生物質能發電廠綜合自動控制技術探討

1、引言
改變能源結構，維護能源安全，發展可再生能源是當今世界各國的重要舉措。從上世紀70年代石油危機以來，生物質能開發利用開始受到各國關注[1]。中國擁有豐富的生物質能資源，據測算，中國理論生物質能資源約50億噸左右。目前主要開發利用的資源為水稻、玉米和小麥所產生的廢棄物——秸稈。國家發改委已經將生物質直燃發電列為可再生能源產業發展的重要方面[2]。隨著國家《可再生能源法》的頒布實施，生物質能發電必將迎來一個發展高峰。
區別于傳統火電廠綜合自動化控制系統，生物質能發電廠綜合自動化系統的工藝及設備具有其特殊性，包括堿金屬腐蝕、灰渣結焦、結渣、焦油等問題[3]；同時生物質燃料的熱值隨著濕度等特性的變化很不穩定，因此不能通過常規控制方法按負荷計算出應該投入的燃料量，而應該通過對風量的計算調節給料量，從而在本質上改變了常規燃煤電廠的控制方式；另外，生物質燃料的成分和煤粉存在極大差異，因而產生結焦、腐蝕的工藝參數及環境也與普通燃煤爐不同，對鍋爐及其輔助設備的工藝設計及自動化控制提出了不同要求；生物質能電廠上料系統由于燃料的運輸、儲運、切割等工藝存在很多問題，因而導致了上料系統粉塵含量高，存在極大的安全隱患；并且現有上料系統經常出現結團堵塞，不能保證鍋爐連續穩定運行。生物質能發電設備及綜合自動化控制的國產化及以上存在的問題都是今后生物質能發電事業所面臨的亟待解決的問題。

2、生物質發電綜合自動化控制系統結構
當前生物質發電使用的關鍵一次設備基本上都實現了國產化，以單縣項目為例，上料系統已經實現了全部的國產化，電站鍋爐以丹麥BWE鍋爐技術為基礎，采用的是130t/h、振動爐排、四回程（M型煙氣回路）、自然循環的國產汽包鍋爐。汽輪機和發電機等設備與常規小型電廠基本類似，其控制方式也基本類似。
根據秸桿發電項目的特點并結合我國自動化控制的發展趨勢，自動化控制系統可以采用分級遞接控制。整個系統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的各類信息，并將運行人員的指令下發到相應的中間層控制器，是整個系統的人機接口。操作人員通過顯示畫面，可以實時直觀的掌握整個系統的運行情況。從安全性角度考慮，站控層可以采用雙機雙網結構，通訊采用100M高速以太網，兩臺服務器互為熱備用，提高整個系統的實時性、可靠性。
2.2 中間層
中間層是整個自動化控制系統的橋梁，負責收集間隔層傳輸的各類信息，運行相應的控制邏輯，同時將各類信息傳輸到站控層，并且負責接收站控層的各項指令，觸發相應的邏輯流程。中間層也可以采用雙機雙網結構，通訊采用10M/100M自適應以太網，兩臺前置控制器互為熱備用，能夠保證系統可利用率不低于99.9%。
2.3 間隔層
間隔層主要負責實時采集現場設備的信息，并將采集到的信息傳送到中間層，是整個自動化控制系統的基礎。間隔層可以根據現場一次設備的安裝配置情況，采用不同的網絡配置，較常見的有以太網、CAN總線、遠程I/O等配置方式。該層可以采用安全性較高的PLC或PCC進行配置，使整個系統具有較高的可靠性。

3.生物質能發電綜合自動化控制策略研究
生物質能電廠對中國來說是一個全新的事物。生物質能電廠與常規火力發電廠最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質燃料的水分含量較高且不穩定，其熱值不固定，進而導致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發電機、電氣和輔助車間等系統的控制方式與相同規模的常規電廠并沒有太大的不同。根據對國內外生物電廠自動化控制系統的考察和研究，對生物質能電廠鍋爐的主要控制做簡要的分析討論。
3.1負荷控制
生物質能電廠負荷控制思路與常規電廠有本質的區別。機組控制采用機跟爐的調節方式，鍋爐調負荷，汽機隨鍋爐負荷的變化而保持進汽的壓力基本保持不變。由于生物質燃料的熱值不固定，根據鍋爐負荷不能直接確定給料量，但是可以確定給風量，再根據鍋爐的實際蒸發量、尾部煙道氧量通過負荷控制器的運算來調整給風量和給料量，最終實現鍋爐側對負荷的調節。
依據這種控制方式，可以解決以生物質這類熱值不固定的燃料為原料的鍋爐負荷精確、自動控制問題。
3.2鍋爐風量控制
鍋爐的風量由負荷直接確定，進而決定了送風機擋板的開度和送風機的轉速，通過對總風量的監測來實現鍋爐風量的閉環控制。風經過合理的分配，形成了爐排風、前后墻下二次風、前后墻上二次風和播料風，每路風都由各自的流量或壓力來進行自動控制。
3.3鍋爐給料控制
鍋爐的給料系統分為兩條給料線，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，生物質燃料最終由轉速可調的螺旋給料機送入爐膛。
給料系統進行了裕量設計，每臺給料機的負荷達到80％左右，就能滿足鍋爐滿負荷運行。鍋爐的負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整每臺給料機的出力。當負荷發生變化，控制系統會自動的將每臺給料機的負荷進行調整，將負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，控制系統能夠快速、自動的將故障給料機的負荷平均分配到其它運行的給料機上去，繼續保持鍋爐負荷的基本穩定，保證電廠的安全穩定運行。
取料機、輸料機和配料機的轉速與給料機的轉速成比例關系，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速有修正作用。給料系統控制原理如圖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控制。運行調試人員設定爐膛壓力，根據壓力的設定點與爐膛壓力反饋調節引風機入口擋板開度和引風機轉速。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定在設定溫度。每個過熱器的溫度控制器都設計為典型的雙回路控制器。過熱器進口溫度的響應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相類似。這可以通過回路的積分器和Pt1過濾器來實現。主蒸汽溫度控制原理如圖4所示。與常規電廠每級過熱器出口人為設置溫度設定點不同，此系統只設置第四級過熱器出口的溫度設定點，前兩級過熱器出口的溫度設定點取后一級減溫器入口的溫度。這樣整個系統整合為一個整體，為控制主蒸汽溫度服務，縮短了控制時間，增強了溫度的穩定性，提高了控制的效率，提高了主蒸汽的品質。

3.6給水控制
鍋爐給水系統主要由汽包、給水調節閥和兩個給水泵組成。兩給水泵為轉速可調泵，一用一備。汽包液位決定了給水泵的轉速，而主蒸汽流量和給水流量也是影響給水泵轉速重要因素。通過給水調節閥的節流實現對給水壓力的短時間小幅調節。一般情況下，給水閥是全開的，只有當鍋爐啟動時或者減溫水壓力不足時，才會令給水閥節流以提高給水壓力。鍋爐的給水控制原理如圖5所示。

3.7空氣預熱器控制
與常規電廠不同，系統布置了一組高壓空預器、高壓煙氣冷卻器和一組低壓空預器、低壓煙氣冷卻器。系統以水為介質，將煙氣的熱量傳遞給將要進入爐膛的空氣。系統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，出現低溫結露，腐蝕空預器管材。
3.8燃料儲存和輸送系統控制
生物質發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主要由以下部分構成：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）。燃料儲存和輸送系統如圖6所示。系統在正常運行時，順料流啟動，逆料流停止；在故障條件下，逆料流保護跳閘。斗提和直線螺旋輸料機的轉速由鍋爐給料機的轉速確定,同時把爐前料倉高度作為輔助調整參數,使燃料在滿足鍋爐負荷的前提下均勻的傳輸。

4.控制難點與改進方案的探討
實踐證明，以上控制策略能夠實現生物質能電廠的自動化控制，保證電廠的安全穩定運行。但是在調試和運行中，還是暴露了控制系統存在的若干問題。
4.1粉塵控制與防火防爆
目前生物質電廠的燃料儲運是在常壓下進行的，由于生物質燃料自身的特點，在其粉碎過程中或者在運輸過程中出現落差的情況下，會產生大量的粉塵，導致了上料系統合鍋爐給料系統的粉塵含量高，粉塵濃度甚至進入爆炸極限范圍，存在極大的安全隱患。
針對這種情況，需要我們根據國內燃料供應情況，在燃料粉碎、運輸及上料環節上對生產工藝做相應修改，如采用封閉式負壓儲運；在落差較大的位置設置除塵裝置；增設粉塵濃度傳感器對粉塵進行實時監測；保持料倉的通風性良好，監測并控制料倉的溫度、濕度。
4.2燃料輸送系統的簡化
目前燃料輸送系統和鍋爐給料系統環節較多，工藝復雜，螺旋和斗式提升機經常堵塞的現象。燃料輸送系統故障會導致爐前料倉斷料，不能滿足鍋爐負荷下的燃料供應。
為了避免這種現象發生，可以考慮改進現有的給料工藝，減少給料環節，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。同時嚴格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結團、纏繞，并改進自動化控制手段，保證輸料系統連續穩定運行。
4.3結焦和腐蝕
生物質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，這些成分導致其灰熔點較煤粉的灰熔點低，容易產生沾污結焦和腐蝕。因而生物質鍋爐產生結焦、腐蝕的工況參數與普通燃煤爐不同，應該根據燃料性質及燃燒特性的不同，對鍋爐及其輔助設備的工藝設計提出不同要求，并改進相關自動化控制使工藝運行環境符合現有設備要求。

5.結語
生物質發電，作為清潔的可再生能源，對改善我國能源結構，減少我國對化石燃料的依賴，進而減少我國CO2和SO2等污染物的排放，最終緩解能源消耗給環境造成的壓力有重要的意義[4]。實現生物質能發電設備及其綜合自動化控制的國產化，開展核心設備的研發，開發完整的生物質發電成套技術和裝備，最終形成具有我國自主知識產權的生物質能發電技術，具有廣泛的發展前景！