DCS在生物質(zhì)發(fā)電廠自動控制的應(yīng)用

焦平義+陳少波

【摘 要】介紹生物質(zhì)發(fā)電廠DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置方案，分析生物質(zhì)發(fā)電廠自動控制方案，針對生物質(zhì)發(fā)電廠控制難點提出了解決方案。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)；DCS；自動控制

【Abstract】This paper introduces the structure of DCS control system in biomass power plant， analyzes the strategy of automatic control of biomass power plant， and puts forward the solution to the difficulty of controlling the biomass power plant.

【Key words】Biomass power plan； DCS； Automatic control

0 引言

我國是一個典型的農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物每年產(chǎn)生秸稈、玉米芯、花生殼、稻殼、和棉籽殼資源非常豐富，另外還有我國現(xiàn)有森林面積相對比較大，林業(yè)產(chǎn)生的樹皮及廢料資源也相對豐富，這些能夠作為燃燒能源利用的約5億噸，相當(dāng)于2.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)發(fā)電正是以農(nóng)業(yè)和林業(yè)等廢棄物為燃料，采取直接燃燒發(fā)電，生物質(zhì)能源代替不可再生石化能源，是有效方法之一。

然而生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量隨著其濕度的變化而變化，以及生物質(zhì)燃料的成分各不相同，燃燒時極其不穩(wěn)定，所以按照常規(guī)慣例計算出應(yīng)該投入的燃料量的方法是行不通的，所以設(shè)計了鍋爐負荷控制是基于運行模式汽輪機跟隨控制方案，當(dāng)外部負荷改變時，首先由鍋爐主控發(fā)出控制動作，待機前主氣壓改變后，再由汽輪機主控發(fā)出控制動作，但一定要提前預(yù)判到由于燃料的隨機變化引起的負荷波動，因而生物質(zhì)發(fā)電廠對自動化控制方案提出了其他要求。

1 LN2000DCS在生物質(zhì)發(fā)電廠應(yīng)用中的配置

LN2000的冗余現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)特別適用于地理位置分散的環(huán)境。通過雙絞線或光纖，可將智能I/O模塊任意擴展到幾公里范圍內(nèi)的任意地方，而其控制站則可集中布置。這些正適合生物質(zhì)電廠的需求。LN2000 DCS近年來已經(jīng)在龍江、臨沂、南宮、邳州等十余臺生物質(zhì)發(fā)電廠中投入運行，效果良好。LN2000在生物質(zhì)電廠的通常配置如圖1所示。

它由三部分構(gòu)成：

（1）主控室及電子間：布置鍋爐、汽機和發(fā)電機以及相關(guān)輔助系統(tǒng)的控制柜的控制，可對整個電廠的所有設(shè)備進行操作和監(jiān)控。

（2）遠程I/O電子間1：布置秸稈的處理、儲存和輸送設(shè)備的控制柜。

（3）遠程I/O電子間2：布置灰渣處理設(shè)備的控制柜。

三部分通過雙絞線和光纖，有機的結(jié)合在一起，在遠程電子間內(nèi)，可設(shè)置緊急操作臺，對相關(guān)設(shè)備進行緊急操作。電廠所有設(shè)備的操作和監(jiān)視，都可在主控制室內(nèi)完成。這種結(jié)構(gòu)，不僅能夠減少電纜附設(shè)，降低工程費用，而且能夠減人增效，并且維護方便。所以有山東魯能控制生產(chǎn)的LN2000分散控制系統(tǒng)很好的滿足了生物質(zhì)電廠的控制要求。

2 生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動化控制策略分析研究

根據(jù)近年來對龍江、臨沂、南宮、邳州等生物電廠自動化控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計和熱控系統(tǒng)的調(diào)試經(jīng)驗，對生物質(zhì)鍋爐部分的主要控制系統(tǒng)提出了以下設(shè)計方案。

2.1 給料控制

給料線一般設(shè)計由#1、#2、#3、#4 給料線給料機，共有四條給料線組成，每條給料線的負荷設(shè)定值有鍋爐負荷控制器的指令轉(zhuǎn)化計算得出，實際是控制每臺播料機轉(zhuǎn)速，一般情況下每條給料線負荷信號按照1：1。如果有給料線切手動后，為了彌補各條給料線的差值，全部給料線通過負荷反饋進行調(diào)整計算出新的負荷設(shè)定值。

爐排運行方式是周期性，整個周期包括由負荷決定的暫停時間和振動時間。當(dāng)主燃料穩(wěn)定燃燒時，由運行人員啟動振動周期。當(dāng)振動周期啟動后，再啟動灰渣系統(tǒng)。如果發(fā)生鍋爐主燃料跳閘，將自動停止?fàn)t排振動周期。當(dāng)濕式撈渣機停運超過半小時后，停運振動周期并發(fā)出報警。

在爐排振動時，攪動爐排上的燃料，爐膛內(nèi)燃燒加劇，鍋爐負荷隨即大幅提升。隨之導(dǎo)致過燃風(fēng)量不足，導(dǎo)致燃燒不充分而增加了一氧化碳的排放量和鍋爐負荷。所以要在振動前適當(dāng)減少一次風(fēng)量以及增加上二次風(fēng)量。總體保持爐膛內(nèi)總風(fēng)量不變，只是臨時地改變一二次風(fēng)量的分配比例。隨后漸漸地消除風(fēng)量分配的變化，最終達到在振動周期三分之二的暫停時間后，風(fēng)量分配返回到原來的正常值。振動周期的目的就是控制振動和使風(fēng)量分配的變化和爐排的實際運動步調(diào)一致，達到燃燒的穩(wěn)定性。

2.2 LBA裝置負荷控制

鍋爐負荷控制的運行模式是“蒸汽鍋爐控制（汽輪機跟隨）”。汽輪機跟隨是當(dāng)負荷指令改變時，鍋爐主控制器先發(fā)出改變?nèi)紵实闹噶?。待燃燒率的變化引起了蒸發(fā)量、蓄熱量及汽壓相繼變化后，汽輪機主控制器發(fā)出改變調(diào)門開度的指令，從而改變進入汽輪機的蒸汽流量，使機組輸出電功率相應(yīng)改變。最終，輸出電功率與負荷指令趨于一致；汽壓也恢復(fù)到給定值。汽輪機跟隨方式是由鍋爐調(diào)節(jié)機組輸出電功率、汽輪機調(diào)節(jié)汽壓的。當(dāng)負荷改變時，先由鍋爐側(cè)發(fā)出控制動作，待機前主氣壓改變后，再由汽輪機側(cè)發(fā)出控制動作，故稱汽輪機跟隨負荷控制方式。

根據(jù)播料機的實際運行臺數(shù)和鍋爐汽包的實際壓力計算出最大允許負荷的設(shè)定值。操作人員手動設(shè)置鍋爐負荷的設(shè)定值，在最大的允許變化速率值內(nèi)逐漸增加鍋爐負荷。其它控制器中最大值都依據(jù)鍋爐負荷的設(shè)定值。最重要的值如下：

●總風(fēng)量與需要的過量風(fēng)的比值；

●主要燃料的需要量；

●一二次風(fēng)分配的設(shè)定值。

2.3 爐膛的壓力控制

引風(fēng)控制為單回路控制系統(tǒng)，有三個爐膛壓力信號測點，取中間值。爐膛壓力設(shè)定值由運行人員在操作畫面上手動設(shè)置。endprint

根據(jù)鍋爐爐膛負壓的設(shè)定值與爐膛負壓實際壓力的偏差的調(diào)節(jié)輸出加上送風(fēng)機擋板開度的前饋信號控制引風(fēng)機入口導(dǎo)葉的開度。當(dāng)爐膛壓力偏差超限時對引風(fēng)機的指令輸出設(shè)置了方向閉鎖，當(dāng)爐膛壓力過高時，引風(fēng)機擋板指令閉鎖減；當(dāng)爐膛壓力過低時，引風(fēng)機擋板指令閉鎖增。

如果送風(fēng)機停運時，為了減少空氣漏入爐膛燃燒區(qū)中，爐膛壓力的設(shè)定值自動設(shè)置為最小負壓值。在發(fā)生鍋爐主燃料跳閘時，有助于縮短停止?fàn)t排燃燒的時間，保證鍋爐安全。

2.4 送風(fēng)控制

送風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計有氧量校正和風(fēng)量控制。系統(tǒng)根據(jù)負荷確定氧量定值，（運行人員可通過調(diào)節(jié)偏置進行手動干預(yù)）產(chǎn)生輸出指令對風(fēng)量指令進行校正；風(fēng)量控制系統(tǒng)由接負荷指令確定的風(fēng)量指令，通過改變送風(fēng)機動葉，調(diào)節(jié)爐膛的進風(fēng)量，使風(fēng)/燃料配比維持合適量。再有由低、中、高側(cè)爐排風(fēng)電動調(diào)節(jié)擋板來控制爐排風(fēng)量。

燃燒空氣壓力控制其設(shè)定值依據(jù)鍋爐負荷計算出合理的數(shù)值，由調(diào)節(jié)下部噴嘴的兩個擋板，調(diào)節(jié)爐膛前、后墻的下部噴嘴的二次風(fēng)擋板，控制燃燒空氣壓力。

上二次風(fēng)的壓力控制是由調(diào)節(jié)上部噴嘴的上燃風(fēng)入口電動調(diào)節(jié)擋板，將剩余的燃燒風(fēng)引到前、后墻的上部噴嘴中，保證上燃風(fēng)流量滿足爐膛燃燒。

如果發(fā)生鍋爐總?cè)剂咸l，燃燒空氣系統(tǒng)中二次風(fēng)的擋板全部打開，保持爐膛通風(fēng)，盡快吹走爐膛內(nèi)可燃氣體及防止回火進入給料系統(tǒng)，避免爐膛爆燃的發(fā)生。

2.5 過熱器的溫度控制

主蒸汽溫度控制系統(tǒng)與常規(guī)的火力發(fā)電廠不同，是由三級噴水減溫器及四級過熱器組成。三個過熱器的溫度控制設(shè)計為典型的雙回路控制器。反作用延時后停止，與過熱器實際過程響應(yīng)相類似，所以通過回路的積分器和微分回路來實現(xiàn)。

一級減溫控制器取#2過熱器出口溫度為調(diào)節(jié)量，設(shè)定值取二級減溫出口導(dǎo)前溫度。二級減溫控制器取#3過熱器出口溫度為調(diào)節(jié)量，設(shè)定值取三級減溫出口導(dǎo)前溫度。三級減溫控制器取最終的主蒸汽溫度調(diào)節(jié)量，設(shè)定值由運行人員手動設(shè)置。如此以來整個系統(tǒng)融合為一體，共同為最終控制主蒸汽溫度在合理的范圍內(nèi)服務(wù)，減小了延遲慣性，增強了溫度的穩(wěn)定性，提高了控制的效率，保證了主蒸汽的品質(zhì)。

2.6 鍋爐給水控制

電泵給水控制系統(tǒng)是在主給水電動門全開的情況下，由電泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽包水位，#1、#2電泵互為備用。根據(jù)負荷的變化，電泵控制有單/三沖量兩種控制方式，當(dāng)負荷大于30%時為三沖量，負荷小于30%為單沖量控制，單沖量控制只引入汽包水位作為被控對象，三沖量控制在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引入給水流量和主蒸汽流量作為被控量，參與汽包水位控制。兩種控制方式的切換由程序判斷自動切換，無需人為干預(yù)。

汽包水位測量采用汽包壓力進行全量程補償，計算后的水位經(jīng)三取中作為控制和顯示用，每個補償后的汽包水位進行報警判斷，分別送給FSSS、SCS作為汽包水位保護和聯(lián)鎖用；蒸汽流量、給水流量使用溫度補償。

3 結(jié)語

實踐證明，LN2000高可靠的硬件和靈活、強大的軟件功能為生物質(zhì)發(fā)電機組的控制和運行提供了可靠的保證，以上自動控制方案使生物質(zhì)能電廠的自動控制處于較高的水平，為生物質(zhì)發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行保駕護航。隨著石化能源日益緊缺的今天，這種既經(jīng)濟又保護環(huán)境的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用意義重大。

【參考文獻】

[1]李蓉.生物質(zhì)和煤混合燃燒試驗研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2009.

[2]翟永杰，王學(xué)后，等.火電廠分散控制原理及應(yīng)用.中國電力出版社，2010.7.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint