生物質電站生產監控系統與優化

李傳慶 胡善云 馬玉敏

(國核電力規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境保護兩大核心問題［1］。大力發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，國內已有多家企業集團投資建設了多個生物質發電項目。相對于常規的燃煤機組，生物質發電站具有燃料可再生、區域性收集運輸成本低、對環境污染小、項目投資少、建設周期快等一系列優點。目前，生物質能已經成為我國分布式能源發電的一個重要組成部分［2-4］。

生物質電站生產監控系統在整個設計流程、設計程序和設計管理方面與傳統火電站基本沒有區別［5］，但在生產監控網絡規劃與配置、儀控設備布置、技術接口實施以及監控系統所執行的一些具體功能方面，其與傳統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月正式并網發電。

1.1 主機設備及參數

主機設備主要包括秸桿鍋爐、汽輪機和發電機，具體介紹如下。

①秸稈鍋爐，采用龍基生物發電工程有限公司產品，型式為高溫、高壓參數自然循環爐，單鍋筒、單爐膛、平衡通風、室外布置、固態排渣、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品，型式為高溫高壓、單缸、單軸、凝汽式汽輪機。

③發電機，采用濟南發電設備廠產品，額定功率為30 MW，額定轉速為3000 r/min，無刷勵磁系統。

1.2 主要工藝系統及特點

依托項目的主要工藝系統及特點介紹如下。

①給水系統設置兩臺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送風系統由一臺為100%容量的送風機和空預器組成，引風系統由一臺為100%容量引風機將煙氣吸入布袋除塵器凈化，經煙囪排向大氣。

④化學除鹽水經鍋爐補入凝汽器，可自動調節適應不同工況、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循環冷卻水系統是具有冷水塔的二次循環水系統，設有兩臺50%容量的循環水泵，用于向凝汽器、冷油器、發電機空冷器等設備提供循環冷卻水。

⑥燃料經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 廠區物項關系

廠區主要物項以及物項之間的關系流程圖如圖1所示。

圖1 廠區物項關系圖Fig.1 Relationships among plant items

3 主要子系統與劃分

全廠工藝系統由鍋爐側系統、汽輪機側系統、輔助系統等組成。

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

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

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

4 控制方式與網絡結構

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機組的啟停、運行工況監視和調整以及事故處理等。機組采用一套分散控制系統(distributed control system，DCS)實現全廠主要工藝系統及設備的參數檢測、報警、控制、聯鎖、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，完成對機組的監視、調整與控制。當DCS發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獨立于DCS的硬接線手操設備，實現機組的緊急安全停機?；瘜W除鹽水處理系統納入DCS，在輔助車間內設置一臺DCS操作員站，用于系統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一的監控。

4.2 監控網絡結構及特點

生物質發電生產監控網絡基于上述廠區物項和工藝子系統進行劃分，按照“工藝相關、區域相近”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。生產監控網絡結構圖如圖2所示。

圖2 生產監控網絡結構圖Fig.2 Structure of the production monitoring and control network

整個生產監控網絡構成具有以下特點。

①全廠設置一套DCS系統，完成全廠系統監視與控制功能，不再單獨設置輔網程控系統。對于化水制氯系統以及除塵系統隨主設備廠家配套PLC系統，通過RS-485通信方式接入DCS系統，進行統一監控。

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

③汽機數字電液控制系統(DEH)、汽機本體監測儀表系統(TSI)、汽機緊急跳閘系統(ETS)均隨主機設備成套供貨。上述系統與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

考慮到工程廠區面積較小，主廠房區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，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℃。現場經驗反饋認為，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域的溫度存在較大偏差。從經濟性比較來看，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勢也并不明顯。

6.2 爐前料倉料位監視問題

燃料經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生堵塞現象，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視參數，但截止目前一直缺乏有效的監視手段。

在實際運行中，常規的在料倉設置料位開關的效果并不理想，經常會發生誤報和漏報情況，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閥狀態。

目前，采用通過硬手操按鈕打開緊急疏水閥，同時通過DCS聯鎖強制電動疏水調節閥至全開位。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閥。

6.4 機組協調及相關問題

生物質發電機組容量較小，機組均不參與區域電網的調度，其根據機組實際能力發電。機組協調控制系統運行在機-跟-爐模式或機-爐均為手動模式，導致機組協調控制系統無法投入自動運行的原因在于燃燒控制系統與蒸汽溫度控制系統的自動投入率低。然而，關鍵控制回路自動投入率低與工藝系統特點及相關參數的測量密切相關。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，由于產生的熱量的波動會影響蒸汽溫度調節回路，而這種熱量波動沒有有效的測量手段和對蒸汽溫度調節回路進行有效補償的策略，導致蒸汽溫度控制無法投入自動。

綜上所述，一次參數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

生物質發電機組在跳閘保護系統的設計上存在與現有火電機組相關跳閘保護規范要求的不同之處，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生)，其他保護項目爐、機之間沒有聯鎖關系，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程移植到生物質發電機組是不合適的，建議結合生物質電站工藝自身特點，制定本行業相關約束性和指導性規程規范。

7 未來展望

通過分析常規火電站的生產監控系統可知，無論從監控系統設計還是從技術研發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區域應用現場總線技術，實現現場智能設備在控制室的集中管控。此類電站的輔助系統非常簡單、輔助系統規模較小、區域分布較為集中、與機組運行非直接相關，且現場大量儀表已經采用智能化儀表設備，具備了使用現場總線的技術前提條件。

現場總線技術應用將是實現全數字化生產監控系統的一項重要標志。

②熱工自動化水平有待進一步提升?，F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，主要表現為:一方面，部分一次參數無法測量或無法準確測量，以至于一些重要的模擬量調節回路自動投入率低，如燃燒控制系統、蒸汽溫度控制系統等;另一方面，控制系統的功能不完善以及功能與工藝系統的特性不匹配等。

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

③機組的控制優化尤其是鍋爐燃燒控制優化存在著較大的潛力，同時難度也非常大?？刂苾灮且蕴岣邫C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，建立系統的數學模型，采用先進控制、智能控制方法完成單一目標或多目標優化過程。

機組的控制優化是一個系統工程［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，無論多么優秀的控制優化方案都難以在實際工程中實施，只能是“紙上談兵”，即只限于控制優化的理論階段。

④充分發揮信息管理系統［11］(management information system，MIS)平臺對全廠綜合性信息管理的優勢，結合生物質發電自身特點，開發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電項目，MIS在不同廠址間的生產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實意義，有助于完成對不同廠址的各項指標的統計、分析、決策以及資源的節約與優化配置。

8 結束語

生物發電生產監控系統通過近一年時間的運行表明［6-11］:生產監控系統覆蓋范圍廣、系統配置合理、關鍵參數可測、安全保護系統運行有效，基本滿足了運行人員對生產監控系統的一般性要求。同時，系統在運行期間也暴露了一些技術性問題?？偟膩碚f，生物發電生產監控系統的熱工自動化水平有待進一步提高，整個系統的優化控制以及信息化功能的深入開發存在著巨大潛力。

［1］蔣大龍.對發展中國生物發電產業的幾點思考［J］.宏觀經濟研究，2008(3):40-42.

［2］高永芬，候振，胡訓棟.單縣龍基生物發電工程秸桿電廠設計研究［J］.山東電力技術，2007(1):26-29.

［3］譚宗云，趙朝華.生物質能分布式發電技術及意義［J］.中國電力教育，2006，161(10):265-266.

［4］胡越.生物質能秸稈發電_可再生能源的開發與利用［J］.科技傳播，2010(12):198.

［5］黃宗漢.生物質發電廠的設計優化［J］.水電與新能源，2010，88(2):69-71.

［6］蓋東飛，傅鈞.300MW生物質發電機組控制系統設計特點［J］.水利電力機械，2006，28(12):97-99.

［7］張民，袁潔.國能威縣生物發電公司鍋爐整套啟動調試［J］.科技信息，2009(7):705-706.

［8］章素華.自主創新熱工自動化技術的思考［J］.中國電力企業管理:信息化版，2009(6):26-30.

［9］花進.火電廠優化控制平臺及其應用［J］.電力設備，2010(4):301-305.

［10］倪平，閆鳳奎，石振勤.燃燒控制優化與節能［J］.中國高新技術企業，2010(16):61-62.

［11］馬輝，劉寶奎，劉潮.分布互聯-集散式企業MIS系統的探索與實踐［J］.高電壓技術，2001(27):22-25.