生物質秸稈發電鍋爐燃燒自動調整控制

鄭興雁，郝 政

（潤和新能源科技（東平）股份有限公司，山東 泰安 271000）

0 引 言

潤和新能源東平30 MW生物質熱電聯產項目，2020年12月投產發電，采用130T高溫超高壓生物質鍋爐及30 MW高溫超高壓、一次中間再熱汽輪發電機組，年發電能力為2.4×108kW·h，年可處理農林廢棄物3.5×105t。燃料以樹皮、玉米秸稈以及小麥秸稈為主，蘆葦和其他農林廢棄物燃料為輔，能夠吸收周遍區域的秸稈廢料，變廢為寶，具有節能減排、保護環境、促進當地經濟可持續發展等優點。

1 存在問題

潤和新能源東平30 MW生物質熱電聯產項目自生物質鍋爐投資建設并投產運營以來，人工控制鍋爐燃燒效率較低，雖然經過多次輸給料系統改造及運行方式調整，但無法達到預期效果。歸納起來，生物質鍋爐燃燒系統存在問題主要表現在以下幾個方面。

一是生物質燃料品種多樣化且燃料不易摻配均勻，造成進入鍋爐燃燒的燃料熱值不穩定、易蓬料堵料。二是由于生物質鍋爐輸給料及燃燒系統運行不穩定，需配備多名鍋爐及輸給料系統運行人員進行監護與操作，且鍋爐運行人員操作量大，注意力需高度集中，造成運行人員疲勞，易導致調整滯后不精細及誤操作的發生。三是人工調整給料、給風滯后且不精細，造成鍋爐低氧燃燒、燃料燃燒不充分、煙氣CO含量高、燃料消耗量大以及鍋爐效率低等問題。四是因鍋爐低氧燃燒、CO含量高，麥糠和鋸末等生物質碎料進入鍋爐易爆燃，導致鍋爐正壓大，具有很大的安全隱患。五是人工調整脫硝系統設備滯后，造成煙氣NOx排放不穩定且氨水消耗量大，不環保也不經濟[1]。

2 解決方案

針對生物質鍋爐燃燒調整存在的問題，經綜合分析輸給料系統運行工況、鍋爐燃燒工況、鍋爐給水系統工況、脫硝系統運行工況、節能降耗、環境保護要求以及人員勞動強度等因素，特提出利用DCS系統對生物質鍋爐燃燒運行調整進行自動化控制改造，利用現代化儀表檢測數據及鍋爐運行數據分析研究，確定以下自動化控制策略[2]。

一是輸給料系統聯動控制，保證輸給料系統穩定性，減少運行人員操作量。爐前給料系統一二級給料頻率聯動同步操作，兩級給料頻率呈相應線性關系同增同減。二是提高鍋爐燃燒氧量，以氧控料，二次風輔助調氧。首先，以鍋爐氧量為目標值，劃分不同氧量區間，根據氧量數值及變化速率自動控制給料系統頻率增減幅度及速率。為保證發電負荷的穩定，設定主汽壓力限值，根據主汽壓力限值區間進行給料系統頻率的迫升迫降及增減速率的閉鎖限制[3]。其次，以鍋爐氧量為目標值，以主汽壓力PID作為前饋，PID串級自動調節二次風機頻率，并設定主汽壓力限值，根據主汽壓力限值區間進行二次風機頻率的迫升迫降。最后，根據料種的變化，通過試驗及運行工況數據分析，設置多種給料系統頻率增減速率及限幅區間的自動模式，運行人員可通過對燃料品質的判斷選擇不同模式進行鍋爐燃燒的自動給料控制。三是對鍋爐負壓進行自動控制，防止生物質碎料爆燃引起安全事故。以鍋爐爐膛下部壓力為目標值，以一、二次風機頻率乘相應比例系數為前饋，PID自動調節引風機頻率。通過分析鍋爐爐膛下部壓力變化速率及限值的數據曲線，增加鍋爐正壓保護邏輯，當鍋爐爐膛下部壓力達到設定限值，聯鎖迫升引風機頻率及閉鎖限制二次風機頻率。四是鍋爐燃燒自動投入后鍋爐氧量提高，煙氣NOx升高，為保證煙氣排放合格與脫硝系統運行的穩定性和經濟性，對脫硝系統進行自動化控制。以氨水泵出口母管壓力為目標值，PID自動調節氨水泵頻率，穩定氨水母管壓力。以煙氣在線監測NOx測量值為目標，以鍋爐氧量及床溫為前饋，自動調節氨水調節閥開度。

3 組態邏輯實施

基于DCS控制系統，通過CCM Studio控制器邏輯組態軟件，利用控制器算法功能模塊對生物質鍋爐燃燒自動控制調整進行運行數據采集、計算、處理及組態控制邏輯編程，作為燃燒自動控制的核心策略[4]。生物質鍋爐燃料自動邏輯組態如圖1所示。

圖1 生物質鍋爐燃料自動邏輯組態

通過GraphMake畫面組態軟件，利用軟件圖元及各預制畫面模板，對生物質鍋爐燃燒自動控制畫面進行制作與優化，為運行操作人員提供運行參數監視、重要參數報警、運行狀況分析及設備操作的有效途徑[5]。生物質鍋爐燃料自動畫面組態如圖2所示。

圖2 生物質鍋爐燃料自動畫面組態

4 改進后的效果

潤和新能源科技（東平）股份有限公司對生物質鍋爐燃燒運行進行了DCS系統自動化改造，經過一個月的試驗調整及實踐運行，自動投入的可靠性及效果得到了檢驗，收到了顯著的環保節能效果和經濟效益。

鍋爐燃燒自動投入后，鍋爐氧量提高，燃料得到充分燃燒，煙氣CO含量降低50%以上，同等負荷下燃料消耗量較投入前可降低8%～12%，鍋爐效率可提高約5%，降低發電成本，具有很好的經濟效益、環保效益。

鍋爐燃燒自動投入較穩定，日投入時長可達到95%以上，減少了運行人員工作量，降低了運行人員的勞動強度。脫硝系統自動控制投入，可有效控制煙氣NOx濃度，符合國家規定的排放標準，減少了氨水的使用量。鍋爐輸給料、給水、給風自動調節投入后，汽包水位控制更加穩定，鍋爐負壓控制效果提高，減少了輸給料系統發生火災的可能性，提高了鍋爐運行的安全系數。

5 結 論

自從生物質鍋爐燃燒自動運行投入后，經過一個多月的實踐運行，有效解決了鍋爐低氧燃燒、燃料燃燒不充分、鍋爐效率低、給料調整滯后以及運行人員操作量大等問題，無論在經濟方面、環保方面還是安全方面都處于較高的水平。