BWE生物質(zhì)鍋爐爐膛壓力自動(dòng)控制模型應(yīng)用

苗國(guó)慶

摘 要：

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)生物發(fā)電鍋爐運(yùn)行中爐膛燃燒不穩(wěn)定冒灰冒火的現(xiàn)象，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)而總結(jié)出一種適用于BWE生物質(zhì)鍋爐爐膛壓力自動(dòng)控制的模型及該模型在光大碭山項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

生物質(zhì)發(fā)電;國(guó)能生物;光大國(guó)際;BWE鍋爐;光大碭山;爐膛壓力;自動(dòng)控制;PID

中圖分類(lèi)號(hào)：

TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）23019702

1 引言

開(kāi)發(fā)利用可再生能源，對(duì)于保障能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

我國(guó)生物質(zhì)能資源非常豐富，發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電，實(shí)施煤炭替代，可顯著減少二氧化碳和二氧化硫排放，產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。因此生物質(zhì)能發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。

國(guó)內(nèi)生物質(zhì)直燃發(fā)電的鍋爐主要有流化床生物質(zhì)鍋爐（主要代表是凱迪生物發(fā)電集團(tuán)的機(jī)組）和振動(dòng)式爐排鍋爐（主要代表國(guó)能生物發(fā)電集團(tuán)、光大國(guó)際集團(tuán)的機(jī)組）兩種。兩種鍋爐各有優(yōu)點(diǎn)，也各有不足。

國(guó)內(nèi)振動(dòng)式爐排鍋爐主要采用的是BWE鍋爐，該爐型由北京德普新源公司（原龍基電力）從丹麥BWE公司以生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)引入，該爐型由濟(jì)南鍋爐廠生產(chǎn)。該鍋爐的特點(diǎn)：適應(yīng)燃料性較強(qiáng)，不需用床料，鍋爐燃燒工況容易控制，機(jī)組帶負(fù)荷能力強(qiáng)，熱效率高等特點(diǎn);從這幾年國(guó)內(nèi)生物質(zhì)機(jī)組的運(yùn)行情況及效益來(lái)看，該爐型比較適合我國(guó)北方地區(qū)。

2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)鍋爐燃燒工況現(xiàn)狀

由于國(guó)內(nèi)生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)：燃料品種繁多，品質(zhì)差異性大。例如有的項(xiàng)目所用燃料品種能達(dá)幾十種之多，且燃料的熱值、水份、雜質(zhì)又非常難以控制。這就造成了鍋爐運(yùn)行人員要根據(jù)燃料品種、品質(zhì)不斷地調(diào)整工況，在調(diào)整過(guò)程中會(huì)頻繁出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的工況（如暴燃、爐膛冒正壓或負(fù)壓過(guò)大、因爐膛正壓太大導(dǎo)致給料系統(tǒng)著火、因負(fù)壓過(guò)大致?tīng)t膛滅火等事故），目前在國(guó)內(nèi)上百個(gè)生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目中，極大多數(shù)鍋爐都存在著爐膛壓力波動(dòng)很大的現(xiàn)象，波動(dòng)范圍達(dá)正常設(shè)定值±800Pa，有的經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壓力到上千Pa以上。加上鍋爐本體密封不嚴(yán)等因素，鍋爐向外冒灰冒火的現(xiàn)象極為普遍，造成鍋爐本體上積灰積料、設(shè)備衛(wèi)生差，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患，也給環(huán)境造成了不同程度的污染。而能將爐膛壓力在各種工況時(shí)控制在微負(fù)壓（-50Pa～-30Pa）波動(dòng)范圍在正常設(shè)定值±100Pa的運(yùn)行項(xiàng)目很少。

在鍋爐燃燒過(guò)程控制中，爐膛壓力是反映燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，也是運(yùn)行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)燃燒工況一旦發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)鍋爐的燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，最先將在爐膛負(fù)壓上反映出來(lái)，而后才是火檢、火焰等的變化，其次才是蒸汽參數(shù)的變化。因此，監(jiān)視和控制爐膛壓力對(duì)于保證爐內(nèi)燃燒工況的穩(wěn)定均有極其重要的意義。

原因分析：大多數(shù)項(xiàng)目由于在工程建設(shè)中調(diào)試階段為了保證機(jī)組調(diào)試期間的穩(wěn)定，基本上都選用熱值較高且品種單一的燃料，調(diào)試時(shí)雖然也都進(jìn)行了爐膛壓力自動(dòng)參數(shù)的PID整定和調(diào)整，但當(dāng)在機(jī)組投入以后，由于使用燃料品種變化大，燃料品質(zhì)有好有差，這種造成實(shí)際運(yùn)行中爐膛壓力自動(dòng)無(wú)法投入的情況，即使可以投入，調(diào)節(jié)性能也不能滿(mǎn)足要求，尤其在燃料為較小顆粒狀，或燃料水份、雜質(zhì)較多時(shí)，燃燒工況更是難以控制。顯然通過(guò)常規(guī)的爐膛壓力PID控制是無(wú)法滿(mǎn)足鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求的。

所以如果能將爐膛壓力自動(dòng)投入并長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，是做為熱控專(zhuān)業(yè)人員及電廠運(yùn)行人員的迫切期望;這樣即節(jié)省了運(yùn)行人員的人力投入，也相應(yīng)對(duì)設(shè)備起到間接的保護(hù)作用。更能為機(jī)組的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有力保障。

3 BWE鍋爐爐膛壓力自動(dòng)控制模型介紹及應(yīng)用

本人從事電廠熱控專(zhuān)業(yè)近20年，并有多年生物質(zhì)發(fā)電的調(diào)試、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，憑借多年的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合生物質(zhì)鍋爐的特性，逐步摸索并建立了一套適合生物質(zhì)鍋爐爐膛壓力自動(dòng)控制模型（前饋+預(yù)控+PID），通過(guò)在光大碭山項(xiàng)目（2011年10月投入生產(chǎn)運(yùn)行）實(shí)施了該控制模型，經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目的長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐，這種模型的爐膛壓力自動(dòng)投入效果良好，爐膛壓力自動(dòng)在鍋爐燃燒工況較穩(wěn)定時(shí)可以將壓力維持在-30Pa左右（波動(dòng)范圍±50Pa），在不穩(wěn)定工況時(shí)也可將壓力穩(wěn)定在-30Pa（波動(dòng)范圍±100Pa）左右，在大擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，瞬間最高壓力基本不會(huì)超過(guò)±160Pa，且能在1.5秒內(nèi)就可將壓力回調(diào)至設(shè)定值正常范圍內(nèi)?，F(xiàn)就以光大碭山項(xiàng)目為例，介紹該模型特點(diǎn)及實(shí)施情況如下。

3.1 主要設(shè)備

（1）BWE振動(dòng)式爐排爐。

主要參數(shù)：額定蒸發(fā)量：130t/h;

過(guò)熱蒸汽壓力：9.2MPa;過(guò)熱蒸汽溫度：540℃;

給水溫度：220℃;冷空氣溫度：35℃;

空氣予熱器出口風(fēng)溫：195℃;排煙溫度：134℃;

鍋爐設(shè)計(jì)效率：89%;排污率：2%。

（2）引風(fēng)機(jī)。

主要參數(shù)：電機(jī)功率：900kW;全壓：7440Pa;

流量317800m3/h;轉(zhuǎn)速：980r/min;

額定電壓：10kV;

廠家：南通大通寶富風(fēng)機(jī)有限公司。

（3）變頻器。

主要參數(shù)：HIVERT-Y10/系列高壓變頻器;

采用高-高結(jié)構(gòu)，電壓等級(jí)10kV。

廠家：北京合康億盛變頻科技股份有限公司。

（4）DCS系統(tǒng)。

采用浙江中控公司的ECS-100控制系統(tǒng)。軟件采用Advantrol-pro，該軟件功能強(qiáng)大，各功能軟件間采用對(duì)象鏈接與嵌入式技術(shù)，該軟件人機(jī)交互界面為中文，并采用了windows標(biāo)準(zhǔn)控件，易學(xué)易用。該軟件集成了LD、FBD、SFC、ST語(yǔ)言等編輯器，使用戶(hù)編程更方便、直觀，并具有強(qiáng)大的在線幫助和在線調(diào)試功能。

3.2 燃料品種

主要燃料品種：樹(shù)皮、樹(shù)枝、碎木塊、小麥桔桿、玉米桔桿等。水份40%～60%，雜質(zhì)15%左右。

3.3 爐膛壓力擾動(dòng)分析

鍋爐燃燒時(shí)壓力擾動(dòng)主要有三種情況：

（1）燃料變化致使燃燒工況波動(dòng)。

如燃料中有粉狀燃料，或較小顆粒燃料，如鋸末，花生殼、稻殼等或燃料水份太大或雜質(zhì)過(guò)多等。

（2）爐排振動(dòng)時(shí)造成的擾動(dòng)。

（3）其他設(shè)備操作造成隨機(jī)的擾動(dòng)。

3.4 前饋+預(yù)控+PID模型應(yīng)用分析

當(dāng)燃料變化時(shí)，燃燒工況會(huì)發(fā)生較大變化，且出現(xiàn)壓力波動(dòng)很大的情況較多，并且是在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。普通的PID調(diào)節(jié)回路，無(wú)法適用這一情況，如果采用加微分的方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，PID回路無(wú)法正常調(diào)節(jié)。主要原因是加入微分后調(diào)節(jié)回路振蕩時(shí)間長(zhǎng)，不易穩(wěn)定（爐膛壓力本身就是一個(gè)經(jīng)常波動(dòng)量）。且擾動(dòng)幅度太大，PID本身無(wú)法及時(shí)回調(diào)。解決辦法：在PID回路外加一分析模塊，主要用于分析壓力波動(dòng)范圍，當(dāng)在正常范圍時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)PID回路超調(diào)節(jié)作用，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)波動(dòng)值超限（根據(jù)多次同種燃料燃燒試驗(yàn)取得該值），根據(jù)超限的幅度，通過(guò)折算模塊，將可能出現(xiàn)超限的量直接疊加在PID的輸出上，然后直接作用于引風(fēng)機(jī)變頻器（前饋方式），使引風(fēng)機(jī)迅速回調(diào)，這樣就可以在大擾動(dòng)出現(xiàn)初期抵其帶來(lái)的波動(dòng)，通過(guò)這種前饋方式可消除大擾動(dòng)變化量70%左右，其余則就由常規(guī)PID回路進(jìn)行消除和調(diào)整。

當(dāng)爐排振動(dòng)時(shí)，由于生物質(zhì)料層厚度較大，爐排風(fēng)透過(guò)料層時(shí)的壓力和風(fēng)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)改變爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)分布。這種擾動(dòng)引起壓力波動(dòng)也較大，但其有規(guī)律性，其壓力波動(dòng)圖形基本屬于拋物線形或尖峰型。根據(jù)其規(guī)律，通過(guò)中控DCS組態(tài)軟件中ST語(yǔ)言程序編輯器，編寫(xiě)了一個(gè)預(yù)控模塊，主要功能是通過(guò)計(jì)算爐排振動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的壓力波動(dòng)值，提前控制爐排風(fēng)量（減少），并通過(guò)改變爐膛壓力PID設(shè)定值（增加偏置量，該數(shù)值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)取得）兩種方式協(xié)同作用，就可將爐排振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)消除。

其他隨機(jī)擾動(dòng)一般很少出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)時(shí)可通過(guò)上述的綜合控制模型（前饋+預(yù)控+PID）進(jìn)行消除。

4 光大碭山項(xiàng)目流程圖及爐膛壓力歷史趨勢(shì)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在光大碭山項(xiàng)目實(shí)施此爐膛壓力自動(dòng)控制模型（前饋+預(yù)控+PID），達(dá)到了預(yù)期的目的，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的實(shí)際運(yùn)行，碭山項(xiàng)目鍋爐運(yùn)行中從未出現(xiàn)過(guò)冒灰、冒火現(xiàn)象，安全文明生產(chǎn)得到了有力保障，反應(yīng)出該控制模型應(yīng)用效果良好。由此可見(jiàn)此模型是適用于BWE鍋爐爐膛壓力的自動(dòng)控制的，其他類(lèi)型的生物質(zhì)鍋爐也有較大的借鑒意義。