基于虛擬DPU 的生物質鍋爐仿真研究

劉鎖清，王志偉，李軍紅

（1.山西大學 電力與建筑學院，太原 030000；2.山西大學 自動化與軟件學院，太原 030000）

目前，電廠對真實DPU 技術的使用已經走向成熟，與之配套的具有極高仿真度的仿真系統成為電廠提升員工技能技術、優化本廠控制系統不可或缺的手段，同時，通訊技術和數據跨系統的升級，意味著將現場實時數據導入至仿真系統進行監視和操作模擬成為可能，在此背景下，開發應用虛擬DPU技術針對目標量身打造的仿真機系統成為各電廠的要求。我國是一個農業大國，每年可作為能源使用的秸稈、林木生物量可達7 億噸左右，生物資源豐富，開發潛力十分巨大。我國生物質電廠運用廣，分布在各小型城市以及農村，該型電廠生產規模小，人員數量不大且技術水平參差不齊，結合以上等因素，開發生物質電廠仿真模型極其重要[1]。

1 生物質燃燒發電原理與鍋爐特性

本文以河南某生物質電廠為背景，根據該電廠實際情況開發一套鍋爐的仿真系統。

生物質燃燒發電是利用生物質本身的化學能進行燃燒發電，屬于可再生能源發電。河南某生物質電廠屬于生物質火力發電，設計燃料主要為秸稈。其工作原理是將秸稈等生物質加工成粉狀，通過上料系統送入鍋爐，進行充分燃燒，使化學能轉變成熱能；鍋爐內的水工質在各受熱面內加熱形成過熱蒸汽，進入汽輪機并帶動汽輪機旋轉，使熱能轉換成機械能；被驅動的汽輪機發電組旋轉，發電機將機械能變成電能。工作原理如圖1 所示。

圖1 生物質電廠鍋爐原理圖Fig.1 Schematic diagram of boiler in biomass power plant

生物質電廠的鍋爐是層燃鍋爐，帶有振動爐排，采用直接燃燒技術。其主要系統有燃燒系統、風煙系統、汽水系統。燃燒系統是通過取料和上料系統給爐排鋪料，使燃料在爐膛內充分燃燒；風煙系統由送風機和引風機以及尾部煙氣管道組成，給爐膛提供充分的氧量并使爐膛處于微負壓工作狀態；汽水系統是保證整個電廠汽水熱力系統形成一個良性循環。

2 基于虛擬DPU 的鍋爐仿真架構

基于虛擬DPU 的生物質電廠鍋爐仿真系統架構主要由仿真支撐環境系統、虛擬DPU 和通訊系統三大部分組成，如圖2 所示。

圖2 生物質電廠鍋爐仿真系統Fig.2 Biomass power plant boiler simulation system

仿真支撐環境系統是用于仿真模型建設，使用Pssim 仿真支撐平臺搭建仿真模型，實現對生物質電廠鍋爐的操作控制和監視。生物質電廠鍋爐仿真模型主要由風煙系統、汽水系統和燃燒系統組成。

虛擬DPU，即虛擬分散處理單元，負責人機交互界面和控制程序中的控制組態，在仿真支撐環境下的設備物理化模型和數字化模型，通過仿真設計達到控制策略的仿真功能，最后可以獲得一個和仿真對象相同的效果。

通訊系統是用于仿真支撐環境系統與虛擬DPU 站控制系統信息傳輸，利用OPC 技術，使用Group 測點表建立仿真模型與控制邏輯的信息通訊聯系，將控制邏輯信號反饋到仿真系統上，并將操作指令和狀態傳遞給控制邏輯。

3 生物質電廠鍋爐的影響因素

生物質電廠鍋爐主要從燃燒系統、風煙系統、汽水系統方面來考慮建模。影響鍋爐的因素有多種，且燃燒系統影響因素主要有設計成分和爐膛內燃燒，爐膛內燃燒主要的參數量有理論燃燒空氣量和實際燃燒空氣量、理論煙氣量和實際煙氣量以及過量空氣系數等[2]。

3.1 設計成分因素

該型生物質電廠設計燃料有小麥秸稈、玉米秸稈、花生殼、林廢混合燃料，單位量各成分對應比例為8∶22∶38∶32。分析其燃燒特性，可得數據如表1所示。

表1 燃料成分Tab.1 Fuel composition

由以上生物質燃料的成分表可知，相對于其他種類燃料，生物質燃料中含碳量少，水分含量大，發熱量低；含氫較多，一般為3%～4%，生物質中的碳氫化合物，易揮發、燃點低、易引燃；生物質燃料燃燒熱效率高，是燃煤機組熱效率的2～3 倍。

3.2 爐膛內燃燒影響

生物質充分燃燒時需要有足夠高的溫度，合適的空氣量和充裕的時間。而生物質燃燒過程則是生物質熱轉化過程中的物質平衡和能量平衡，也是仿真建模的重要依據。燃燒過程的物質平衡實際上考慮的是燃燒空氣量和煙氣量的計算。

3.2.1 理論燃燒空氣量與實際燃燒空氣量[3]

計算燃料的理論空氣量，需要考慮燃料中可燃元素（C，H，S）完全燃燒時所需要的氧氣量。由《生物質燃料直接燃燒過程特性的分析》提到公式：

1kg 收到基（用ar 表示）燃料充分燃燒需要消耗的氧氣量：

1kg 收到基燃料燃燒所需要的理論空氣（標準狀態）量為

式中：V0為理論燃燒空氣量（m3/kg）。

在實際燃燒過程中，實際燃燒空氣量可以用以下公式簡化計算：

式中：LHVar為實際燃料的收到基低位熱值，kJ/kg［kJ/m3（標準狀態）］。

在仿真建模時，考慮到生物質燃料種類比較多，且為了使仿真模型與電廠實際運行參數吻合度更高，所以在此公式基礎上增加修正系數k：

3.2.2 理論煙氣量與實際煙氣量

理論煙氣量由CO2、SO2、水蒸氣及N2組成。

理論煙氣量表達式為

在仿真建模過程中，考慮到電廠實際運行參數與理論參數還有偏差，為真實仿真模擬現場參數，因此實際煙氣量需增加修正系數k：

3.2.3 過量空氣系數

過量空氣系數公式為

式中：V 為實際供給的空氣量。

實際燃燒過程中，空氣與燃料混合不充分，需要供給的空氣量較理論空氣量多，即α>1。在仿真模型中需修正的具體值可參考現場實際過量空氣系數值。

4 生物質電廠鍋爐的仿真建模

4.1 鍋爐仿真系統

4.1.1 爐膛燃燒的算法

基于上述的燃燒系統的影響因素分析，建立燃燒系統仿真模型。利用Frotron 和C++Build 語言，編寫生物質爐膛燃燒的算法，其部分算法代碼如下：

4.1.2 建立模塊算法

根據生物質爐膛燃燒的算法編譯爐膛模塊算法，其主要的參數如表2 所示。

表2 算法模型說明Tab.2 Description of algorithm model

4.1.3 鍋爐系統的仿真建模

河南某生物質電廠鍋爐仿真建模分為燃燒系統、風煙系統、汽水系統三大部分，本文以燃燒系統為例介紹鍋爐仿真建模的方法。

燃燒系統由爐膛、振動爐排、風室組成。生物質燃料通過給料機由二次風送入爐膛內部，燃燒產生熱量。攜帶熱量的煙氣擴散在爐膛和尾部煙道內，將熱量傳遞至各受熱面；給水經省煤器加熱，在汽包內受熱分離出飽和蒸汽進入各級過熱器受熱升溫升壓；振動爐排爐排間隔一定的周期進行一次振動，以使爐排上的物料向爐排后部排渣口移動使物料充分燃燒，且使燃燒后的爐渣排出振動爐排。爐排下部是風室，作為一次風的通風口。其流程如圖3所示。

圖3 燃燒系統流程Fig.3 Combustion system flow chart

在仿真支撐平臺Pssim 軟件內，根據系統流程圖，建立鍋爐燃燒仿真模型。如圖4 所示，BLFUR 代表模塊名，feeder、furnace、SH 是算法名，分別表示為給料機、爐膛、換熱器。指令會從輸入端（in）進入算法塊，在算法塊內計算至輸出端（out），并作為下一個算法塊的輸入指令參與計算。

圖4 鍋爐燃燒仿真模型Fig.4 Boiler combustion simulation model

調整各系統參數值，使其符合該生物質電廠鍋爐系統實際運行過程的參數值。

4.2 通訊系統

實現Pssim 與虛擬DPU 控制器之間的通訊，需要利用OPC 技術。安裝OPC 程序，在Pssim 系統內生成opc 腳本，在腳本項添加group 點表。一方面，Pssim 通過opc 將數據傳遞給控制器，另一方面，控制器將虛擬DPU 控制器內的I/O 信號，通過opc 反饋回Pssim 模型中[4]。

Group 測點主要包含DCSID、MODID 以及測點ID。相對照的DCSID 負責界面測信號，MODID 負責仿真系統信號，測點ID 負責虛擬DPU 站內的組態信號。畫面、組態、仿真系統制作過程中，相應得完成其測點表的整理工作。具體到每一個信號在各個系統都有信號對照，即模型側、界面側、控制器組態側I/O 信號清單一一對照，如表3 所示。

表3 Group 測點Tab.3 Group point

4.3 結果

由于過程過于繁瑣，這里不再展開詳細敘述。以某生物質電廠鍋爐燃燒過程為基本原理，建立相應的理論方程公式，并結合實際加以修正，基于該生物質電廠鍋爐燃燒系統的影響因素分析，建立鍋爐燃燒系統仿真模型。再基于虛擬DPU 技術設計制作仿真運行的界面和組態框架，運用通訊手段使仿真模型和虛擬DPU 控制器信息通訊。類似工作，完成風煙系統和汽水系統仿真模型搭建工作，那么該型生物質電廠鍋爐仿真模型搭建完成。

此鍋爐仿真模型是該生物質電廠仿真系統的一部分，調用點火前的工況，根據其實際操作規程和操作手冊，在集控操作界面，進行點火以及爐膛升溫升壓工作，對照實際運行工況參數，進行調試，直至完全模擬實際運行的動態和參數，那么該型生物質電廠鍋爐仿真系統制作完成。

5 結語

本文的研究對象為50 MW 生物質電廠，基于虛擬DPU 技術設計和開發了一套生物質電廠鍋爐仿真模型，實現鍋爐的全仿功能。并在該廠SIS 監控系統的加持下，將現場實時數據與仿真數據統一布置在同一平臺，為下一步實時數據接入仿真系統做實驗和規劃準備，向更加智能、完善的智慧型電廠推進。