在此以垃圾层厚度控制为例来说明PLC编程设计思路。
垃圾层厚度控制通过监测燃烧段炉排垃圾层厚度，来调整推料器和干燥炉排速度，以保持垃圾层厚度在设定值。
垃圾层的厚度可以通过测量穿过垃圾层产生的差压和燃烧段炉排第一段的空气流量来计算，如图3所示。
图3 垃圾层厚度的测量原理
根据流动连续性原理和伯努利方程可以得到：
QI=C * F * 根号【（P2-P1）/ ρ1】
其中：QI为燃烧空气流量，C为常数，F为垃圾层厚度成正比的流通面积，F=K×H，P2-P1为燃烧炉排上下的压差，ρ1为空气密度，根据以上公式可以计算出垃圾层厚度H。
垃圾层厚度PID控制以及推料器速度、干燥炉排速度的运算如图4所示。通常，如果垃圾层厚度变薄，推料器和干燥段炉排将会加速。相反，燃烧段和燃尽段炉排将降低速度，以免燃烧段缺少垃圾。稳定垃圾输送到燃烧炉排上的速度，以免由于垃圾的短缺或过剩造成焚烧炉温度下降。
根据垃圾质量推算出垃圾层厚度设置值，与检测压差以及燃烧空气流量计算出的反馈垃圾层厚度作比较，进行PID控制，输出的操作量和标准推料速度叠加去控制燃烧空气流量控制阀位置以及垃圾在干燥炉排上的循环时间。
图4 垃圾层厚度控制
使用三菱过程PLC的编程软件PXDeveloper编写的垃圾层厚度控制的功能程序图如图5所示。垃圾层厚度PID控制的目标值的运算FB块如图6所示。推料器速度、干燥炉排速度的运算功能块程序图如图7所示。
使用FB功能块编程操作简便，工程技术人员很容易上手，程序可读性强，调试维护方便，大大提高效率。
图5-7
4 总结
本应用案例系统构建方便，程序开发、设计高效，调试维护容易，运行后系统稳定，得到客户的赞誉，取得良好的社会效益和经济效益。
