DCS在生物质发电厂自动控制的应用

【摘 要】介绍生物质发电厂DCS控制系统结构配置方案，分析生物质发电厂自动控制方案，针对生物质发电厂控制难点提出了解决方案。

【关键词】生物质；DCS；自动控制

【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

我国是一个典型的农业大国，各类农作物每年产生秸秆、玉米芯、花生壳、稻壳、和棉籽壳资源非常丰富，另外还有我国现有森林面积相对比较大，林业产生的树皮及废料资源也相对丰富，这些能够作为燃烧能源利用的约5亿吨，相当于2.5亿吨标准煤。生物质发电正是以农业和林业等废弃物为燃料，采取直接燃烧发电，生物质能源代替不可再生石化能源，是有效方法之一。

然而生物质燃料的发热量随着其湿度的变化而变化，以及生物质燃料的成分各不相同，燃烧时极其不稳定，所以按照常规惯例计算出应该投入的燃料量的方法是行不通的，所以设计了锅炉负荷控制是基于运行模式汽轮机跟随控制方案，当外部负荷改变时，首先由锅炉主控发出控制动作，待机前主气压改变后，再由汽轮机主控发出控制动作，但一定要提前预判到由于燃料的随机變化引起的负荷波动，因而生物质发电厂对自动化控制方案提出了其他要求。

1 LN2000DCS在生物质发电厂应用中的配置

LN2000的冗余现场总线结构特别适用于地理位置分散的环境。通过双绞线或光纤，可将智能I/O模块任意扩展到几公里范围内的任意地方，而其控制站则可集中布置。这些正适合生物质电厂的需求。LN2000 DCS近年来已经在龙江、临沂、南宫、邳州等十余台生物质发电厂中投入运行，效果良好。LN2000在生物质电厂的通常配置如图1所示。

它由三部分构成：

（1）主控室及电子间：布置锅炉、汽机和发电机以及相关辅助系统的控制柜的控制，可对整个电厂的所有设备进行操作和监控。

（2）远程I/O电子间1：布置秸秆的处理、储存和输送设备的控制柜。

（3）远程I/O电子间2：布置灰渣处理设备的控制柜。

三部分通过双绞线和光纤，有机的结合在一起，在远程电子间内，可设置紧急操作台，对相关设备进行紧急操作。电厂所有设备的操作和监视，都可在主控制室内完成。这种结构，不仅能够减少电缆附设，降低工程费用，而且能够减人增效，并且维护方便。所以有山东鲁能控制生产的LN2000分散控制系统很好的满足了生物质电厂的控制要求。

2 生物质能发电综合自动化控制策略分析研究

根据近年来对龙江、临沂、南宫、邳州等生物电厂自动化控制系统的组态设计和热控系统的调试经验，对生物质锅炉部分的主要控制系统提出了以下设计方案。

2.1 给料控制

给料线一般设计由#1、#2、#3、#4 给料线给料机，共有四条给料线组成，每条给料线的负荷设定值有锅炉负荷控制器的指令转化计算得出，实际是控制每台播料机转速，一般情况下每条给料线负荷信号按照1：1。如果有给料线切手动后，为了弥补各条给料线的差值，全部给料线通过负荷反馈进行调整计算出新的负荷设定值。

炉排运行方式是周期性，整个周期包括由负荷决定的暂停时间和振动时间。当主燃料稳定燃烧时，由运行人员启动振动周期。当振动周期启动后，再启动灰渣系统。如果发生锅炉主燃料跳闸，将自动停止炉排振动周期。当湿式捞渣机停运超过半小时后，停运振动周期并发出报警。

在炉排振动时，搅动炉排上的燃料，炉膛内燃烧加剧，锅炉负荷随即大幅提升。随之导致过燃风量不足，导致燃烧不充分而增加了一氧化碳的排放量和锅炉负荷。所以要在振动前适当减少一次风量以及增加上二次风量。总体保持炉膛内总风量不变，只是临时地改变一二次风量的分配比例。随后渐渐地消除风量分配的变化，最终达到在振动周期三分之二的暂停时间后，风量分配返回到原来的正常值。振动周期的目的就是控制振动和使风量分配的变化和炉排的实际运动步调一致，达到燃烧的稳定性。

2.2 LBA装置负荷控制

锅炉负荷控制的运行模式是“蒸汽锅炉控制（汽轮机跟随）”。汽轮机跟随是当负荷指令改变时，锅炉主控制器先发出改变燃烧率的指令。待燃烧率的变化引起了蒸发量、蓄热量及汽压相继变化后，汽轮机主控制器发出改变调门开度的指令，从而改变进入汽轮机的蒸汽流量，使机组输出电功率相应改变。最终，输出电功率与负荷指令趋于一致；汽压也恢复到给定值。汽轮机跟随方式是由锅炉调节机组输出电功率、汽轮机调节汽压的。当负荷改变时，先由锅炉侧发出控制动作，待机前主气压改变后，再由汽轮机侧发出控制动作，故称汽轮机跟随负荷控制方式。

根据播料机的实际运行台数和锅炉汽包的实际压力计算出最大允许负荷的设定值。操作人员手动设置锅炉负荷的设定值，在最大的允许变化速率值内逐渐增加锅炉负荷。其它控制器中最大值都依据锅炉负荷的设定值。最重要的值如下：

●总风量与需要的过量风的比值；

●主要燃料的需要量；

●一二次风分配的设定值。

2.3 炉膛的压力控制

引风控制为单回路控制系统，有三个炉膛压力信号测点，取中间值。炉膛压力设定值由运行人员在操作画面上手动设置。

根据锅炉炉膛负压的设定值与炉膛负压实际压力的偏差的调节输出加上送风机挡板开度的前馈信号控制引风机入口导叶的开度。当炉膛压力偏差超限时对引风机的指令输出设置了方向闭锁，当炉膛压力过高时，引风机挡板指令闭锁减；当炉膛压力过低时，引风机挡板指令闭锁增。

如果送风机停运时，为了减少空气漏入炉膛燃烧区中，炉膛压力的设定值自动设置为最小负压值。在发生锅炉主燃料跳闸时，有助于缩短停止炉排燃烧的时间，保证锅炉安全。

2.4 送风控制

送风控制系统设计有氧量校正和风量控制。系统根据负荷确定氧量定值，（运行人员可通过调节偏置进行手动干预）产生输出指令对风量指令进行校正；风量控制系统由接负荷指令确定的风量指令，通过改变送风机动叶，调节炉膛的进风量，使风/燃料配比维持合适量。再有由低、中、高侧炉排风电动调节挡板来控制炉排风量。

燃烧空气压力控制其设定值依据锅炉负荷计算出合理的数值，由调节下部喷嘴的两个挡板，调节炉膛前、后墙的下部喷嘴的二次风挡板，控制燃烧空气压力。

上二次风的压力控制是由調节上部喷嘴的上燃风入口电动调节挡板，将剩余的燃烧风引到前、后墙的上部喷嘴中，保证上燃风流量满足炉膛燃烧。

如果发生锅炉总燃料跳闸，燃烧空气系统中二次风的挡板全部打开，保持炉膛通风，尽快吹走炉膛内可燃气体及防止回火进入给料系统，避免炉膛爆燃的发生。

2.5 过热器的温度控制

主蒸汽温度控制系统与常规的火力发电厂不同，是由三级喷水减温器及四级过热器组成。三个过热器的温度控制设计为典型的双回路控制器。反作用延时后停止，与过热器实际过程响应相类似，所以通过回路的积分器和微分回路来实现。

一级减温控制器取#2过热器出口温度为调节量，设定值取二级减温出口导前温度。二级减温控制器取#3过热器出口温度为调节量，设定值取三级减温出口导前温度。三级减温控制器取最终的主蒸汽温度调节量，设定值由运行人员手动设置。如此以来整个系统融合为一体，共同为最终控制主蒸汽温度在合理的范围内服务，减小了延迟惯性，增强了温度的稳定性，提高了控制的效率，保证了主蒸汽的品质。

2.6 锅炉给水控制

电泵给水控制系统是在主给水电动门全开的情况下，由电泵转速调节汽包水位，#1、#2电泵互为备用。根据负荷的变化，电泵控制有单/三冲量两种控制方式，当负荷大于30%时为三冲量，负荷小于30%为单冲量控制，单冲量控制只引入汽包水位作为被控对象，三冲量控制在单冲量控制的基础上，引入给水流量和主蒸汽流量作为被控量，参与汽包水位控制。两种控制方式的切换由程序判断自动切换，无需人为干预。

汽包水位测量采用汽包压力进行全量程补偿，计算后的水位经三取中作为控制和显示用，每个补偿后的汽包水位进行报警判断，分别送给FSSS、SCS作为汽包水位保护和联锁用；蒸汽流量、给水流量使用温度补偿。

3 结语

实践证明，LN2000高可靠的硬件和灵活、强大的软件功能为生物质发电机组的控制和运行提供了可靠的保证，以上自动控制方案使生物质能电厂的自动控制处于较高的水平，为生物质发电厂的安全稳定运行保驾护航。随着石化能源日益紧缺的今天，这种既经济又保护环境的生物质发电技术的应用意义重大。

【参考文献】

[1]李蓉.生物质和煤混合燃烧试验研究[D].华北电力大学（河北），2009.

[2]翟永杰，王学后，等.火电厂分散控制原理及应用.中国电力出版社，2010.7.

[责任编辑：朱丽娜]

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