生物質電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化

李傳慶 胡善云 馬玉敏

(國核電力規(guī)劃設計研究院電氣與儀控部，北京 100095)

0 引言

21世紀，人類面臨能源短缺和環(huán)境保護兩大核心問題［1］。大力發(fā)展可再生能源和清潔能源是解決上述問題的一種重要途徑。生物質能作為一種可再生的清潔能源，國內已有多家企業(yè)集團投資建設了多個生物質發(fā)電項目。相對于常規(guī)的燃煤機組，生物質發(fā)電站具有燃料可再生、區(qū)域性收集運輸成本低、對環(huán)境污染小、項目投資少、建設周期快等一系列優(yōu)點。目前，生物質能已經(jīng)成為我國分布式能源發(fā)電的一個重要組成部分［2-4］。

生物質電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在整個設計流程、設計程序和設計管理方面與傳統(tǒng)火電站基本沒有區(qū)別［5］，但在生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡規(guī)劃與配置、儀控設備布置、技術接口實施以及監(jiān)控系統(tǒng)所執(zhí)行的一些具體功能方面，其與傳統(tǒng)火電站有著明顯的不同。

1 依托項目介紹

依托工程主要是新建單元機組，不考慮再擴建，工程于2010年9月正式開工，于2011年9月正式并網(wǎng)發(fā)電。

1.1 主機設備及參數(shù)

主機設備主要包括秸桿鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，具體介紹如下。

①秸稈鍋爐，采用龍基生物發(fā)電工程有限公司產(chǎn)品，型式為高溫、高壓參數(shù)自然循環(huán)爐，單鍋筒、單爐膛、平衡通風、室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、底部支撐結構型鍋爐。鍋爐設備按燃燒硬質秸稈燃料設計，并可摻燒≤10%的軟質秸稈。

②汽輪機，采用青島捷能汽輪機股份有限公司產(chǎn)品，型式為高溫高壓、單缸、單軸、凝汽式汽輪機。

③發(fā)電機，采用濟南發(fā)電設備廠產(chǎn)品，額定功率為30 MW，額定轉速為3000 r/min，無刷勵磁系統(tǒng)。

1.2 主要工藝系統(tǒng)及特點

依托項目的主要工藝系統(tǒng)及特點介紹如下。

①給水系統(tǒng)設置兩臺150 t/h的調速電動給水泵，一臺運行、一臺備用。

②凝結水系統(tǒng)設置兩臺容量為100%的臥式電動凝結水泵，一臺運行、一臺備用。

③送風系統(tǒng)由一臺為100%容量的送風機和空預器組成，引風系統(tǒng)由一臺為100%容量引風機將煙氣吸入布袋除塵器凈化，經(jīng)煙囪排向大氣。

④化學除鹽水經(jīng)鍋爐補入凝汽器，可自動調節(jié)適應不同工況、不同負荷所需的凝結水補水量，化學除鹽水亦可直接作為凝汽器啟動補水。

⑤循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是具有冷水塔的二次循環(huán)水系統(tǒng)，設有兩臺50%容量的循環(huán)水泵，用于向凝汽器、冷油器、發(fā)電機空冷器等設備提供循環(huán)冷卻水。

⑥燃料經(jīng)過螺旋給料機由一條上料皮帶機運送至位于爐前的秸稈料倉中，通過取料螺旋，由爐前料倉底取料分配至給料機送入爐膛燃燒。

2 廠區(qū)物項關系

廠區(qū)主要物項以及物項之間的關系流程圖如圖1所示。

圖1 廠區(qū)物項關系圖Fig.1 Relationships among plant items

3 主要子系統(tǒng)與劃分

全廠工藝系統(tǒng)由鍋爐側系統(tǒng)、汽輪機側系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。

鍋爐側系統(tǒng)包括:①鍋爐本體及相關系統(tǒng)(含汽水、煙風、點火、燃油、給料等子系統(tǒng));②除灰渣系統(tǒng);③壓縮空氣系統(tǒng);④上料系統(tǒng)。

汽輪機側系統(tǒng)包括:①汽輪機本體系統(tǒng);②汽輪機水系統(tǒng);③汽輪機汽系統(tǒng);④循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)。

輔助系統(tǒng)包括:①化學除鹽水處理系統(tǒng);②綜合水泵房系統(tǒng);③汽水取樣與加藥系統(tǒng);④采暖加熱系統(tǒng);⑤電氣控制系統(tǒng)。

4 控制方式與網(wǎng)絡結構

4.1 控制方式

機組在就地人員巡回檢查的配合下，在集中控制室內實現(xiàn)機組的啟停、運行工況監(jiān)視和調整以及事故處理等。機組采用一套分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)實現(xiàn)全廠主要工藝系統(tǒng)及設備的參數(shù)檢測、報警、控制、聯(lián)鎖、保護、診斷、事故處理等功能。機組的運行人員在主控室按“一主一輔”的定員配置。

機組采用爐、機、電、輔集中控制，全廠共設一個集中控制室。運行人員在集控室內通過DCS操作員站的LCD、鍵盤及鼠標等，完成對機組的監(jiān)視、調整與控制。當DCS發(fā)生全局性或重大故障時，按照“故障安全”的原則，通過安裝在操作臺上的少數(shù)獨立于DCS的硬接線手操設備，實現(xiàn)機組的緊急安全停機。化學除鹽水處理系統(tǒng)納入DCS，在輔助車間內設置一臺DCS操作員站，用于系統(tǒng)調試和臨時檢修維護，正常運行時的輔助車間按無人值守考慮。電氣控制系統(tǒng)使用與DCS相同的軟硬件，配置有一臺獨立的操作站，在集中控制室內進行統(tǒng)一的監(jiān)控。

4.2 監(jiān)控網(wǎng)絡結構及特點

生物質發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡基于上述廠區(qū)物項和工藝子系統(tǒng)進行劃分，按照“工藝相關、區(qū)域相近”的總體原則，完成以 DCS為平臺的全廠信息采集、信息處理、信息集成和信息決策過程。生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡結構圖如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡結構圖Fig.2 Structure of the production monitoring and control network

整個生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡構成具有以下特點。

①全廠設置一套DCS系統(tǒng)，完成全廠系統(tǒng)監(jiān)視與控制功能，不再單獨設置輔網(wǎng)程控系統(tǒng)。對于化水制氯系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)隨主設備廠家配套PLC系統(tǒng)，通過RS-485通信方式接入DCS系統(tǒng)，進行統(tǒng)一監(jiān)控。

②在距離主廠房較遠、工藝設備分布較為集中的區(qū)域，采用遠程I/O技術，如化水除鹽水處理系統(tǒng)設置一套遠程I/O站，綜合水泵房內設置遠程I/O柜。

③汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽機本體監(jiān)測儀表系統(tǒng)(TSI)、汽機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)均隨主機設備成套供貨。上述系統(tǒng)與DCS的信息交換采用“一對一”的硬接線方式完成，其中DEH配置有兩套獨立的上位機，分別位于集控室和工程師室內。

5 集控室與電子設備間布置

考慮到工程廠區(qū)面積較小，主廠房區(qū)域內儀控設備采用了集中布置方案。汽輪機主廠房運轉層上布置了集控室、工程師室、電子設備間［6］;運轉層下方布置有相應的電纜橋架通向鍋爐、汽機以及外圍的輔助車間。此外，在化水處理車間布置了一個儀控電子設備間、一套DCS遠程站(包括DCS處理器機柜、卡件柜、電源柜、操作員站等);綜合水泵房采用了遠程I/O技術，泵房車間內布置了DCS遠程I/O柜。

6 主要技術性問題與分析

6.1 爐膛溫度測量裝置選型與比較

爐膛溫度采用進口紅外溫度測量裝置，爐膛溫度范圍在200～1500℃之間。據(jù)調查，目前，溫度范圍僅有200～1200℃和368～1600℃兩種選擇?？紤]到368～1600℃紅外測溫儀對爐膛低溫段的測量存在著較大盲區(qū)，而計劃選用200～1200℃，通過與鍋爐廠的進一步確認，爐膛內正常工作溫度在800℃左右，上限不會超過1200℃。現(xiàn)場經(jīng)驗反饋認為，紅外測溫裝置屬于非接觸式測溫裝置，安裝調試和后續(xù)維護比較麻煩，且價格較高，建議采用熱電偶來代替。但設計采用紅外測溫更具優(yōu)勢，其原因如下:生物質在整個爐膛中燃燒熱場分布較為分散，而采用非接觸式的測溫能夠測量到爐膛中心區(qū)域的最高溫度，無須補償;而熱電偶接觸式測量方式，測量溫度與爐膛中心區(qū)域的溫度存在較大偏差。從經(jīng)濟性比較來看，測量溫度在0～1200℃時，熱電偶選擇S型。這類熱電偶價格昂貴，與非接觸紅外測溫裝置在價格上的優(yōu)勢也并不明顯。

6.2 爐前料倉料位監(jiān)視問題

燃料經(jīng)過皮帶輸送機進入爐前的料倉，給料機將燃料送入爐膛，燃料在料倉中的下落過程非常容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，不及時處理將造成爐膛燃料斷供以及料倉燃料堆積，致使皮帶輸送機停運。燃料對于爐前料倉料位是一個重要的監(jiān)視參數(shù)，但截止目前一直缺乏有效的監(jiān)視手段。

在實際運行中，常規(guī)的在料倉設置料位開關的效果并不理想，經(jīng)常會發(fā)生誤報和漏報情況，無法真實反映料倉內燃料流動情況，所以爐前料倉料位監(jiān)視手段有待改進。

6.3 鍋爐緊急疏水閥控制問題

在汽包與緊急疏水擴容器之間的同一根管道上設置了兩個電動門:電動疏水調節(jié)閥和緊急電動疏水閘閥。這種設置存在的問題是:通過在集中控制室內設置的硬手操按鈕不一定能夠完全實現(xiàn)汽包緊急放水功能，因為緊急疏水還取決于另一個電動疏水調節(jié)閥狀態(tài)。

目前，采用通過硬手操按鈕打開緊急疏水閥，同時通過DCS聯(lián)鎖強制電動疏水調節(jié)閥至全開位。筆者建議今后可以考慮直接取消兩個電動疏水閥，改為一個帶有快開功能的氣動調節(jié)閥。

6.4 機組協(xié)調及相關問題

生物質發(fā)電機組容量較小，機組均不參與區(qū)域電網(wǎng)的調度，其根據(jù)機組實際能力發(fā)電。機組協(xié)調控制系統(tǒng)運行在機-跟-爐模式或機-爐均為手動模式，導致機組協(xié)調控制系統(tǒng)無法投入自動運行的原因在于燃燒控制系統(tǒng)與蒸汽溫度控制系統(tǒng)的自動投入率低。然而，關鍵控制回路自動投入率低與工藝系統(tǒng)特點及相關參數(shù)的測量密切相關。首先，即使能夠準確測量送料量，但由于使用的燃料種類較多，燃料的發(fā)熱量不同，導致對送風量需求量變化，而送風量無法準確測量是一個重要影響因素;其次，由于產(chǎn)生的熱量的波動會影響蒸汽溫度調節(jié)回路，而這種熱量波動沒有有效的測量手段和對蒸汽溫度調節(jié)回路進行有效補償?shù)牟呗?，導致蒸汽溫度控制無法投入自動。

綜上所述，一次參數(shù)的無法測量嚴重影響了整體熱工自動化水平的提升。

6.5 機組保護相關問題

生物質發(fā)電機組在跳閘保護系統(tǒng)的設計上存在與現(xiàn)有火電機組相關跳閘保護規(guī)范要求的不同之處，具體如下。

①爐膛壓力設定采用壓力變送器而非壓力開關，究其原因主要如下:對于此類鍋爐，由于爐排的振動而產(chǎn)生的周期性沖擊壓力導致爐膛壓力的變動范圍較大，使得壓力開關保護經(jīng)常性地動作，爐膛壓力保護回路無法投入自動。而采用壓力變送器進入DCS對壓力測量的定值調整以及延遲、濾波都比較方便，更具靈活性。

②按照相關技術規(guī)定，鍋爐主燃料跳閘后，應將送引風機保持原位，并保持爐膛內通風，防止內爆。而生物質機組在完成相應鍋爐操作后，關閉送引風機，因為燃料在爐膛內不會產(chǎn)生內爆事故，再次啟動后爐膛內燃料會得到再次利用，有利于提高燃料利用率［7］。

③機組的爐、機保護之間，除因汽包水位高停爐、停機外(防止因汽包水位過高導致汽輪機進水事故發(fā)生)，其他保護項目爐、機之間沒有聯(lián)鎖關系，即停機不停爐、停爐不停機。

上述問題反映出直接將火電機組熱工保護相應規(guī)程移植到生物質發(fā)電機組是不合適的，建議結合生物質電站工藝自身特點，制定本行業(yè)相關約束性和指導性規(guī)程規(guī)范。

7 未來展望

通過分析常規(guī)火電站的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可知，無論從監(jiān)控系統(tǒng)設計還是從技術研發(fā)角度都還存在改進的必要和可能，主要包括以下幾個方面。

①可以試點在輔助系統(tǒng)區(qū)域應用現(xiàn)場總線技術，實現(xiàn)現(xiàn)場智能設備在控制室的集中管控。此類電站的輔助系統(tǒng)非常簡單、輔助系統(tǒng)規(guī)模較小、區(qū)域分布較為集中、與機組運行非直接相關，且現(xiàn)場大量儀表已經(jīng)采用智能化儀表設備，具備了使用現(xiàn)場總線的技術前提條件。

現(xiàn)場總線技術應用將是實現(xiàn)全數(shù)字化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一項重要標志。

②熱工自動化水平有待進一步提升。現(xiàn)有技術基本滿足了運行人員需求，但與達到工程設計的理想目標之間還存在較大差距，主要表現(xiàn)為:一方面，部分一次參數(shù)無法測量或無法準確測量，以至于一些重要的模擬量調節(jié)回路自動投入率低，如燃燒控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)等;另一方面，控制系統(tǒng)的功能不完善以及功能與工藝系統(tǒng)的特性不匹配等。

另外，從信息角度考慮，依托DCS平臺，采集和處理“海量數(shù)據(jù)”，這些數(shù)據(jù)從底層至人機接口層供顯示、報警和決策，缺少數(shù)據(jù)再利用和數(shù)據(jù)深層次信息挖掘，容易造成監(jiān)控系統(tǒng)采集與再處理兩類數(shù)據(jù)流的嚴重不平衡。這也是自動化水平低的又一表現(xiàn)形式。

③機組的控制優(yōu)化尤其是鍋爐燃燒控制優(yōu)化存在著較大的潛力，同時難度也非常大?？刂苾?yōu)化是以提高機組運行效率、減少單位能源消耗以及降低污染物排放為直接目標，以DCS平臺為支撐，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用先進控制、智能控制方法完成單一目標或多目標優(yōu)化過程。

機組的控制優(yōu)化是一個系統(tǒng)工程［8-10］，與機組整體自動化水平是密切相關的，在機組“底層”自動化水平較低的情況下，無論多么優(yōu)秀的控制優(yōu)化方案都難以在實際工程中實施，只能是“紙上談兵”，即只限于控制優(yōu)化的理論階段。

④充分發(fā)揮信息管理系統(tǒng)［11］(management information system，MIS)平臺對全廠綜合性信息管理的優(yōu)勢，結合生物質發(fā)電自身特點，開發(fā)與之相匹配的相關功能模塊，例如，對生物質燃料的收購、運輸、儲存、消耗過程的供應鏈管理。由于燃料分布于電廠周邊地區(qū)而且種類較多，在收購、運輸方面都比較困難，作為可再生資源受季節(jié)性影響，燃料供給具有周期性，而且料廠存儲空間有限，燃料大量堆積會造成倉儲成本提高，如何將燃料控制在既能保證機組長周期運行對燃料量的需求，又能保證倉儲在合理范圍內是仍需研究的問題。另外，作為一類典型的分布式發(fā)電項目，MIS在不同廠址間的生產(chǎn)調度與管理信息在集團總部的信息共享方面也具有重要現(xiàn)實意義，有助于完成對不同廠址的各項指標的統(tǒng)計、分析、決策以及資源的節(jié)約與優(yōu)化配置。

8 結束語

生物發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過近一年時間的運行表明［6-11］:生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍廣、系統(tǒng)配置合理、關鍵參數(shù)可測、安全保護系統(tǒng)運行有效，基本滿足了運行人員對生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一般性要求。同時，系統(tǒng)在運行期間也暴露了一些技術性問題。總的來說，生物發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的熱工自動化水平有待進一步提高，整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制以及信息化功能的深入開發(fā)存在著巨大潛力。

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