超大型污泥干化焚烧工程自控系统设计要点与实现

2021-10-09李翊君

自动化仪表 2021年9期

李翊君

(上海市政工程设计研究总院(集团) 有限公司，上海 200092)

0 引言

2015年国务院颁布实施《水污染防治行动计划》[1](即“水十条”)后，城镇污水处理设施建设加速发展，城镇污水处理厂污泥产量高速增长，污泥的安全处理问题日益严峻[2]。“水十条”明确指出:“污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置。”[1]污泥经干化后单独焚烧的处理工艺因其减量化、无害化和稳定化较为彻底的优点而逐渐被国内接受和推广[3]，呈现出快速发展的势头。然而，从技术发展阶段和成熟度方面来看，污泥干化焚烧技术在我国尚处于工程示范阶段，国内尚未形成成熟、可靠的设计和运行依据[2]及标准。2018年3月开工建设的上海市白龙港污泥处理二期工程(以下简称“该工程”)位于浦东新区白龙港污水处理厂内，处理规模为2 430 t/d(含水率80%，折合486 tDS/d)，规模之大在全球屈指可数。本文以该工程为实例，借鉴国外经验，结合国内实际，围绕工程特点，分析了超大型污泥干化焚烧工程自控系统的设计要点，阐述了具体的实现方案，总结了设计经验。

1污泥干化焚烧工艺概况

1.1 总体工艺

国内外广泛采用的污泥干化焚烧工艺流程主要包括污泥储存与输送、污泥预处理(脱水和干化)、污泥焚烧、余热利用、烟气净化、飞灰收集和储存、公共辅助(公辅)系统等。在上述组成单元的协同运行下，污泥经脱水和干化后进入流化床焚烧炉。燃烧后的飞灰在焚烧烟气的携带下从焚烧炉上部排出。高温焚烧烟气中的热量经余热锅炉回收，一部分用于前端的污泥预处理，经换热的烟气进入烟气净化系统[2]，净化后通过烟囱排放。

该工程污泥干化焚烧总体工艺流程如图1所示。

图1 污泥干化焚烧总体工艺流程图

1.2 污泥干化系统工艺

该工程采用流化床干化工艺。其干化热源为1.6 MPa、220 ℃左右的饱和蒸汽，单台干化机蒸发水的能力为9 600 kg/h。设计进泥含水率为80%，出泥含水率10%。流化床干化系统工艺流程如图2所示[4]。

图2 流化床干化系统工艺流程图

1.3 污泥焚烧系统工艺

该工程采用鼓泡流化床焚烧工艺。其单线处理量为75.2 tDS/d(一般工况下)，污泥干基高位热值为10.37～18.34 MJ/kg，焚烧炉设计运行温度大于等于850 ℃，炉内烟气有效停留时间大于2 s。鼓泡流化床焚烧系统工艺流程如图3所示[4]。

图3 鼓泡流化床焚烧系统工艺流程图

2 自控系统设计要点

污泥干化焚烧工艺流程与市政污水处理工艺流程以及垃圾等固废焚烧处理工艺流程有部分相似之处，也有诸多不同之处。因此，其自控系统的设计应借鉴国外经验，并参考国内近似工程设计标准，重点围绕这些方面进行分析研究。污泥干化焚烧工程自控系统设计要点如下。

2.1 车间分散化选址、集约化布置

为实现“泥水协同”的整体同步处理，同时便于噪音、臭气等的集中、有效处理，以最大程度地减少污泥处理对环境的负面影响，污泥干化焚烧工程的理想选址是在污水处理厂内，充分利用厂内未建设用地。由于用地受限，各处理车间的分布往往相对分散且布置紧凑。该工程选址在白龙港污水处理厂内的2个独立地块，采用高度集约化的车间设计方案，布置了3套干化焚烧处理单元。每套干化焚烧处理单元由3台干化机、2条焚烧处理线以及1组公辅系统(包含热蒸汽供应、压缩空气和氮气供应、冷却塔、废水和热蒸汽排放系统等)组成。其中，01地块干化焚烧车间内布置1套，02地块干化焚烧车间内布置2套。因此，自控系统设计需统筹考虑各车间的集中调度、协同监控、车间内各功能控制室的工作环境及巡视便利性等诸多因素。

2.2 “泥水协同”统一运管、协同调度

“泥水协同”不仅体现在选址和平面布置上，更体现在污水处理和污泥处理的统一运管和协同调度上。对于超大型污泥干化焚烧工程而言：对内需调度优化多条干化焚烧产线，某些情况还包括现状泥处理设施；对外需协同满足多个污水处理车间(甚至多个污水厂)的生产需求。因此，自控系统架构设计需考虑设置相应的调度层级，确保车间生产运行数据向调度层级的上传及处理，以完成车间数据的汇聚处理及调度决策，实现高效的协同调度和统一运维管理。

2.3 干化系统的调节控制

干化系统的处理产能需根据污水处理的生产情况不断调整，并且需接收来自多个水处理车间的含水率不同且波动的脱水污泥。在上述要求下，干化系统的调节控制要能够保证出泥含水率合格且稳定，并按需调节干化机的处理能力，同时兼顾干化机的效率。不同干化系统的调节控制需根据干化机工艺特性的不同，选择可靠、稳定且便于实现的方式。

2.4 干化系统的安全保护

在污泥干化过程中，需要输入大量的热量以完成污泥的烘干。干化污泥是一种固体燃料，其性质与褐煤接近。干化机中产生的干化污泥可燃粉尘与空气混合后有爆炸风险。因此，除了采取维持干化机低氧惰性环境、减少干化污泥粉尘的产生等措施外，还需设置相应的安全检测仪表和保护联锁控制，确保干化系统的安全。

2.5 干化污泥存储中的安全保护

干化污泥作为一种固体燃料，在存储过程中不仅有粉尘爆炸风险，而且长期与环境空气接触，存在自燃风险。除了从干化机引来贫氧气体充盈存储仓、防止环境空气进入等措施外，还需设置相应的安全检测仪表和保护联锁控制，确保干化污泥在存储过程中的安全。

2.6 焚烧系统的控制及保护

城镇污水污泥焚烧的工艺流程与火力发电相似，应用较广泛的是流化床工艺，分为鼓泡流化床及循环流化床。循环流化床的优势仅在于50 MW以上的大型热电厂或高热值燃料，因此较少用于污泥焚烧。污泥焚烧炉的单机容量普遍较小，例如该工程的焚烧炉单机处理能力可达到100 tDS/d，为国内最大，但其单机蒸发量也仅为20 t/h，热功率相当于15 MW。因此，污泥焚烧系统大多采用鼓泡流化床，其控制及保护设计可参考小型火力发电厂相关规范。结合锅炉制造商关于此类小容量锅炉的制造维护经验，采用安全、可靠且经济的控制及保护方案。

3 自控系统设计实现

3.1 自控系统总体架构设计

该工程位于白龙港污水厂内，污水处理能力为280×104t/d，由多条污水处理产线组成。该工程污泥处理系统建成后需与污水处理统一运管、协同调度，即“泥水协同”。结合厂区现状自控系统的情况，“泥水协同”的全厂自控系统架构由5级组成，分别为：全厂管理调度级、车间组集中调度监控级、车间监控级、现场控制级、检测执行级。“泥水协同”的全厂自控系统架构如图4所示。

图4 “泥水协同”的全厂自控系统架构

污泥处理集中调度监控中心负责对全厂污泥处理进行统一调度及监控，具体流程为：①对污泥区各干化焚烧车间以及一期现状污泥处理车间的实时生产信息进行集中采集，对数据处理后将其上传至全厂管理调度中心，通过全厂管理调度中心与协同生产的污水处理产线或其他污水厂进行信息交互；②接收全厂管理调度中心下达的调度指令，综合各污泥车间生产信息进行分析，形成污泥运行调度方案并下达，以实现“泥水协同”和各干化焚烧车间的集中调度。此外，污泥处理集中调度监控中心还可以通过不同的操作权限，实现对各车间的实时集中监控[5-7]。

3.2 处理单元自控系统拓扑设计

该工程承担着上海市超过三分之一的污泥处理任务，建成后如果不能稳定、连续运行，将对上海市的生态环境造成重大的危害。为了实现运行的高可靠性及高可用性，该工程的3套处理单元之间设计为可以相互独立运行。因此，各处理单元的自控系统也是相互独立且完全相同的。以下将以1单元为例进行说明。干化焚烧处理1单元自控系统拓扑如图5所示。

图5 干化焚烧处理1单元自控系统拓扑图

车间监控级设置4台操作员站，正常工作时被用于某特定工艺段的操作。实质上这4台操作员站是对等的、互为备用的。车间监控级设置2台互为备用的监视控制与数据采集系统(supervisory control and data acquisition,SCADA)服务器和1台历史数据服务器。3套处理单元的车间监控级A网、B网均通过光缆汇聚至污泥处理集中调度监控中心。在调度监控中心使用路由器完成A网、B网之间的互通。因此，该设计在保证安全的前提下，实现了3套处理单元的操作员站在车间监控级均互为备用，极大地提升了日后运维管理的灵活度和便利性。

现场控制级设置7套现场控制站，分别负责3台干化机、2条焚烧线、1套干化公辅系统以及1套焚烧公辅系统。每套现场控制站均采用冗余架构的SIMATIC S7 F/FH系列可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)。考虑到焚烧系统安全保护的特殊重要程度，焚烧系统相关的控制器选用安全型。现场控制级网络采用双网冗余，干化焚烧车间集约化程度高，各网络节点相对集中，因此D网和C网物理拓扑均为星形结构。

在检测执行级根据设备的分布情况设置若干远程I/O柜，检测执行级现场总线网络采用冗余的Profibus网络[5-6,8]。

3.3 各级控制室设计

污泥处理集中调度监控中心设置在交通便利的、位于两个地块中间的独立管理办公用房内。该中心除具有集中调度监控功能外，也是该工程接待参观学习和对外展示的窗口，工作环境友好。

车间监控室设置于干化段与焚烧段之间、标高居中的区域。该位置具备以下优点。

①远离干化段前部污泥臭气较大的区域，以及焚烧段下部灰输送装置粉尘较大的区域。

②工作环境较好；位于车间居中的位置，便于运维人员对整个车间的巡检。

02地块干化焚烧车间平面布置如图6所示。

图6 02地块干化焚烧车间平面布置图

PLC现场控制站是各种控制机柜的集中地，有大量与现场连接的电缆。为节省电缆、减少沿线干扰及方便安装维护，其位置应尽量靠近设备集中区域。此外，鉴于干化焚烧车间环境较恶劣(臭气、粉尘等)，需设置较多通风、除臭设施才能创造良好的局部环境，因此车间内的PLC现场控制站宜集中布置。综上可知，车间内PLC现场控制站设置于干化处理区与焚烧处理区之间的集中区域。

随着运行经验的积累、车间自动化水平的进步，未来干化焚烧车间的连续无故障运行能力将逐步加强、运维巡检工作强度将逐步降低。可以预见，在不久的将来，只需极少量的就地运维巡检工作，就可实现长期连续、稳定的运行。届时，污泥处理集中调度监控中心将成为污泥处理区域唯一需有人员值守的控制室。

3.4 干化系统调节控制设计

该工程流化床干化机内充满干污泥颗粒且处于流化状态，进入干化机的湿污泥和干污泥颗粒在流化状态下充分混合。由于床内一定的物料停留时间和足够的热容量，保证了干燥的均匀性，只要控制床温保持在85 ℃,即可实现稳定的干燥曲线，确保干化出泥含水率稳定在10%。因此，出泥含水率的控制可以简单地通过控制床温实现，无需在干化机干污泥出口进行污泥含水率测量[9]。

①干化出泥含水率调节(床温调节)。

当蒸汽(干化热量)输入恒定时，若湿污泥进料速度或含水率发生波动，那么流化床温将发生变化。因此，通过调节湿污泥进料泵频率来改变进料速度，即可实现对床温的调节。床内的物料具有一定的停留时间和足够的热容量，直接测量到的床温对进料改变的响应较慢，而干化机循环载气出口的载气温度对改变的进料条件响应最快。因此，该工程将出口载气温度作为被控制量，对干化机的进料泵速度进行反馈调节，使出口载气温度稳定在82 ℃，即可将床温控制在85 ℃。

②干化处理能力调节(蒸汽输入量调节)。

上述出泥含水率的稳定调节，是基于蒸汽(干化热量)输入恒定时对干化机的进泥量进行微调来实现的。因此，如果需主动大幅度调节干化处理能力，则应根据所需处理量计算干化机所需的蒸汽量，并据此调节以保持干化机输入蒸汽量恒定，从而在调节干化处理能力的同时，保持出泥含水率稳定。该工程干化机所需蒸汽量与干化机处理能力的计算关系如下：

(1)

该工程在干化蒸汽进气调节阀门前装设蒸汽流量计，通过该蒸汽流量计的实时测量值与所需蒸汽量的差值，控制蒸汽进气调节阀门开度，从而调节干化机输入蒸汽量至所需蒸汽量(设定值)。

需特别说明的是，当干化机工作在额定负载时，只需保证干化蒸汽入口压力稳定在额定值，即可满足蒸汽输入调节的需求。由于压力测量比流量测量更为可靠，在此工况下，蒸汽进气调节阀门应通过蒸汽入口压力来控制，保证干化蒸汽入口压力稳定在额定值即可。此时，干化机效率最高。基于上述原因，在生产调度时，需合理分配各干化机负载，使得尽量多的干化机工作在高效的额定负载工况。

3.5 干化系统安全保护设计

维持干化机内部贫氧惰性环境和避免流化床内部过热，是保障干化系统安全的主要方法。除了在工艺设计上需尽量保持干化机密封和防止产生局部高温的物理措施外，该工程还设置了干化机循环载气氧含量保护和流化床温度保护。

①干化机循环载气氧含量保护。

由于在干化机循环载气入口处的载气温度最低，且能较好地指示干化机内部的氧含量，该工程在干化机循环载气的入口处管路设置1台氧含量分析仪。当监测到氧含量超过4% VOL时，联动打开干化机充氮管路阀门，向干化机内充入氮气，直至氧含量降至4% VOL以下；当监测到氧含量超过6% VOL时，则触发安全停机保护。

②流化床温度保护。

为了全面地检测流化床的温度，避免发生局部过热的情况，在流化床换热器的上方和下方各设置3台温度变送器测量流化床温度，再加上1台测量干化机循环载气出口温度的温度变送器。这7台温度变送器均用于流化床温度保护，其中任何1台变送器温度检测值超过110 ℃即触发安全停机保护。

③其他保护。

除上述2个主保护措施外，上述1个氧含量分析仪和7个温度变送器的故障信号也会触发安全停机保护。此外，冷凝水泵故障、冷凝器及除雾器内部液位高报警、风机故障还会触发意外停机保护。

3.6 干化污泥存储安全保护设计

该工程在干化污泥存储料仓(简称干泥料仓)设置以下安全保护，以避免粉尘爆炸风险和自燃风险。

①从干化机引来的贫氧惰性气体被不断地充入干污泥料仓,并使得仓内压力保持在略高于外界100 Pa以上。在这种情况下，环境空气无法进入料仓，保证了料仓内的贫氧惰性环境。为确保上述条件，每个料仓设置1台压力变送器以检测仓内压力，当压力差小于100 Pa时触发安全保护。

②仓内温度和CO浓度的上升都是污泥自燃发生的早期特征。因此，在干化污泥料仓3个不同高度上装设温度变送器，对存储的干污泥温度进行连续监测；在料仓设置CO浓度检测仪，连续监测料仓内的CO浓度。当出现超温或CO浓度超标时，触发安全保护。

3.7 焚烧系统调节控制及安全保护设计

该工程焚烧系统调节控制包括炉膛温度控制、炉膛压力控制、床压(床高)控制、床温控制、烟气氧含量控制、汽包水位控制、主蒸汽温度控制、主蒸汽压力控制等。

该工程焚烧系统的安全保护由锅炉保护系统(boiler protection system,BPS)和燃烧器管理系统(burner management system,BMS)实现。锅炉保护安全停机触发条件包括汽包水位过高/过低、主蒸汽温度过高、炉膛压力过高/过低、炉膛温度过高/过低、床温过高/过低、引风机跳闸、流化风机跳闸、流化风量过低、二次风机跳闸、固体给料系统跳闸、仪表气压力过低、系统电源消失、急停按钮按下等。除上述保护之外，BPS/BMS还包含锅炉吹扫、火焰检测及灭火保护、燃气燃烧器联锁保护等相关保护。

安全保护系统的控制器硬件一般会被建议独立设置，即物理上采用完全独立的硬件。但随着技术的进步，“独立设置”的实现方案也在不断多元化。该工程焚烧系统的控制器采用西门子的SIMATIC S7 F/FH系列过程安全系统。该系列控制器能够在一个CPU内并行处理标准应用和安全应用程序，且标准应用和安全应用的程序严格保持相互隔离，不会相互影响，其安全性也得到了相应的国际安全认证。因此，该工程焚烧系统的调节控制与安全保护共用一套冗余架构的SIMATIC S7 F/FH系列控制器硬件，在保证系统安全的前提下，更加经济合理。然而，无论在安装还是使用维护过程中，控制站的I/O卡件和信号接入装置相互影响的可能性很大。因此，用于BPS/BMS系统的触发安全停机的相关信号及控制命令均采用硬接线，直接接入物理设置完全独立的安全I/O柜中，并且安全I/O柜中的卡件均采用故障安全型。此外，BPS/BMS系统中用于故障安全停机的仪表采用“三取二”原则进行冗余设置。