DCS在生物質發電廠自動控制的應用

焦平義+陳少波

【摘 要】介紹生物質發電廠DCS控制系統結構配置方案，分析生物質發電廠自動控制方案，針對生物質發電廠控制難點提出了解決方案。

【關鍵詞】生物質；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業大國，各類農作物每年產生秸稈、玉米芯、花生殼、稻殼、和棉籽殼資源非常豐富，另外還有我國現有森林面積相對比較大，林業產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，相當于2.5億噸標準煤。生物質發電正是以農業和林業等廢棄物為燃料，采取直接燃燒發電，生物質能源代替不可再生石化能源，是有效方法之一。

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

1 LN2000DCS在生物質發電廠應用中的配置

LN2000的冗余現場總線結構特別適用于地理位置分散的環境。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的任意地方，而其控制站則可集中布置。這些正適合生物質電廠的需求。LN2000 DCS近年來已經在龍江、臨沂、南宮、邳州等十余臺生物質發電廠中投入運行，效果良好。LN2000在生物質電廠的通常配置如圖1所示。

它由三部分構成：

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

（2）遠程I/O電子間1：布置秸稈的處理、儲存和輸送設備的控制柜。

（3）遠程I/O電子間2：布置灰渣處理設備的控制柜。

三部分通過雙絞線和光纖，有機的結合在一起，在遠程電子間內，可設置緊急操作臺，對相關設備進行緊急操作。電廠所有設備的操作和監視，都可在主控制室內完成。這種結構，不僅能夠減少電纜附設，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的LN2000分散控制系統很好的滿足了生物質電廠的控制要求。

2 生物質能發電綜合自動化控制策略分析研究

根據近年來對龍江、臨沂、南宮、邳州等生物電廠自動化控制系統的組態設計和熱控系統的調試經驗，對生物質鍋爐部分的主要控制系統提出了以下設計方案。

2.1 給料控制

給料線一般設計由#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定值有鍋爐負荷控制器的指令轉化計算得出，實際是控制每臺播料機轉速，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整計算出新的負荷設定值。

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。當主燃料穩定燃燒時，由運行人員啟動振動周期。當振動周期啟動后，再啟動灰渣系統。如果發生鍋爐主燃料跳閘，將自動停止爐排振動周期。當濕式撈渣機停運超過半小時后，停運振動周期并發出報警。

在爐排振動時，攪動爐排上的燃料，爐膛內燃燒加劇，鍋爐負荷隨即大幅提升。隨之導致過燃風量不足，導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減少一次風量以及增加上二次風量。總體保持爐膛內總風量不變，只是臨時地改變一二次風量的分配比例。隨后漸漸地消除風量分配的變化，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量分配的變化和爐排的實際運動步調一致，達到燃燒的穩定性。

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）”。汽輪機跟隨是當負荷指令改變時，鍋爐主控制器先發出改變燃燒率的指令。待燃燒率的變化引起了蒸發量、蓄熱量及汽壓相繼變化后，汽輪機主控制器發出改變調門開度的指令，從而改變進入汽輪機的蒸汽流量，使機組輸出電功率相應改變。最終，輸出電功率與負荷指令趨于一致；汽壓也恢復到給定值。汽輪機跟隨方式是由鍋爐調節機組輸出電功率、汽輪機調節汽壓的。當負荷改變時，先由鍋爐側發出控制動作，待機前主氣壓改變后，再由汽輪機側發出控制動作，故稱汽輪機跟隨負荷控制方式。

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

●總風量與需要的過量風的比值；

●主要燃料的需要量；

●一二次風分配的設定值。

2.3 爐膛的壓力控制

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

根據鍋爐爐膛負壓的設定值與爐膛負壓實際壓力的偏差的調節輸出加上送風機擋板開度的前饋信號控制引風機入口導葉的開度。當爐膛壓力偏差超限時對引風機的指令輸出設置了方向閉鎖，當爐膛壓力過高時，引風機擋板指令閉鎖減；當爐膛壓力過低時，引風機擋板指令閉鎖增。

如果送風機停運時，為了減少空氣漏入爐膛燃燒區中，爐膛壓力的設定值自動設置為最小負壓值。在發生鍋爐主燃料跳閘時，有助于縮短停止爐排燃燒的時間，保證鍋爐安全。

2.4 送風控制

送風控制系統設計有氧量校正和風量控制。系統根據負荷確定氧量定值，（運行人員可通過調節偏置進行手動干預）產生輸出指令對風量指令進行校正；風量控制系統由接負荷指令確定的風量指令，通過改變送風機動葉，調節爐膛的進風量，使風/燃料配比維持合適量。再有由低、中、高側爐排風電動調節擋板來控制爐排風量。

燃燒空氣壓力控制其設定值依據鍋爐負荷計算出合理的數值，由調節下部噴嘴的兩個擋板，調節爐膛前、后墻的下部噴嘴的二次風擋板，控制燃燒空氣壓力。

上二次風的壓力控制是由調節上部噴嘴的上燃風入口電動調節擋板，將剩余的燃燒風引到前、后墻的上部噴嘴中，保證上燃風流量滿足爐膛燃燒。

如果發生鍋爐總燃料跳閘，燃燒空氣系統中二次風的擋板全部打開，保持爐膛通風，盡快吹走爐膛內可燃氣體及防止回火進入給料系統，避免爐膛爆燃的發生。

2.5 過熱器的溫度控制

主蒸汽溫度控制系統與常規的火力發電廠不同，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相類似，所以通過回路的積分器和微分回路來實現。

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

2.6 鍋爐給水控制

電泵給水控制系統是在主給水電動門全開的情況下，由電泵轉速調節汽包水位，#1、#2電泵互為備用。根據負荷的變化，電泵控制有單/三沖量兩種控制方式，當負荷大于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。

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鎖用；蒸汽流量、給水流量使用溫度補償。

3 結語

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發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能電廠的自動控制處于較高的水平，為生物質發電廠的安全穩定運行保駕護航。隨著石化能源日益緊缺的今天，這種既經濟又保護環境的生物質發電技術的應用意義重大。

【參考文獻】

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

[2]翟永杰，王學后，等.火電廠分散控制原理及應用.中國電力出版社，2010.7.

[責任編輯：朱麗娜]endprint