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垃圾焚燒發(fā)電--用生命余熱走完能源輪回之路

西門子全集成自動化解決方案在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

     瀚藍(lán)環(huán)境股份有限公司下屬的全資子公司——佛山市南海綠電再生能源有限公司（下文簡稱南海綠電公司）是一家主要從事生活垃圾焚燒發(fā)電、生活垃圾壓縮轉(zhuǎn)運、污泥處理、餐廚垃圾處理等業(yè)務(wù)的城市固廢處理企業(yè)。公司目前擁有1座日處理生活垃圾1500噸生活垃圾焚燒發(fā)電廠（南海垃圾焚燒發(fā)電二廠，2011年投產(chǎn)），該廠采用西門子的DCS系統(tǒng)對發(fā)電廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理。面對日益增長的城市垃圾，2013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。中國每年產(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。全國各城市填埋或堆放各類垃圾已經(jīng)約達(dá)到80億噸，垃圾堆存累積侵占土地5億平方米。已經(jīng)有2/3城市已經(jīng)被垃圾群包圍。目前僅廣東省每天生活垃圾的產(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(dāng)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(shù)不斷成熟，但在我國垃圾焚燒發(fā)電的普及仍需時日。

      南海綠電公司高度重視生活垃圾焚燒發(fā)電廠的建設(shè)和運行工作，努力成為中國以及世界上的生活垃圾焚燒發(fā)電公司，為中國的垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)做出杰出貢獻(xiàn)。目前南海生活垃圾焚燒發(fā)電二廠（2011年建成）被中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部評為3*垃圾焚燒發(fā)電廠（中國目前只有5家）。

     南海綠電公司坐落在南海大學(xué)城內(nèi)，周邊有眾多的大學(xué)，企業(yè)和居民。公司管理層認(rèn)為公司必須對政府、社區(qū)和公眾信息公開透明開放；成為城市的好管家、社區(qū)的好鄰居、行業(yè)的好*。因此南海綠電公司努力做好各項建設(shè)、運營等方面的工作，并要采用好的設(shè)計、*的設(shè)備、做出好的管理。南海生活垃圾焚燒發(fā)電二廠已經(jīng)采用西門子的DCS，通過三年的使用，取得了良好的效果。基于以往的良好合作，南海綠電公司在新的垃圾焚燒發(fā)電項目中依然選擇西門子作為合作伙伴。并且特別采用了西門子新的、*的設(shè)計方案——全集成自動化TIA解決方案。該方案不僅提供了全廠的DCS控制系統(tǒng)即PCS 7系統(tǒng)，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，還有電源、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(dá)控制柜等硬件設(shè)備；除此之外，還根據(jù)自身和南海綠電公司在垃圾焚燒多年的專業(yè)經(jīng)驗，進(jìn)行了全面優(yōu)化，提供從設(shè)計編程、供貨安裝、生產(chǎn)調(diào)試到售后的全生命周期服務(wù)。

     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(zhuǎn)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(fù)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)電受關(guān)注的，也是最大的難點，當(dāng)屬二噁英的處理。這類有機化合物毒性巨大，性質(zhì)穩(wěn)定，容易在生物體內(nèi)積累。但通過科學(xué)的垃圾焚燒，二噁英是可以*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(nèi)溫度在850℃以上；煙氣在此溫度以上的爐內(nèi)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(dá)到950℃左右，而底部燃燒區(qū)則能高于1000℃，超標(biāo)準(zhǔn)高溫保證燃燒溫度。另外，垃圾在焚燒爐內(nèi)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(nèi)部通過變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)機和排風(fēng)機風(fēng)量，即達(dá)到節(jié)能效果，又能維持爐內(nèi)負(fù)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(zhuǎn)站——壓縮后用標(biāo)準(zhǔn)的箱體密閉送到焚燒廠——在垃圾坑里充分發(fā)酵——轉(zhuǎn)至爐膛充分燃燒——二噁英經(jīng)過處理被控制在安全標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和驅(qū)動技術(shù)，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(shè)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(shè)備運轉(zhuǎn)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(shè)計是關(guān)鍵，西門子的工程師充分利用南海綠電公司在垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域中的運營經(jīng)驗，為其度身定做DCS平臺，提供了從規(guī)劃到設(shè)計、供貨到安裝、調(diào)試到售后，甚至系統(tǒng)升級改造的全生命周期服務(wù)。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(shè)計規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(zhuǎn)換成簡易操作。在完成軟硬件集成后，西門子會*行內(nèi)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*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(shè)備都集成在一個有全局?jǐn)?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(jìn)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(chǔ)，西門子還為MES系統(tǒng)預(yù)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(jìn)行對接，實現(xiàn)從上層資產(chǎn)到現(xiàn)場設(shè)備*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(yīng)用而設(shè)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，深深地影響著垃圾焚燒發(fā)電/電力等多個行業(yè)。在新一輪的大型工程項目建設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備級。當(dāng)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(shè)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(shù)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(guān)鍵。傳統(tǒng)的解決方案中，控制器與現(xiàn)場設(shè)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(yù)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(zhuǎn)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(shè)備采用雙冗余Profibus-DP總線連接；控制器與服務(wù)器通過雙環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)連接，而服務(wù)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(shè)備的全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備詳細(xì)信息的同時，遠(yuǎn)瞻性地預(yù)估出設(shè)備的生命周期，為公司資產(chǎn)管理系統(tǒng)，設(shè)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(yù)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(shè)備出問題再進(jìn)行維修和故障處理。

     南海垃圾焚燒發(fā)電二廠已高效運營三年，新的垃圾焚燒發(fā)電廠項目目前已進(jìn)入調(diào)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(dá)到3000噸/日，可以*消化南海區(qū)目前2800噸/日的生活垃圾，最終*解決南海區(qū)生活垃圾無害化處理問題。

   南海綠電公司攜手西門子，在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。