生物質(zhì)能發(fā)電廠綜合自動控制技術(shù)探討

王志凱，王樂，徐征，劉婷婷

中國電力科學(xué)研究院，北京

　　摘要:生物質(zhì)是重要的可再生能源，目前主要可開發(fā)利用的資源為農(nóng)作物所產(chǎn)生的廢棄物——秸稈。相比燃煤發(fā)電，秸稈發(fā)電的污染排放很小，又可循環(huán)利用，是一種清潔的可再生能源。生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動化控制的主要難點是燃料熱值的不穩(wěn)定性造成的鍋爐燃燒難以經(jīng)濟、穩(wěn)定控制，以及由秸稈收、運、貯等環(huán)節(jié)存在的問題導(dǎo)致輸料系統(tǒng)難以安全、連續(xù)運行。本文以單縣生物質(zhì)發(fā)電廠為例，介紹了生物質(zhì)發(fā)電廠綜合自動化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略，并對調(diào)試和運行中所暴露的問題及其改進(jìn)方案進(jìn)行了初步探討。

　　1.引言

　　改變能源結(jié)構(gòu)，維護(hù)能源安全，發(fā)展可再生能源是當(dāng)今世界各國的重要舉措。從上世紀(jì)70年代石油危機以來，生物質(zhì)能開發(fā)利用開始受到各國關(guān)注[1]。中國擁有豐富的生物質(zhì)能資源，據(jù)測算，中國理論生物質(zhì)能資源約50億噸左右。目前主要開發(fā)利用的資源為水稻、玉米和小麥所產(chǎn)生的廢棄物--秸稈。國家發(fā)改委已經(jīng)將生物質(zhì)直燃發(fā)電列為可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面[2]。隨著國家《可再生能源法》的頒布實施，生物質(zhì)能發(fā)電必將迎來一個發(fā)展高峰。

　　區(qū)別于傳統(tǒng)火電廠綜合自動化控制系統(tǒng)，生物質(zhì)能發(fā)電廠綜合自動化系統(tǒng)的工藝及設(shè)備具有其特殊性，包括堿金屬腐蝕、灰渣結(jié)焦、結(jié)渣、焦油等問題[3]；同時生物質(zhì)燃料的熱值隨著濕度等特性的變化很不穩(wěn)定，因此不能通過常規(guī)控制方法按負(fù)荷計算出應(yīng)該投入的燃料量，而應(yīng)該通過對風(fēng)量的計算調(diào)節(jié)給料量，從而在本質(zhì)上改變了常規(guī)燃煤電廠的控制方式；另外，生物質(zhì)燃料的成分和煤粉存在極大差異，因而產(chǎn)生結(jié)焦、腐蝕的工藝參數(shù)及環(huán)境也與普通燃煤爐不同，對鍋爐及其輔助設(shè)備的工藝設(shè)計及自動化控制提出了不同要求；生物質(zhì)能電廠上料系統(tǒng)由于燃料的運輸、儲運、切割等工藝存在很多問題，因而導(dǎo)致了上料系統(tǒng)粉塵含量高，存在極大的安全隱患；并且現(xiàn)有上料系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)團(tuán)堵塞，不能保證鍋爐連續(xù)穩(wěn)定運行。生物質(zhì)能發(fā)電設(shè)備及綜合自動化控制的國產(chǎn)化及以上存在的問題都是今后生物質(zhì)能發(fā)電事業(yè)所面臨的亟待解決的問題。

　　2.生物質(zhì)發(fā)電綜合自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前生物質(zhì)發(fā)電使用的關(guān)鍵一次設(shè)備基本上都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，以單縣項目為例，上料系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了全部的國產(chǎn)化，電站鍋爐以丹麥BWE鍋爐技術(shù)為基礎(chǔ)，采用的是130t/h、振動爐排、四回程（M型煙氣回路）、自然循環(huán)的國產(chǎn)汽包鍋爐。汽輪機和發(fā)電機等設(shè)備與常規(guī)小型電廠基本類似，其控制方式也基本類似。

　　根據(jù)秸桿發(fā)電項目的特點并結(jié)合我國自動化控制的發(fā)展趨勢，自動化控制系統(tǒng)可以采用分級遞接控制。整個系統(tǒng)可以分為三個控制層次，即站控層、中間層和間隔層。

　　2.1站控層

　　站控層接收中間層傳輸?shù)母黝愋畔?，并將運行人員的指令下發(fā)到相應(yīng)的中間層控制器，是整個系統(tǒng)的人機接口。操作人員通過顯示畫面，可以實時直觀的掌握整個系統(tǒng)的運行情況。從安全性角度考慮，站控層可以采用雙機雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊采用100M高速以太網(wǎng)，兩臺服務(wù)器互為熱備用，提高整個系統(tǒng)的實時性、可靠性。

　　2.2中間層

　　中間層是整個自動化控制系統(tǒng)的橋梁，負(fù)責(zé)收集間隔層傳輸?shù)母黝愋畔?，運行相應(yīng)的控制邏輯，同時將各類信息傳輸?shù)秸究貙?，并且?fù)責(zé)接收站控層的各項指令，觸發(fā)相應(yīng)的邏輯流程。中間層也可以采用雙機雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊采用10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)，兩臺前置控制器互為熱備用，能夠保證系統(tǒng)可利用率不低于99.9%。

　　2.3間隔層

　　間隔層主要負(fù)責(zé)實時采集現(xiàn)場設(shè)備的信息，并將采集到的信息傳送到中間層，是整個自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。間隔層可以根據(jù)現(xiàn)場一次設(shè)備的安裝配置情況，采用不同的網(wǎng)絡(luò)配置，較常見的有以太網(wǎng)、CAN總線、遠(yuǎn)程I/O等配置方式。該層可以采用安全性較高的PLC或PCC進(jìn)行配置，使整個系統(tǒng)具有較高的可靠性。

　　自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　3.生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動化控制策略研究

　　生物質(zhì)能電廠對中國來說是一個全新的事物。生物質(zhì)能電廠與常規(guī)火力發(fā)電廠最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量較高且不穩(wěn)定，其熱值不固定，進(jìn)而導(dǎo)致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發(fā)電機、電氣和輔助車間等系統(tǒng)的控制方式與相同規(guī)模的常規(guī)電廠并沒有太大的不同。根據(jù)對國內(nèi)外生物電廠自動化控制系統(tǒng)的考察和研究，對生物質(zhì)能電廠鍋爐的主要控制做簡要的分析討論。

　　3.1負(fù)荷控制

　　生物質(zhì)能電廠負(fù)荷控制思路與常規(guī)電廠有本質(zhì)的區(qū)別。機組控制采用機跟爐的調(diào)節(jié)方式，鍋爐調(diào)負(fù)荷，汽機隨鍋爐負(fù)荷的變化而保持進(jìn)汽的壓力基本保持不變。由于生物質(zhì)燃料的熱值不固定，根據(jù)鍋爐負(fù)荷不能直接確定給料量，但是可以確定給風(fēng)量，再根據(jù)鍋爐的實際蒸發(fā)量、尾部煙道氧量通過負(fù)荷控制器的運算來調(diào)整給風(fēng)量和給料量，最終實現(xiàn)鍋爐側(cè)對負(fù)荷的調(diào)節(jié)。

　　依據(jù)這種控制方式，可以解決以生物質(zhì)這類熱值不固定的燃料為原料的鍋爐負(fù)荷精確、自動控制問題。

　　3.2鍋爐風(fēng)量控制

　　鍋爐的風(fēng)量由負(fù)荷直接確定，進(jìn)而決定了送風(fēng)機擋板的開度和送風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，通過對總風(fēng)量的監(jiān)測來實現(xiàn)鍋爐風(fēng)量的閉環(huán)控制。風(fēng)經(jīng)過合理的分配，形成了爐排風(fēng)、前后墻下二次風(fēng)、前后墻上二次風(fēng)和播料風(fēng)，每路風(fēng)都由各自的流量或壓力來進(jìn)行自動控制。

　　3.3鍋爐給料控制

　　鍋爐的給料系統(tǒng)分為兩條給料線，每條線由爐前料倉、取料機、輸料機、配料機、三個緩沖料倉和三臺螺旋給料機組成，生物質(zhì)燃料最終由轉(zhuǎn)速可調(diào)的螺旋給料機送入爐膛。

　　給料系統(tǒng)進(jìn)行了裕量設(shè)計，每臺給料機的負(fù)荷達(dá)到80％左右，就能滿足鍋爐滿負(fù)荷運行。鍋爐的負(fù)荷平均分配到每臺給料機上，運行人員可以在一定程度上調(diào)整每臺給料機的出力。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，控制系統(tǒng)會自動的將每臺給料機的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，將負(fù)荷的變化量平均分配到每臺運行的給料機上。如果有個別給料機出了故障，控制系統(tǒng)能夠快速、自動的將故障給料機的負(fù)荷平均分配到其它運行的給料機上去，繼續(xù)保持鍋爐負(fù)荷的基本穩(wěn)定，保證電廠的安全穩(wěn)定運行。

　　取料機、輸料機和配料機的轉(zhuǎn)速與給料機的轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，保證每臺給料機的緩沖料倉都存有充足的燃料，緩沖料倉的料位對轉(zhuǎn)速有修正作用。給料系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

　　3.4爐膛壓力控制

　　爐膛壓力控制為簡單單回路閉環(huán)控制。運行調(diào)試人員設(shè)定爐膛壓力，根據(jù)壓力的設(shè)定點與爐膛壓力反饋調(diào)節(jié)引風(fēng)機入口擋板開度和引風(fēng)機轉(zhuǎn)速。爐膛壓力控制原理如圖3所示。

　　3.5主蒸汽溫度控制

　　鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)由四級過熱器和三級噴水減溫器組成。過熱器和噴水減溫的目的是將主蒸汽的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度。每個過熱器的溫度控制器都設(shè)計為典型的雙回路控制器。過熱器進(jìn)口溫度的響應(yīng)記錄作為過熱器出口偏差記錄的反作用。反作用延時后停止，與過熱器實際過程響應(yīng)相類似。這可以通過回路的積分器和Pt1過濾器來實現(xiàn)。主蒸汽溫度控制原理如圖4所示。與常規(guī)電廠每級過熱器出口人為設(shè)置溫度設(shè)定點不同，此系統(tǒng)只設(shè)置第四級過熱器出口的溫度設(shè)定點，前兩級過熱器出口的溫度設(shè)定點取后一級減溫器入口的溫度。這樣整個系統(tǒng)整合為一個整體，為控制主蒸汽溫度服務(wù)，縮短了控制時間，增強了溫度的穩(wěn)定性，提高了控制的效率，提高了主蒸汽的品質(zhì)。

　　3.6給水控制

　　鍋爐給水系統(tǒng)主要由汽包、給水調(diào)節(jié)閥和兩個給水泵組成。兩給水泵為轉(zhuǎn)速可調(diào)泵，一用一備。汽包液位決定了給水泵的轉(zhuǎn)速，而主蒸汽流量和給水流量也是影響給水泵轉(zhuǎn)速重要因素。通過給水調(diào)節(jié)閥的節(jié)流實現(xiàn)對給水壓力的短時間小幅調(diào)節(jié)。一般情況下，給水閥是全開的，只有當(dāng)鍋爐啟動時或者減溫水壓力不足時，才會令給水閥節(jié)流以提高給水壓力。鍋爐的給水控制原理如圖5所示。

　　3.7空氣預(yù)熱器控制

　　與常規(guī)電廠不同，系統(tǒng)布置了一組高壓空預(yù)器、高壓煙氣冷卻器和一組低壓空預(yù)器、低壓煙氣冷卻器。系統(tǒng)以水為介質(zhì)，將煙氣的熱量傳遞給將要進(jìn)入爐膛的空氣。系統(tǒng)如此布置既保證了對空氣的良好加熱，又防止了排煙溫度過低，出現(xiàn)低溫結(jié)露，腐蝕空預(yù)器管材。

　　3.8燃料儲存和輸送系統(tǒng)控制

　　生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料主要采用各類秸稈或者速生林木。燃料的粉碎等預(yù)處理由燃料的收集和儲藏的單位完成。電廠燃料的儲藏和運輸系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：料倉，事故料斗，斗式提升機，螺旋取料機，移動配倉帶，電子汽車衡，雙列刮板機，皮帶機，帶式除鐵器，爐前筒倉（鍋爐給料系統(tǒng)）。燃料儲存和輸送系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)在正常運行時，順料流啟動，逆料流停止；在故障條件下，逆料流保護(hù)跳閘。斗提和直線螺旋輸料機的轉(zhuǎn)速由鍋爐給料機的轉(zhuǎn)速確定,同時把爐前料倉高度作為輔助調(diào)整參數(shù),使燃料在滿足鍋爐負(fù)荷的前提下均勻的傳輸。

　　4.控制難點與改進(jìn)方案的探討

　　實踐證明，以上控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)能電廠的自動化控制，保證電廠的安全穩(wěn)定運行。但是在調(diào)試和運行中，還是暴露了控制系統(tǒng)存在的若干問題。

　　4.1粉塵控制與防火防爆

　　目前生物質(zhì)電廠的燃料儲運是在常壓下進(jìn)行的，由于生物質(zhì)燃料自身的特點，在其粉碎過程中或者在運輸過程中出現(xiàn)落差的情況下，會產(chǎn)生大量的粉塵，導(dǎo)致了上料系統(tǒng)合鍋爐給料系統(tǒng)的粉塵含量高，粉塵濃度甚至進(jìn)入爆炸極限范圍，存在極大的安全隱患。

　　針對這種情況，需要我們根據(jù)國內(nèi)燃料供應(yīng)情況，在燃料粉碎、運輸及上料環(huán)節(jié)上對生產(chǎn)工藝做相應(yīng)修改，如采用封閉式負(fù)壓儲運；在落差較大的位置設(shè)置除塵裝置；增設(shè)粉塵濃度傳感器對粉塵進(jìn)行實時監(jiān)測；保持料倉的通風(fēng)性良好，監(jiān)測并控制料倉的溫度、濕度。

　　4.2燃料輸送系統(tǒng)的簡化

　　目前燃料輸送系統(tǒng)和鍋爐給料系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，工藝復(fù)雜，螺旋和斗式提升機經(jīng)常堵塞的現(xiàn)象。燃料輸送系統(tǒng)故障會導(dǎo)致爐前料倉斷料，不能滿足鍋爐負(fù)荷下的燃料供應(yīng)。

　　為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，可以考慮改進(jìn)現(xiàn)有的給料工藝，減少給料環(huán)節(jié)，不采用斗式提升機，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時嚴(yán)格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結(jié)團(tuán)、纏繞，并改進(jìn)自動化控制手段，保證輸料系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行。

　　4.3結(jié)焦和腐蝕

　　生物質(zhì)燃料的成分和煤粉存在極大差異，尤其灰分中含有大量堿金屬鹽，這些成分導(dǎo)致其灰熔點較煤粉的灰熔點低，容易產(chǎn)生沾污結(jié)焦和腐蝕。因而生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生結(jié)焦、腐蝕的工況參數(shù)與普通燃煤爐不同，應(yīng)該根據(jù)燃料性質(zhì)及燃燒特性的不同，對鍋爐及其輔助設(shè)備的工藝設(shè)計提出不同要求，并改進(jìn)相關(guān)自動化控制使工藝運行環(huán)境符合現(xiàn)有設(shè)備要求。

　　5.結(jié)語

　　生物質(zhì)發(fā)電，作為清潔的可再生能源，對改善我國能源結(jié)構(gòu)，減少我國對化石燃料的依賴，進(jìn)而減少我國CO2和SO2等污染物的排放，最終緩解能源消耗給環(huán)境造成的壓力有重要的意義[4]。實現(xiàn)生物質(zhì)能發(fā)電設(shè)備及其綜合自動化控制的國產(chǎn)化，開展核心設(shè)備的研發(fā)，開發(fā)完整的生物質(zhì)發(fā)電成套技術(shù)和裝備，最終形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)，具有廣泛的發(fā)展前景！

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]瑞典、丹麥、德國和意大利生物質(zhì)能開發(fā)和利用考察報告

　　[2]國家發(fā)展改革委員會可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄，2005,11

　　[3]段菁春、肖軍，生物質(zhì)與煤共燃研究電站系統(tǒng)工程2004.1

　　[4]陰秀麗、吳創(chuàng)之，生物質(zhì)氣化對減少CO2排放的作用[J].太陽能學(xué)報,2000,1