西门子全集成自动化解决方案在垃圾焚烧发电行业的应用

瀚蓝环境股份有限公司下属的全资子公司——佛山市南海绿电再生能源有限公司（下文简称南海绿电公司）是一家主要从事生活垃圾焚烧发电、生活垃圾压缩转运、污泥处理、餐厨垃圾处理等业务的城市固废处理企业。公司目前拥有1座日处理生活垃圾1500吨生活垃圾焚烧发电厂（南海垃圾焚烧发电二厂，2011年投产），该厂采用西门子的DCS系统对发电厂的生产过程进行监控和管理。面对日益增长的城市垃圾，2013年，公司决定扩建同等规模的垃圾焚烧发电厂。

 

攻克垃圾围城

垃圾围城已经成为一个世界性的难题，而在中国，这个问题更是迫在眉睫。中国每年产生垃圾约2亿吨，人均垃圾年产量440公斤，并以每年约5%的速度增长。全国各城市填埋或堆放各类垃圾已经约达到80亿吨，垃圾堆存累积侵占土地5亿平方米。已经有2/3城市已经被垃圾群包围。目前仅广东省每天生活垃圾的产生量约8.8万吨，到2020年甚至可能突破10万吨。一年垃圾量堆在一起大概相当于2.5座越秀山。

垃圾焚烧发电，将垃圾变废为宝，用生命余热走完垃圾轮回之路，成了垃圾的新出路，得到北欧国家、日本和新加坡等国的重视，技术不断成熟，但在我国垃圾焚烧发电的普及仍需时日。

南海绿电公司高度重视生活垃圾焚烧发电厂的建设和运行工作，努力成为中国以及世界上最好的生活垃圾焚烧发电公司，为中国的垃圾焚烧发电行业做出杰出贡献。目前南海生活垃圾焚烧发电二厂（2011年建成）被中国住房和城乡建设部评为3A级垃圾焚烧发电厂（中国目前只有5家）。

南海绿电公司坐落在南海大学城内，周边有众多的大学，企业和居民。公司管理层认为公司必须对政府、社区和公众信息公开透明开放；成为城市的好管家、社区的好邻居、行业的好典范。因此南海绿电公司努力做好各项建设、运营等方面的工作，并要采用最好的设计、最先进的设备、做出最好的管理。南海生活垃圾焚烧发电二厂已经采用西门子的DCS，通过三年的使用，取得了良好的效果。基于以往的良好合作，南海绿电公司在新的垃圾焚烧发电项目中依然选择西门子作为合作伙伴。并且特别采用了西门子最新的、最先进的设计方案——全集成自动化TIA解决方案。该方案不仅提供了全厂的DCS控制系统即PCS 7系统，包括8套冗余控制器，其中3台焚烧炉和2台发动机各配备一套，公共部分配备两套，烟气净化系统配备一套，还有电源、交换机、通讯卡、高低压配电、电机、高低压变频、软启动器、智能马达控制柜等硬件设备；除此之外，还根据自身和南海绿电公司在垃圾焚烧多年的专业经验，进行了全面优化，提供从设计编程、供货安装、生产调试到售后的全生命周期服务。

垃圾焚烧发电虽然与传统火电发电原理一样，都是将燃烧的热能通过汽轮发电机转化为电能，但垃圾焚烧发电的原料供给与传统的火力发电有很大的不同。火力发电采用单一的煤粉作为原材料，原料供给简单，整个工艺形成了成熟的顺控。而垃圾焚烧发电中的原料垃圾则需要筛分、选配、除臭、干燥等步骤，有些垃圾里还会有易燃易爆的氨气产生，在工艺中还需添加防爆控制等，相比火力发电的工艺更复杂，涉及的自控点更多，要求工程师不仅要熟悉火力发电行业的控制规范，还要了解垃圾焚烧发电的特殊要求。

垃圾焚烧发电最受关注的，也是最大的难点，当属二噁英的处理。这类有机化合物毒性巨大，性质稳定，容易在生物体内积累。但通过科学的垃圾焚烧，二噁英是可以完全分解的。“3T”就是二噁英的克星，即温度（temperature）、时间（time）、混合充分均匀（turbulence）。具体说来，在焚烧炉中要保证炉内温度在850℃以上；烟气在此温度以上的炉内停留时间必须大于2秒；混合均匀保证垃圾充分燃烧。

在南海绿电焚烧厂，通常焚烧炉上部的炉温都能达到950℃左右，而底部燃烧区则能高于1000℃，超标准高温保证燃烧温度。另外，垃圾在焚烧炉内至少停留40分钟，并在过程中不断搅动并吹入空气保证燃烧充分。且内部通过变频器调节送风机和排风机风量，即达到节能效果，又能维持炉内负压环境，保证烟气不会外溢。整个工厂实现全封闭的自动化生产：垃圾送到中转站——压缩后用标准的箱体密闭送到焚烧厂——在垃圾坑里充分发酵——转至炉膛充分燃烧——二噁英经过处理被控制在安全标准以下——飞灰经处理被螯合成水泥块——污水废气被净化处理。经过多重处理，最后重见天日的，只有原体积十分之一左右的螯合水泥块和净化后的气体，所以整个工厂几乎闻不到难闻或异样的味道。

 

TIA化身环保卫士

西门子公司拥有自动化技术和驱动技术，推出了全集成自动化（TIA）的概念。全集成自动化的目的是让工业自动化从局部走向整合，通过统一的数据管理、通讯、组态和编程环境让自动化设备与系统无缝连接，即缩短了工程时间、提高了生产效率，从而又降低了设备运转和维护的成本。PCS 7无缝集成于TIA之中，适用于所有工业自动化层级的全系列产品、系统和解决方案，从企业管理级到控制级，一直到现场级，实现所有生产、过程混合工业的统一且可定制的自动化系统。

为了实现这一切，工艺的设计是关键，西门子的工程师充分利用南海绿电公司在垃圾焚烧发电领域中的运营经验，为其度身定做DCS平台，提供了从规划到设计、供货到安装、调试到售后，甚至系统升级改造的全生命周期服务。在项目执行过程中，由一名行业经验丰富的主任工程师牵头，硬件工程师按照设计规范和行业标准数据库，打造完成26面机柜、25个总线集成箱以及电源、网络等所有硬件的集成，同时软件工程师完成整个工艺的编程工作，将工艺要求转换成简易操作。在完成软硬件集成后，西门子会先进行内部测试，然后到用户工厂测试，以上测试完成后，需要通过168小时安全无故障运营，最终才能安心交付使用。基于全集成自动化TIA解决方案，将垃圾焚烧发电过程中所有第三方的自控系统以及现场硬件设备都集成在一个有全局数据的总体系统中，实现了数据的互通，消除了信息孤岛；整个工厂的生产流程被无缝地整合在一起，可进行集中管理，操作人员只需使用一个平台就能掌控整个生产过程，实时监测垃圾焚烧的情况和数据，大大降低人员操作成本；同时数据的集中透明，也是未来数字化生产的基础，西门子还为MES系统预留了接口，可以轻松的将工厂生产数据与MES系统进行对接，实现从上层资产到现场设备全方位的集成管理，完成数字化制造的跨越。

此次项目中使用的是SIMATIC家族中一款功能强大、坚固耐用的过程工业控制器——CPU 410-5H。这款控制器属高性能控制器，其高速运算能力可以满足过程工业的高要求。CPU 410-5H专为全天候应用而设计，可用于苛刻的温度、振动、冲击环境下，并符合EMC的各种要求。

新兴的信息革命正方兴未艾，深深地影响着垃圾焚烧发电/电力等多个行业。在新一轮的大型工程项目建设中，电力行业中各个企业不约而同地提出全新的概念——数字化电厂。建设数字化电厂的目的是使发电企业效益最大化。数字化电厂结构模型可以划分为三个层次：厂级、机组(车间)级、现场监控设备级。当前我国电厂厂级和机组（车间）级这两级已经实现数字化，而现场控制设备级绝大部分尚未实现数字化。现场总线系统（FCS）技术有望解决这一难题。

现场总线系统（FCS）是实现数据互通的关键。传统的解决方案中，控制器与现场设备的链接，以传统用硬接点的方式链接到I/O模块，需要大量的布线，而且采集的数据有限。随着数字化生产概念的深入，预防性维护成为趋势，需要现场仪表的更多参数，Profibus的优势逐渐体现。在该项目中，现场过程仪表通过Profibus-PA总线连接，并用DP/PA-LINK将PA转化为DP的一个节点存在于整个系统中；控制器与现场设备采用双冗余Profibus-DP总线连接；控制器与服务器通过双环网、以太网连接，而服务器与客户端用工业以太网连接。25个防护等级为IP65的全不锈钢总线接线箱，在其现场仪表最近的地方布置起来，以便于节省电缆。

总线将所有设备的全生命周期数据进行采集，包括第三方的子系统，甚至包括现场的地磅数据，并通过PDM管理软件实现在线监控。在监控状态、了解设备详细信息的同时，远瞻性地预估出设备的生命周期，为公司资产管理系统，设备的维护提供了有效的支持，用户如同像知道未来一样提前预测出哪个部件需要维护维修，延长使用寿命，而不是再被动地等到设备出问题再进行维修和故障处理。

南海垃圾焚烧发电二厂已高效运营三年，新的垃圾焚烧发电厂项目目前已进入调试阶段，计划在2015年竣工，投产后南海绿电的垃圾处理量可达到3000吨/日，可以完全消化南海区目前2800吨/日的生活垃圾，最终彻底解决南海区生活垃圾无害化处理问题。

南海绿电公司携手西门子，在TIA解决方案的帮助下，充分发挥垃圾的余热，让垃圾用它的余热走完能源轮回之路，还自然一片洁净。