摘要：垃圾焚燒發(fā)電將燃燒的熱能，通過汽輪發(fā)電機轉化成為電能，已成為全球垃圾處理的大勢所趨。在我國垃圾焚燒發(fā)電的普及道路上，南海綠電與西門子結伴，用西門子TIA解決方案，讓垃圾用生命的余熱走完能源的輪回之路。
佛山市南海綠電再生能源有限公司(下文簡稱南海綠電)是一家主要從事生活垃圾焚燒發(fā)電、城鄉(xiāng)一體化生活垃圾壓縮轉運、污泥處理、餐廚垃圾處理等業(yè)務的固廢處理企業(yè)。公司目前擁有2套15MW發(fā)電機組，日處理生活垃圾1500噸，采用西門子的DCS系統(tǒng)對發(fā)電廠的生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和管理。面對日益增長的城市垃圾，2014年，公司決定擴建同等規(guī)模的垃圾焚燒發(fā)電廠。
攻克垃圾圍城
垃圾圍城已經(jīng)成為一個世界性的難題，而在中國，這個問題更是迫在眉睫。我國每年產(chǎn)生垃圾約2億噸，人均垃圾年產(chǎn)量440公斤，并以每年約5%的速度增長。這些城市處理填埋各類垃圾約達到80億噸，垃圾堆存累積侵占土地5億平方米，有2/3城市已經(jīng)被垃圾群包圍。僅廣東每天生活垃圾的產(chǎn)生量約8.8萬噸，到2020年甚至可能突破10萬噸。一年垃圾量堆在一起大概相當于2.5座越秀山。
垃圾焚燒發(fā)電，將垃圾變廢為寶，用生命余熱走完垃圾輪回之路，成了垃圾的新出路，得到北歐國家、日本和新加坡等國的重視，技術不斷成熟，但在我國垃圾焚燒發(fā)電的普及仍需時日。
南海綠電為攻克垃圾圍城貢獻著自己的力量?；谇捌诘牧己煤献?，擴建的發(fā)電一廠項目中南海綠電依然選擇西門子作為合作伙伴，不同的是此次采用了西門子全集成自動化TIA解決方案，不僅為用戶提供了控制系統(tǒng)即PCS 7系統(tǒng)，還包括8套冗余控制器，其中3臺焚燒爐和2臺發(fā)動機各配備一套，公共部分配備兩套，煙氣凈化系統(tǒng)配備一套，另有電源、交換機、通訊卡、高低壓配電、電機、高低壓變頻、軟啟動器、智能馬達控制柜等硬件設備;除此之外，還為用戶提供從設計編程、供貨安裝、生產(chǎn)調試到售后的全生命周期服務。
垃圾焚燒發(fā)電雖然與傳統(tǒng)火電發(fā)電原理一樣，都是將燃燒的熱能通過汽輪發(fā)電機轉化為電能，但垃圾焚燒發(fā)電的原料供給與傳統(tǒng)的火力發(fā)電有很大的不同?；鹆Πl(fā)電采用單一的煤粉作為原材料，原料供給簡單，整個工藝形成了成熟的順控。而垃圾焚燒發(fā)電中的原料垃圾則需要篩分、選配、除臭、干燥等步驟，有些垃圾里還會有易燃易爆的氨氣產(chǎn)生，在工藝中還需添加防爆控制等，相比火力發(fā)電的工藝更復雜，涉及的自控點更多，要求工程師不僅要熟悉火力發(fā)電行業(yè)的控制規(guī)范，還要了解垃圾焚燒發(fā)電的特殊要求。
垃圾焚燒發(fā)電最受關注的，也是最大的難點，當屬二噁英的處理。這類有機化合物毒性巨大，性質穩(wěn)定，容易在生物體內積累。但通過科學的垃圾焚燒，二噁英是可以完全分解的。
“3T”就是二噁英的克星，即溫度(temperature)、時間(time)、混合充分均勻(turbulence)。具體說來，在焚燒爐中要保證爐內溫度在850℃以上;煙氣在此溫度以上的爐內停留時間必須大于2秒;混合均勻保證垃圾充分燃燒。
在南海綠電焚燒廠，通常焚燒爐上部的爐溫都能達到950℃左右，而底部燃燒區(qū)則能高于1000℃，超標準高溫保證燃燒溫度。另外，垃圾在焚燒爐內至少停留40分鐘，并在過程中不斷攪動并吹入空氣保證燃燒充分。且內部通過羅賓康高壓變頻器調節(jié)送風機和排風機風量，即達到節(jié)能效果，又能維持爐內負壓環(huán)境，保證煙氣不會外溢。整個工廠實現(xiàn)全封閉的自動化生產(chǎn)：垃圾送到中轉站——壓縮后用標準的箱體密閉送到焚燒廠——在垃圾坑里充分發(fā)酵——轉至爐膛充分燃燒——二噁英經(jīng)過處理被控制在安全標準以下——飛灰經(jīng)處理被螯合成水泥塊——污水廢氣被凈化處理。經(jīng)過多重處理，最后重見天日的，只有原體積十分之一左右的螯合水泥塊和凈化后的氣體，所以整個工廠幾乎聞不到難聞或異樣的味道。
TIA化身環(huán)保衛(wèi)士
西門子公司擁有自動化技術和驅動技術，推出了全集成自動化(TIA)的概念。全集成自動化的目的是讓工業(yè)自動化從局部走向整合，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、通訊、組態(tài)和編程環(huán)境讓自動化設備與系統(tǒng)無縫連接，即縮短了工程時間、提高了生產(chǎn)效率，從而又降低了設備運轉和維護的成本。
PCS 7無縫集成于TIA之中，適用于所有工業(yè)自動化層級的全系列產(chǎn)品、系統(tǒng)和解決方案，從企業(yè)管理級到控制級，一直到現(xiàn)場級，實現(xiàn)所有生產(chǎn)、過程混合工業(yè)的統(tǒng)一且可定制的自動化系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)這一切，工藝的設計是關鍵，西門子的工程師根據(jù)南海綠電的需求為其度身定做DCS平臺，提供了從規(guī)劃到設計、供貨到安裝、調試到售后，甚至系統(tǒng)升級改造的全生命周期服務。在項目執(zhí)行過程中，由一名行業(yè)經(jīng)驗豐富的主任工程師牽頭，硬件工程師按照設計規(guī)范和行業(yè)標準數(shù)據(jù)庫，打造完成26面機柜、25個總線集成箱以及電源、網(wǎng)絡等所有硬件的集成，同時軟件工程師完成整個工藝的編程工作，將工藝要求轉換成簡易操作。在完成軟硬件集成后，西門子會先進行內部測試，然后到用戶工廠測試，以上測試完成后，需要通過168小時安全無故障運營，最終才能安心交付使用。
基于全集成自動化TIA解決方案，將垃圾焚燒發(fā)電過程中所有第三方的自控系統(tǒng)以及現(xiàn)場硬件設備都集成在一個有全局數(shù)據(jù)的總體系統(tǒng)中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互通，消除了信息孤島;整個工廠的生產(chǎn)流程被無縫地整合在一起，可進行集中管理，操作人員只需使用一個平臺就能掌控整個生產(chǎn)過程，實時監(jiān)測垃圾焚燒的情況和數(shù)據(jù)，大大降低人員操作成本;同時數(shù)據(jù)的集中透明，也是未來數(shù)字化生產(chǎn)的基礎，西門子還為MES系統(tǒng)預留了接口，可以輕松的將工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)從上層資產(chǎn)到現(xiàn)場設備全方位的集成管理，完成數(shù)字化制造的跨越。
此次項目中使用的是SIMATIC家族中一款功能強大、堅固耐用的過程工業(yè)控制器 – CPU 410-5H。這款控制器屬高性能控制器，其高速運算能力可以滿足過程工業(yè)的高要求。CPU 410-5H專為全天候應用而設計，可用于苛刻的溫度、振動、沖擊環(huán)境下，并符合EMC的各種要求。
新興的信息革命正方興未艾，深深地影響著電力行業(yè)。在新一輪的大型工程項目建設中，電力行業(yè)中各個企業(yè)不約而同地提出全新的概念 – 數(shù)字化電廠。建設數(shù)字化電廠的目的是使發(fā)電企業(yè)效益最大化。數(shù)字化電廠結構模型可以劃分為三個層次：廠級、機組(車間)級、現(xiàn)場監(jiān)控設備級。當前我國電廠廠級和機組(車間)級這兩級已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化，而現(xiàn)場控制設備級絕大部分尚未實現(xiàn)數(shù)字化?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)技術有望解決這一難題。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通的關鍵。傳統(tǒng)的解決方案中，控制器與現(xiàn)場設備的鏈接，以傳統(tǒng)用硬接點的方式鏈接到I/O模塊，需要大量的布線，而且采集的數(shù)據(jù)有限。隨著數(shù)字化生產(chǎn)概念的深入，預防性維護成為趨勢，需要現(xiàn)場儀表的更多參數(shù)，PROFIBUS的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)。在該項目中，現(xiàn)場過程儀表通過PROFIBUS PA總線連接，并用DP/PA-LINK將PA轉化為DP的一個節(jié)點存在于整個系統(tǒng)中;控制器與現(xiàn)場設備采用雙冗余PROFIBUS DP總線連接;控制器與服務器通過雙環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)連接，而服務器與客戶端用工業(yè)以太網(wǎng)連接。25個防護等級為IP65的全不銹鋼總線接線箱，在其現(xiàn)場儀表最近的地方布置起來，以便于節(jié)省電纜。
總線將所有設備的全生命周期數(shù)據(jù)進行采集，包括第三方的子系統(tǒng)，甚至包括現(xiàn)場的地磅數(shù)據(jù)，并通過PDM管理軟件實現(xiàn)在線監(jiān)控。在監(jiān)控狀態(tài)、了解設備詳細信息的同時，遠瞻性的預估出設備的生命周期，為公司資產(chǎn)管理系統(tǒng)，設備的維護提供了有效的支持，用戶如同像知道未來一樣提前預測出哪個部件需要維護維修，延長使用壽命，而不是再被動地等到設備出問題再進行維修和故障處理。
南海綠電一期垃圾焚燒發(fā)電廠已高效運營三年，二期發(fā)電廠項目目前已進入調試階段，計劃在2015年竣工，投產(chǎn)后南海綠電的垃圾處理量可達到3000噸/日，可以完全消化南海區(qū)目前2800噸/日的生活垃圾。
無論從環(huán)境保護還是能源再生的角度來看，垃圾焚燒發(fā)電是垃圾處理的大勢所趨，南海綠電在西門子TIA解決方案的幫助下，充分發(fā)揮垃圾的余熱，讓垃圾用它的余熱走完能源輪回之路，還自然一片潔凈。
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