西門子全集成自動化解決方案在垃圾焚燒發電行業的應用

瀚藍環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電、生活垃圾壓縮轉運、污泥處理、餐廚垃圾處理等業務的城市固廢處理企業。公司目前擁有1座日處理生活垃圾1500噸生活垃圾焚燒發電廠（南海垃圾焚燒發電二廠，2011年投產），該廠采用西門子的DCS系統對發電廠的生產過程進行監控和管理。面對日益增長的城市垃圾，2013年，公司決定擴建同等規模的垃圾焚燒發電廠。

 

攻克垃圾圍城

垃圾圍城已經成為一個世界性的難題，而在中國，這個問題更是迫在眉睫。中國每年產生垃圾約2億噸，人均垃圾年產量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約達到80億噸，垃圾堆存累積侵占土地5億平方米。已經有2/3城市已經被垃圾群包圍。目前僅廣東省每天生活垃圾的產生量約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電廠的建設和運行工作，努力成為中國以及世界上最好的生活垃圾焚燒發電公司，為中國的垃圾焚燒發電行業做出杰出貢獻。目前南海生活垃圾焚燒發電二廠（2011年建成）被中國住房和城鄉建設部評為3A級垃圾焚燒發電廠（中國目前只有5家）。

南海綠電公司坐落在南海大學城內，周邊有眾多的大學，企業和居民。公司管理層認為公司必須對政府、社區和公眾信息公開透明開放；成為城市的好管家、社區的好鄰居、行業的好典范。因此南海綠電公司努力做好各項建設、運營等方面的工作，并要采用最好的設計、最先進的設備、做出最好的管理。南海生活垃圾焚燒發電二廠已經采用西門子的DCS，通過三年的使用，取得了良好的效果�；�于以往的良好合作，南海綠電公司在新的垃圾焚燒發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最新的、最先進的設計方案——全集成自動化TIA解決方案。該方案不僅提供了全廠的DCS控制系統即PCS 7系統，包括8套冗余控制器，其中3臺焚燒爐和2臺發動機各配備一套，公共部分配備兩套，煙氣凈化系統配備一套，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、智能馬達控制柜等硬件設備；除此之外，還根據自身和南海綠電公司在垃圾焚燒多年的專業經驗，進行了全面優化，提供從設計編程、供貨安裝、生產調試到售后的全生命周期服務。

垃圾焚燒發電雖然與傳統火電發電原理一樣，都是將燃燒的熱能通過汽輪發電機轉化為電能，但垃圾焚燒發電的原料供給與傳統的火力發電有很大的不同�；鹆Πl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生，在工藝中還需添加防爆控制等，相比火力發電的工藝更復雜，涉及的自控點更多，要求工程師不僅要熟悉火力發電行業的控制規范，還要了解垃圾焚燒發電的特殊要求。

垃圾焚燒發電最受關注的，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。且內部通過變頻器調節送風機和排風機風量，即達到節能效果，又能維持爐內負壓環境，保證煙氣不會外溢。整個工廠實現全封閉的自動化生產：垃圾送到中轉站——壓縮后用標準的箱體密閉送到焚燒廠——在垃圾坑里充分發酵——轉至爐膛充分燃燒——二噁英經過處理被控制在安全標準以下——飛灰經處理被螯合成水泥塊——污水廢氣被凈化處理。經過多重處理，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化身環保衛士

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自動化從局部走向整合，通過統一的數據管理、通訊、組態和編程環境讓自動化設備與系統無縫連接，即縮短了工程時間、提高了生產效率，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，適用于所有工業自動化層級的全系列產品、系統和解決方案，從企業管理級到控制級，一直到現場級，實現所有生產、過程混合工業的統一且可定制的自動化系統。

為了實現這一切，工藝的設計是關鍵，西門子的工程師充分利用南海綠電公司在垃圾焚燒發電領域中的運營經驗，為其度身定做DCS平臺，提供了從規劃到設計、供貨到安裝、調試到售后，甚至系統升級改造的全生命周期服務。在項目執行過程中，由一名行業經驗豐富的主任工程師牽頭，硬件工程師按照設計規范和行業標準數據庫，打造完成26面機柜、25個總線集成箱以及電源、網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�；�于全集成自動化TIA解決方案，將垃圾焚燒發電過程中所有第三方的自控系統以及現場硬件設備都集成在一個有全局數據的總體系統中，實現了數據的互通，消除了信息孤島；整個工廠的生產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過程，實時監測垃圾焚燒的情況和數據，大大降低人員操作成本；同時數據的集中透明，也是未來數字化生產的基礎，西門子還為MES系統預留了接口，可以輕松的將工廠生產數據與MES系統進行對接，實現從上層資產到現場設備全方位的集成管理，完成數字化制造的跨越。

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電/電力等多個行業。在新一輪的大型工程項目建設中，電力行業中各個企業不約而同地提出全新的概念——數字化電廠。建設數字化電廠的目的是使發電企業效益最大化。數字化電廠結構模型可以劃分為三個層次：廠級、機組(車間)級、現場監控設備級。當前我國電廠廠級和機組（車間）級這兩級已經實現數字化，而現場控制設備級絕大部分尚未實現數字化�，F場總線系統（FCS）技術有望解決這一難題。

現場總線系統（FCS）是實現數據互通的關鍵。傳統的解決方案中，控制器與現場設備的鏈接，以傳統用硬接點的方式鏈接到I/O模塊，需要大量的布線，而且采集的數據有限。隨著數字化生產概念的深入，預防性維護成為趨勢，需要現場儀表的更多參數，Profibus的優勢逐漸體現。在該項目中，現場過程儀表通過Profibus-PA總線連接，并用DP/PA-LINK將PA轉化為DP的一個節點存在于整個系統中；控制器與現場設備采用雙冗余Profibus-DP總線連接；控制器與服務器通過雙環網、以太網連接，而服務器與客戶端用工業以太網連接。25個防護等級為IP65的全不銹鋼總線接線箱，在其現場儀表最近的地方布置起來，以便于節省電纜。

總線將所有設備的全生命周期數據進行采集，包括第三方的子系統，甚至包括現場的地磅數據，并通過PDM管理軟件實現在線監控。在監控狀態、了解設備詳細信息的同時，遠瞻性地預估出設備的生命周期，為公司資產管理系統，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。

南海垃圾焚燒發電二廠已高效運營三年，新的垃圾焚燒發電廠項目目前已進入調試階段，計劃在2015年竣工，投產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目前2800噸/日的生活垃圾，最終徹底解決南海區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。