淺析生物質直燃鍋爐運行機理與控制策略

胡濤+王宏宇

摘要：隨著我國對能源需求量的不斷增長，石化能源消耗量與日俱增，使得近年來能源、電力供求趨緊，開發(fā)與綜合利用生物質能等可再生能源顯得尤為重要。我國生物質直燃鍋爐投運時間不長，在運行控制方面還需要不斷完善和發(fā)展。本文簡單分析了生物質燃料特點及生物質直燃鍋爐運行機理，并探討了相關的運行控制策略。

關鍵詞：生物質；鍋爐；運行機理；控制策略、

引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的資源和能源危機也在加劇，基于可再生能源的發(fā)展系統(tǒng)得到電力行業(yè)的開發(fā)和應用，大量的新能源發(fā)電系統(tǒng)得到開發(fā)，例如光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)。生物質燃料也是一種重要的可再生能源，生物質能發(fā)電在可再生能源發(fā)電中能質較好，比風電和太陽能發(fā)電等發(fā)電更加可靠，因此，當前大力發(fā)展生物質發(fā)電具有重大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。我國生物質電廠所采用的秸稈等生物質直燃發(fā)電技術絕大多數(shù)都是引進國外的技術，由于燃料特性的差別、鍋爐適應性、燃料運行管理等問題，在生物質直燃鍋爐運行過程中存在著一系列安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟性問題，因此，如何做好生物質直燃鍋爐運行控制成為一種重要的研究課題。

1生物質直燃鍋爐運行機理

1.1生物質燃料特點

生物質燃料主要特點為：第一，資源分布范圍廣而分散，且?guī)в忻黠@的季節(jié)性，常見的生物質燃料是農(nóng)作物的秸稈和林木砍伐加工過程中被拋棄的枝、桿、根、葉、皮和木屑等；第二，燃料種類多，性質差異大，目前我國生物質發(fā)電普遍考慮使用多種燃料，經(jīng)常出現(xiàn)同時使用以農(nóng)作物秸稈為代表的黃色秸稈和林木枝桿為代表的灰色秸稈的情況，還可能混入稻殼、甘蔗渣等，在密度、水分、發(fā)熱量、成分、灰熔點等性能方面存在差異；第三，燃料具有低灰分、低含硫量等特點，與煤炭相比，生物質燃料的灰分和硫含量非常低，因此，于煙塵和SO2排放量??；第三，燃料中堿金屬及氯的含量又比較高，導致燃燒時產(chǎn)生的煙氣有很強的腐蝕性。與此同時，生物質燃燒產(chǎn)生的灰分熔點也比較低，經(jīng)常發(fā)生結焦的現(xiàn)象，因此在高溫受熱段，必須采取一定措施來防腐蝕、防結焦。

1.2鍋爐運行機理

秸稈直接燃燒發(fā)電是目前生物質能發(fā)電的主要利用行式，其工藝流程是：生物質燃料經(jīng)收購運送至電廠，經(jīng)上料系統(tǒng)送入鍋爐內進行燃燒。與一般電廠發(fā)電原理相同，燃燒后的殘渣經(jīng)過處理形成草木灰，返還農(nóng)田。生物質燃料鍋爐的運行過程圖圖1所示，需要將生物質燃料經(jīng)螺旋給料機與播料風混合后推送入鍋爐的燃燒室，在爐膛中分層燃燒；之后由給水泵加壓后的除氧水加熱，使之成為飽和的蒸汽；然后經(jīng)過熱器變成額定要求的高溫高壓的蒸汽，再匯集到蒸汽母管，推動汽輪機做功，在汽輪機內做完一部分功的蒸汽被抽出，送往工廠各生產(chǎn)熱力車間。燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過省煤器、空氣預熱器后，經(jīng)煙囪排向大氣。

2生物質直燃鍋爐運行控制策略

2.1過熱汽溫度控制

根據(jù)運行中的經(jīng)驗，鍋爐負荷的變化是造成主汽溫度波動的主要原因，而鍋爐負荷的變化又很快通過主蒸汽壓力的變化反映出來。主蒸汽壓力下降，一般是負荷增加，即使鍋爐燃燒及時調整，主蒸汽溫度暫時還會有所下降，所以應及時減少減溫水；反之，主蒸汽壓力上升，應增加減溫水。所以，在普通的串級PID系統(tǒng)中引入主蒸汽壓力設定值減去測量值作為前饋信號，PID串級控制由主、副兩個控制回路組成。副控制回路中的調節(jié)器根據(jù)導前汽溫的變化改變減溫水量，消除減溫系統(tǒng)的內部擾動，對主汽溫度進行粗調。當主汽溫度偏離給定值時，主調節(jié)器輸出校正信號，不斷調節(jié)減溫水量，直到主汽溫度恢復到給定值，對主汽溫度起細調作用。

2.2給水控制策略

給水控制的任務是使給水量適應于鍋爐的蒸發(fā)量，并維持鍋筒水位在規(guī)定的范圍內?？刂破皇峭ㄟ^控制電動給水泵轉速和給水調整門開度來實現(xiàn)的，并在起動階段和正常運行時采用不同的控制策略。在機組起動階段過程中或負荷低于25%運行時，電動給水泵定速運行，通過電動給水調節(jié)閥節(jié)流來控制水位，噴水減溫閥開度經(jīng)過其控制回路與給水泵出口壓力測量值求偏差作為壓力調節(jié)器的輸入。在機組負荷大于25%時，控制系統(tǒng)切至三沖量控制回路。此時，給水調整閥全開，通過控制給水泵轉速來控制給水流量。汽包水位測量信號經(jīng)過汽包壓力校正，給水流量信號經(jīng)過給水溫度校正，蒸汽流量經(jīng)過熱蒸汽壓力溫度校正。

2.3生物質燃料量控制

鍋爐生物質燃料量的控制實際上就是控制給料機的給料頻率，當負荷改變時，相應改變給料機的頻率，從而調節(jié)其送入爐膛內的燃料量。在燃料控制系統(tǒng)中由負荷指令設定和氧量控制信號來確定給料負荷指令，由給料負荷指令和給料機系數(shù)經(jīng)函數(shù)運算輸出給料設定值；給料設定值分別作用于每條給料線，控制給料機指令。其中，氧量校正信號的確定與負荷有關，由負荷指令設定的氧量設定值和省煤器入口氧量的偏差，經(jīng)PID控制器調節(jié)。控制方案加入氧量校正信號是為保證燃燒時有一定的過量空氣量，負荷增加時，先增加燃燒空氣再增加燃料量，負荷減少時，先減少燃料再減少入爐的空氣量。另外，由于給料設定值是平均分配到每條給料線的每臺給料機上的，給料機出力均衡，因此，在控制方案中設計給料機系數(shù)這一指令，若個別給料機或某條給料線故障，其余的給料機則要平均承擔故障部分的給料量，保持給料穩(wěn)定。

2.4爐膛負壓的控制

爐膛負壓控制的目的是保證燃燒的經(jīng)濟性和工人的安全。爐膛負壓過大，爐火將從觀察孔冒出，同時造成環(huán)境污染；爐膛負壓過小則會引起漏風量增大，增加引風機的負荷，同時把煙道熱量帶走，不利于節(jié)能。爐膛負壓反映了引風量與送風量之間的平衡關系，鍋爐煙道對象慣性很小，調節(jié)通道和擾動通道的特性都可近似地認為是一個比例環(huán)節(jié)，所以爐膛負壓控制采用具有送風量動態(tài)前饋信號的前饋—反饋控制系統(tǒng)，通過調節(jié)引風機速度完成的。即用鼓風變頻信號作為前饋信號，經(jīng)動態(tài)補償器運算后與PID調節(jié)器輸出的矯正信號相加作為引風機的控制信號，以保證調節(jié)送風量時同步調節(jié)引風量，減少調節(jié)過程中爐膛負壓的波動，保證爐膛壓力平衡。例如，稻殼等生物質燃料難燃盡，要保證稻殼在爐膛內燃盡，應盡量延長其在爐膛內的停留時間，合理調節(jié)鼓、引風機的風量。鼓、引風量的大小以稻殼在爐排上呈半懸浮狀態(tài)為宜，太大的風量會使未燃盡甚至未燃燒的稻殼直接飛出爐膛，反之太小的風量會影響稻殼的懸浮，從而使稻殼的底層無法燃燒，影響鍋爐效率。

結束語

總而言之，生物質直燃鍋爐運行系統(tǒng)十分復雜，為充分發(fā)揮生物質燃料直燃發(fā)電技術的優(yōu)勢，相關單位和技術人員需要在全面掌握鍋爐燃燒運行原理的基礎上，從各個環(huán)節(jié)加強生物質燃燒控制，進而提升可再生能源的利用效率，為我國新能源發(fā)電事業(yè)的發(fā)展奠定良好的基礎。

參考文獻

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