摘要:工業(yè)化進(jìn)程產(chǎn)生的危險廢物的數(shù)量不斷增多，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，相應(yīng)的焚燒處置工程也應(yīng)運(yùn)而生。自控儀表設(shè)計關(guān)系到整個焚燒處置工程的焚燒效率、控制優(yōu)化、環(huán)保排放等。基于焚燒處置項(xiàng)目介紹自控儀表設(shè)計的一般規(guī)定，結(jié)合主要工藝闡述相關(guān)儀表的選型及控制，呈現(xiàn)全廠自控系統(tǒng)的架構(gòu)，以期在設(shè)計上能更好的實(shí)現(xiàn)焚燒處置工程的自動化控制。

1 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，產(chǎn)生的危險廢物的種類和數(shù)量不斷增多，若不合理處置將嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境及人員健康。目前比較普遍的危險廢物包括了醫(yī)療廢物、農(nóng)藥廢物、化工廢物等，焚燒是處置危險廢物的其中一個手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)焚燒處置工程的自動化要求越來越高，在焚燒效率、能源管理、環(huán)保排放等方面都提出了新的要求，因此，成熟、可靠、先金的自動化控制系統(tǒng)的需求越來越高。

2 通用設(shè)計規(guī)定

自控儀表系統(tǒng)主要包括了控制系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表及自控閥等終端設(shè)備、保證終端設(shè)備運(yùn)行的氣源及電源以及終端設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的電纜聯(lián)絡(luò)等。工程設(shè)計中自控儀表專業(yè)主要包括了帶檢測與控制點(diǎn)的工藝流程圖(P＆ID)、現(xiàn)場儀表及自控閥的選型、控制系統(tǒng)的配置及布置、控制電纜、供電電纜、儀表氣源的設(shè)計等。

工程設(shè)計涉及的廠家和人員比較繁雜，在設(shè)計初期應(yīng)擬定設(shè)計的主要原則以便各供應(yīng)商遵照執(zhí)行。以某工業(yè)園區(qū)的危險廢物焚燒處置工程的自控儀表設(shè)計來說，初期至少應(yīng)做以下定義:

2． 1 設(shè)計范圍

應(yīng)在 P＆ID 中做出明確的設(shè)計分界，并制定相應(yīng)的設(shè)計范圍說明文本，以便做好各系統(tǒng)進(jìn)出口的銜接，避免重復(fù)或錯漏。

2． 2 接口標(biāo)準(zhǔn)

自控儀表設(shè)計涉及很多標(biāo)準(zhǔn)定義，以統(tǒng)一不同供應(yīng)商提供的設(shè)備，達(dá)到工程內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化的要求，主要包括:工藝過程接口:一般現(xiàn)場儀表及閥門的連接方式主要為法蘭式、螺紋式、焊接式。該項(xiàng)目的法蘭參照化工標(biāo)準(zhǔn)中 EN 系列的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，密封面為 ＲF 型式，其壓力等級采用 PN 表示［1］;螺紋采用了英制管螺紋(55 度)中的圓錐 Ｒ 螺紋;高溫高壓的介質(zhì)的工藝過程接口采用焊接。電氣接口:即電纜口的標(biāo)準(zhǔn)一般包括了 M、G、NPT 螺紋等。該項(xiàng)目統(tǒng)一采用米制管螺紋(60 度)，即 M 螺紋，一般變送器的接口為 M20 ×1． 5，部分電動閥的接口采用 M25 ×1． 5。氣源接口:通過 12 路氣源分配器對氣動控制閥供氣。氣源分配器至氣動閥采用硬管輸送，在靠近閥門 1 米處轉(zhuǎn)為軟管，閥門對外的氣源接口統(tǒng)一采用 φ8 的快插接頭。通訊接口:各控制系統(tǒng)間采用 Profuibus － DP 通訊方式，各系統(tǒng)配置 Profibus － DP 接口，通過 DP 通訊電纜或光纖連接。

2． 3 材料標(biāo)準(zhǔn)

自控儀表設(shè)計涉及的儀表安裝材料主要包括了儀表引壓管、儀表氣源管、電纜材料、儀表手閥及管接頭、電纜橋架等。考慮該項(xiàng)目產(chǎn)生的煙氣可能存在酸性腐蝕，選用 316 不銹鋼，φ14 ×2 的引壓管，螺紋/焊接連接;配備 DN10 的針型閥作為儀表取樣閥及排污閥，高溫高壓一次閥采用焊接式，其余采用螺紋連接。

儀表壓縮空氣經(jīng)過空壓站房的脫油、干燥處理后相對潔凈，硬管統(tǒng)一選用 φ10 × 2 的 304 不銹鋼管，卡套接頭連接，軟管采用 φ8x1 的尼龍管。

控制電纜統(tǒng)一采用帶護(hù)套的阻燃銅芯電纜，模擬量采用1. 0mm 2 的計算機(jī)屏蔽電纜，數(shù)字量采用 1． 5mm 2 的屏蔽控制電纜，儀表供電電纜采用不小于 1． 5mm 2 的非屏蔽控制電纜，通訊連接電纜采用 Profibus － DP 通訊電纜或光纖。儀表橋架及電纜保護(hù)管選用熱鍍鋅鋼材質(zhì)，橋架采用100mm 高的槽式橋架，寬度根據(jù)電纜填充率(30% ～ 40%)計算;電纜保護(hù)管選用 DN20 及 DN32 規(guī)格。除以上這些通用的基本設(shè)計原則外，還需定義統(tǒng)一的圖紙標(biāo)準(zhǔn)、盤柜標(biāo)準(zhǔn)、儀表選型標(biāo)準(zhǔn)等。

3 儀表選型設(shè)計

該項(xiàng)目處理的危險廢物主要包括固體廢物及液體廢物，采用回轉(zhuǎn)窯加二燃室的燃燒方式。較大的固體廢物需在預(yù)處理工段破碎后儲存在料坑，通過抓斗投料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，再至二燃室燃燒;液體廢物儲存在廢液罐中，經(jīng)過濾后泵送至焚燒車間，其中低熱值的廢液噴入回轉(zhuǎn)窯，高熱值的廢液噴入二燃室。二燃室出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐利用，鍋爐出口的煙氣再經(jīng)急冷、脫酸、除塵等煙氣處理達(dá)到環(huán)保要求后至輸送至煙囪排放［2］ 。該項(xiàng)目危險廢物處置的簡要流程如圖 1 所示。

以焚燒系統(tǒng)為例，危險廢物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后，經(jīng)干燥、熱解、焚燒后，殘?jiān)鼜母G尾排出至冷渣機(jī)，其余未完全燃燒的隨煙氣進(jìn)入二燃室中繼續(xù)燃燒后進(jìn)入余熱鍋爐利用。該系統(tǒng)中涉及的現(xiàn)場儀表主要包括了溫度、壓力、物位、流量、分析儀表等。

3． 1 溫度儀表

溫度測點(diǎn)主要位于回轉(zhuǎn)窯窯頭、窯尾、二燃室、余熱鍋爐、除氧器等設(shè)備本體以及煙風(fēng)道、鍋爐給水管道等。一般溫度在 300℃以上的測點(diǎn)選用 K 型熱電偶，其中溫度長期超過 1000 度的測點(diǎn)選用 S 型熱電偶，300℃以下的測點(diǎn)選用 Pt100 鉑熱電阻。設(shè)備本體的溫度測點(diǎn)采用法蘭連接方式，如回轉(zhuǎn)窯、二燃室、余熱鍋爐等;煙氣、風(fēng)、低壓液體等管道上的溫度測點(diǎn)采用螺紋連接;高溫高壓的溫度測點(diǎn)采用焊接，如主蒸汽等。煙氣中的有毒物質(zhì)須在高溫下完全燃盡，因此規(guī)范要求二次燃燒室焚燒溫度應(yīng)大于 1100℃，停留時間不低于 2s，以保證二惡英等被完全分解 ［3］ 。該項(xiàng)目二燃室溫度控制在 1100 ～1200℃，采用 S 型熱電偶測量;而回轉(zhuǎn)窯的高溫區(qū)溫度控制在850 ～1000℃，余熱鍋爐出口溫度約 550℃，采用 K 型熱電偶測量;急冷后的煙氣溫度已降低，可采用熱電阻測量。廢物須經(jīng)高溫燃燒以摧毀有毒物，當(dāng)窯內(nèi)溫度過低時，應(yīng)停止進(jìn)料。考慮到煙氣的酸腐蝕性，測溫元件配備 316L 材質(zhì)的保護(hù)管。

3． 2 壓力儀表

壓力測點(diǎn)主要位于窯頭、窯尾、二燃室、余熱鍋爐等設(shè)備及煙風(fēng)道等，焚燒系統(tǒng)為負(fù)壓狀態(tài)，選用引壓管式的差壓變送器測量，其中一端通大氣。回轉(zhuǎn)窯出口的壓力約 －30 ～ －100Pa，由引風(fēng)機(jī)控制，引風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，降低引風(fēng)機(jī)的頻率將導(dǎo)致焚燒系統(tǒng)負(fù)壓減小，同時會降低煙氣的流速，增加燃燒物的停留時間。對于水等清潔無腐蝕的液體或蒸汽采用引壓管式的壓力變送器測量，如鍋爐給水、冷凝水、主蒸汽、除氧器等。壓力變送器接液部分的材質(zhì)選用 316L。

3． 3 物位儀表

一般液體介質(zhì)的物位采用法蘭式靜壓壓力(差壓)變送器進(jìn)行測量，如水箱水位等;對汽液混合的采用平衡容器或電接點(diǎn)液位計，如汽包液位、除氧器液位等;對于進(jìn)料溜槽、加料儲罐等設(shè)備，選用雷達(dá)物位計測量。對于汽包液位等易產(chǎn)生虛假液位的情況，也可采用磁致伸縮液位變送器結(jié)合其它液位測量比對。就地物位選用磁翻板物位計便于觀察。

3． 4 流量儀表

對于蒸汽、燃油等壓力較高的介質(zhì)采用平衡流量計測量，可耐沖刷，同時可縮短測量直管道要求;低壓介質(zhì)可選用孔板流量計等。對于廢液罐區(qū)泵送的液體廢物計量，選用電磁流量計、質(zhì)量流量計等。風(fēng)管及煙風(fēng)道由于尺寸比較大，布置時直管段長度較短;其空氣及煙氣流量的測量采用巴類風(fēng)量計測量，以減少直管道要求，提高測量精度。

3． 5 分析儀表

在二燃室出口及余熱鍋爐出口設(shè)置氧量分析儀表，以監(jiān)測過程中煙氣的含氧量，并及時調(diào)整。空氣由變頻風(fēng)機(jī)輸送至回轉(zhuǎn)窯和二燃室，保證燃燒所需的充足氧氣。當(dāng)二燃室內(nèi)的含氧量太低時，應(yīng)提高風(fēng)機(jī)的頻率，反之，降低風(fēng)機(jī)頻率;二燃室出口煙氣的含氧量一般控制在 8% ～12%。選用在線煙氣檢測系統(tǒng)(CEMS)對鍋爐排放的煙氣參數(shù)進(jìn)行專項(xiàng)檢測，應(yīng)能監(jiān)測煙氣流量、溫度、壓力、濕度、氧濃度、煙塵、氯化氫、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和氟化氫，并將相關(guān)參數(shù)上傳至環(huán)保局 ［4］ 。

3． 6 自控閥

調(diào)節(jié)閥門、開關(guān)閥門采用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)工藝流程中閥門故障狀態(tài)的要求選擇彈簧開啟、彈簧關(guān)閉或雙作用的形式，如除氧器加熱蒸汽的入口管閥門，應(yīng)選擇故障時彈簧關(guān)閉，以切斷蒸汽的不斷流入，防止事故。

開關(guān)風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)門采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，380V 交流電源供電。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)情況選擇與風(fēng)門一體式，或選用分體式，由球星鉸鏈連接。

根據(jù)工藝介質(zhì)的特性和管道的材質(zhì)選擇適用的閥門形式、材質(zhì)。低壓的常溫水等液體介質(zhì)，在 DN100 以上管道時可選用蝶閥，小口徑的可選用球閥或截止閥，閥芯一般為不銹鋼材質(zhì)，閥體可與工藝管道材質(zhì)相同。蒸汽或高壓水等介質(zhì)可選用套筒調(diào)節(jié)閥，配氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同溫度壓力選擇合金鋼等材質(zhì)。

現(xiàn)場儀表變送器統(tǒng)一選用智能式，支持 HAＲT 協(xié)議，便于調(diào)試管理。防護(hù)等級應(yīng)保證能在使用環(huán)境和工況下長期可靠運(yùn)行，一般來說，室外的現(xiàn)場儀表防護(hù)等級不應(yīng)低于 IP66。位于爆炸危險場所的現(xiàn)場儀表及自控閥選用與爆炸危險等級相對應(yīng)的防爆儀表，如點(diǎn)火柴油罐區(qū)、廢液罐區(qū)等［5］ 。

所有溫度、壓力、物位、流量等變送器儀表具有標(biāo)準(zhǔn)的 4 ～20mA 信號，變送器采用二線制，通過 DCS 的 I/O 系統(tǒng)向變送器供電。

4 控制系統(tǒng)配置

該項(xiàng)目采用機(jī)爐電集中控制方式，在焚燒車間設(shè)一體化的集中控制室，配備操作員站、值長站、歷史站、工程師站等，對焚燒爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、除氧給水等系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)視。電子設(shè)備間緊鄰集中控制室，室內(nèi)布置控制機(jī)柜、電源柜等設(shè)備，兩個房間均設(shè) 300mm 高的防靜電活動地板便于安裝及布線。

該項(xiàng)目主系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)(DCS)，用于主要工藝生產(chǎn)過程如焚燒系統(tǒng)等的監(jiān)視和控制。DCS 采用全冗余配置，其網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，并預(yù)留有與全廠 MIS 系統(tǒng)的接口以及對其它各系統(tǒng)的通訊接口。

各相對好立的子系統(tǒng)，如急冷系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫酸系統(tǒng)等采用可編程邏輯控制器(PLC)，布置在現(xiàn)場或其它單體的分控制室中，PLC 與 DCS 之間采用 Profibus － DP 連接，構(gòu)成一個完整的全廠控制系統(tǒng)，如圖 2 所示。

在集中控制室內(nèi)配備必要的后備監(jiān)視儀表和緊急后備操作手段，當(dāng) DCS 發(fā)生全局性或重大故障時保證機(jī)組緊急安全停機(jī)。

對焚燒系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)設(shè)置工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，如汽包水位、料坑、進(jìn)料斗、輸送帶、固廢儲存區(qū)、廢液罐區(qū)、煙囪排放等，畫面可同時顯示在 DCS 系統(tǒng)的大屏幕中，與生產(chǎn)比對，隨時監(jiān)控。

5 結(jié)束語

對于此類危險廢物焚燒處置項(xiàng)目，自控系統(tǒng)就如同其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對維持整個工廠的良好運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。自控系統(tǒng)中每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計都將影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，必須加以重視，不斷優(yōu)化，以期形成更合理、更經(jīng)濟(jì)、更高效的自控儀表系統(tǒng)，為將來的智能化工廠打下良好的基礎(chǔ)。