摘要：生物質(zhì)是重要的可再生能源，目前主要可開(kāi)發(fā)利用的資源為農作物所產(chǎn)生的廢棄物——秸稈。相比燃煤發(fā)電，秸稈發(fā)電的污染排放很小，又可循環(huán)利用，是一種清潔的可再生能源。生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動(dòng)化控制的主要難點(diǎn)是燃料熱值的不穩定性造成的鍋爐燃燒難以經(jīng)濟、穩定控制，以及由秸稈收、運、貯等環(huán)節存在的問(wèn)題導致輸料系統難以安全、連續運行。本文以單縣生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)為例，介紹了生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)綜合自動(dòng)化的系統結構、控制策略，并對調試和運行中所暴露的問(wèn)題及其改進(jìn)方案進(jìn)行了初步探討。

　　關(guān)鍵詞：生物質(zhì)  綜合自動(dòng)控制 控制策略

　　1、引言

　　改變能源結構，維護能源安全，發(fā)展可再生能源是當今世界各國的重要舉措。從上世紀70年代石油危機以來(lái)，生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用開(kāi)始受到各國關(guān)注[1]。中國擁有豐富的生物質(zhì)能資源，據測算，中國理論生物質(zhì)能資源約50億噸左右。目前主要開(kāi)發(fā)利用的資源為水稻、玉米和小麥所產(chǎn)生的廢棄物——秸稈。國家發(fā)改委已經(jīng)將生物質(zhì)直燃發(fā)電列為可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面[2]。隨著(zhù)國家《可再生能源法》的頒布實(shí)施，生物質(zhì)能發(fā)電必將迎來(lái)一個(gè)發(fā)展高峰。

　　區別于傳統火電廠(chǎng)綜合自動(dòng)化控制系統，生物質(zhì)能發(fā)電廠(chǎng)綜合自動(dòng)化系統的工藝及設備具有其特殊性，包括堿金屬腐蝕、灰渣結焦、結渣、焦油等問(wèn)題[3]；同時(shí)生物質(zhì)燃料的熱值隨著(zhù)濕度等特性的變化很不穩定，因此不能通過(guò)常規控制方法按負荷計算出應該投入的燃料量，而應該通過(guò)對風(fēng)量的計算調節給料量，從而在本質(zhì)上改變了常規燃煤電廠(chǎng)的控制方式；另外，生物質(zhì)燃料的成分和煤粉存在極大差異，因而產(chǎn)生結焦、腐蝕的工藝參數及環(huán)境也與普通燃煤爐不同，對鍋爐及其輔助設備的工藝設計及自動(dòng)化控制提出了不同要求；生物質(zhì)能電廠(chǎng)上料系統由于燃料的運輸、儲運、切割等工藝存在很多問(wèn)題，因而導致了上料系統粉塵含量高，存在極大的安全隱患；并且現有上料系統經(jīng)常出現結團堵塞，不能保證鍋爐連續穩定運行。生物質(zhì)能發(fā)電設備及綜合自動(dòng)化控制的國產(chǎn)化及以上存在的問(wèn)題都是今后生物質(zhì)能發(fā)電事業(yè)所面臨的亟待解決的問(wèn)題。

　　2、生物質(zhì)發(fā)電綜合自動(dòng)化控制系統結構

　　當前生物質(zhì)發(fā)電使用的關(guān)鍵一次設備基本上都實(shí)現了國產(chǎn)化，以單縣項目為例，上料系統已經(jīng)實(shí)現了全部的國產(chǎn)化，電站鍋爐以丹麥BWE鍋爐技術(shù)為基礎，采用的是130t/h、振動(dòng)爐排、四回程（M型煙氣回路）、自然循環(huán)的國產(chǎn)汽包鍋爐。汽輪機和發(fā)電機等設備與常規小型電廠(chǎng)基本類(lèi)似，其控制方式也基本類(lèi)似。

　　根據秸桿發(fā)電項目的特點(diǎn)并結合我國自動(dòng)化控制的發(fā)展趨勢，自動(dòng)化控制系統可以采用分級遞接控制。整個(gè)系統可以分為三個(gè)控制層次，即站控層、中間層和間隔層。

    2.1 站控層

　　站控層接收中間層傳輸的各類(lèi)信息，并將運行人員的指令下發(fā)到相應的中間層控制器，是整個(gè)系統的人機接口。操作人員通過(guò)顯示畫(huà)面，可以實(shí)時(shí)直觀(guān)的掌握整個(gè)系統的運行情況。從安全性角度考慮，站控層可以采用雙機雙網(wǎng)結構，通訊采用100M高速以太網(wǎng)，兩臺服務(wù)器互為熱備用，提高整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性、可靠性。

    2.2 中間層

　　中間層是整個(gè)自動(dòng)化控制系統的橋梁，負責收集間隔層傳輸的各類(lèi)信息，運行相應的控制邏輯，同時(shí)將各類(lèi)信息傳輸到站控層，并且負責接收站控層的各項指令，觸發(fā)相應的邏輯流程。中間層也可以采用雙機雙網(wǎng)結構，通訊采用10M/100M自適應以太網(wǎng)，兩臺前置控制器互為熱備用，能夠保證系統可利用率不低于99.9%。

    2.3 間隔層

　　間隔層主要負責實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)設備的信息，并將采集到的信息傳送到中間層，是整個(gè)自動(dòng)化控制系統的基礎。間隔層可以根據現場(chǎng)一次設備的安裝配置情況，采用不同的網(wǎng)絡(luò )配置，較常見(jiàn)的有以太網(wǎng)、CAN總線(xiàn)、遠程I/O等配置方式。該層可以采用安全性較高的PLC或PCC進(jìn)行配置，使整個(gè)系統具有較高的可靠性。

　　自動(dòng)化控制系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動(dòng)控制系統結構示意圖

　　3.生物質(zhì)能發(fā)電綜合自動(dòng)化控制策略研究

　　生物質(zhì)能電廠(chǎng)對中國來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的事物。生物質(zhì)能電廠(chǎng)與常規火力發(fā)電廠(chǎng)最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量較高且不穩定，其熱值不固定，進(jìn)而導致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發(fā)電機、電氣和輔助車(chē)間等系統的控制方式與相同規模的常規電廠(chǎng)并沒(méi)有太大的不同。根據對國內外生物電廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統的考察和研究，對生物質(zhì)能電廠(chǎng)鍋爐的主要控制做簡(jiǎn)要的分析討論。

    3.1負荷控制

　　生物質(zhì)能電廠(chǎng)負荷控制思路與常規電廠(chǎng)有本質(zhì)的區別。機組控制采用機跟爐的調節方式，鍋爐調負荷，汽機隨鍋爐負荷的變化而保持進(jìn)汽的壓力基本保持不變。由于生物質(zhì)燃料的熱值不固定，根據鍋爐負荷不能直接確定給料量，但是可以確定給風(fēng)量，再根據鍋爐的實(shí)際蒸發(fā)量、尾部煙道氧量通過(guò)負荷控制器的運算來(lái)調整給風(fēng)量和給料量，最終實(shí)現鍋爐側對負荷的調節。

　　依據這種控制方式，可以解決以生物質(zhì)這類(lèi)熱值不固定的燃料為原料的鍋爐負荷精確、自動(dòng)控制問(wèn)題。

    3.2鍋爐風(fēng)量控制

　　鍋爐的風(fēng)量由負荷直接確定，進(jìn)而決定了送風(fēng)機擋板的開(kāi)度和送風(fēng)機的轉速，通過(guò)對總風(fēng)量的監測來(lái)實(shí)現鍋爐風(fēng)量的閉環(huán)控制。風(fēng)經(jīng)過(guò)合理的分配，形成了爐排風(fēng)、前后墻下二次風(fēng)、前后墻上二次風(fēng)和播料風(fēng)，每路風(fēng)都由各自的流量或壓力來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制。

    3.3鍋爐給料控制

　　鍋爐的給料系統分為兩條給料線(xiàn)，每條線(xiàn)由爐前料倉、取料機、輸料機、配料機、三個(gè)緩沖料倉和三臺螺旋給料機組成，生物質(zhì)燃料最終由轉速可調的螺旋給料機送入爐膛。

　　給料系統進(jìn)行了裕量設計，每臺給料機的負荷達到80％左右，就能滿(mǎn)足鍋爐滿(mǎn)負荷運行。鍋爐的負荷平均分配到每臺給料機上，運行人員可以在一定程度上調整每臺給料機的出力。當負荷發(fā)生變化，控制系統會(huì )自動(dòng)的將每臺給料機的負荷進(jìn)行調整，將負荷的變化量平均分配到每臺運行的給料機上。如果有個(gè)別給料機出了故障，控制系統能夠快速、自動(dòng)的將故障給料機的負荷平均分配到其它運行的給料機上去，繼續保持鍋爐負荷的基本穩定，保證電廠(chǎng)的安全穩定運行。
　
　　取料機、輸料機和配料機的轉速與給料機的轉速成比例關(guān)系，保證每臺給料機的緩沖料倉都存有充足的燃料，緩沖料倉的料位對轉速有修正作用。給料系統控制原理如圖2所示。

    3.4爐膛壓力控制
　　
　　爐膛壓力控制為簡(jiǎn)單單回路閉環(huán)控制。運行調試人員設定爐膛壓力，根據壓力的設定點(diǎn)與爐膛壓力反饋調節引風(fēng)機入口擋板開(kāi)度和引風(fēng)機轉速。爐膛壓力控制原理如圖3所示。

圖3爐膛壓力控制

    3.5主蒸汽溫度控制

　　鍋爐主蒸汽溫度控制系統由四級過(guò)熱器和三級噴水減溫器組成。過(guò)熱器和噴水減溫的目的是將主蒸汽的溫度穩定在設定溫度。每個(gè)過(guò)熱器的溫度控制器都設計為典型的雙回路控制器。過(guò)熱器進(jìn)口溫度的響應記錄作為過(guò)熱器出口偏差記錄的反作用。反作用延時(shí)后停止，與過(guò)熱器實(shí)際過(guò)程響應相類(lèi)似。這可以通過(guò)回路的積分器和Pt1過(guò)濾器來(lái)實(shí)現。主蒸汽溫度控制原理如圖4所示。與常規電廠(chǎng)每級過(guò)熱器出口人為設置溫度設定點(diǎn)不同，此系統只設置第四級過(guò)熱器出口的溫度設定點(diǎn)，前兩級過(guò)熱器出口的溫度設定點(diǎn)取后一級減溫器入口的溫度。這樣整個(gè)系統整合為一個(gè)整體，為控制主蒸汽溫度服務(wù)，縮短了控制時(shí)間，增強了溫度的穩定性，提高了控制的效率，提高了主蒸汽的品質(zhì)。

圖4 主蒸汽溫度控制

    3.6給水控制

　　鍋爐給水系統主要由汽包、給水調節閥和兩個(gè)給水泵組成。兩給水泵為轉速可調泵，一用一備。汽包液位決定了給水泵的轉速，而主蒸汽流量和給水流量也是影響給水泵轉速重要因素。通過(guò)給水調節閥的節流實(shí)現對給水壓力的短時(shí)間小幅調節。一般情況下，給水閥是全開(kāi)的，只有當鍋爐啟動(dòng)時(shí)或者減溫水壓力不足時(shí)，才會(huì )令給水閥節流以提高給水壓力。鍋爐的給水控制原理如圖5所示。

圖5鍋爐給水控制

    3.7空氣預熱器控制

　　與常規電廠(chǎng)不同，系統布置了一組高壓空預器、高壓煙氣冷卻器和一組低壓空預器、低壓煙氣冷卻器。系統以水為介質(zhì)，將煙氣的熱量傳遞給將要進(jìn)入爐膛的空氣。系統如此布置既保證了對空氣的良好加熱，又防止了排煙溫度過(guò)低，出現低溫結露，腐蝕空預器管材。

    3.8燃料儲存和輸送系統控制

　　生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的燃料主要采用各類(lèi)秸稈或者速生林木。燃料的粉碎等預處理由燃料的收集和儲藏的單位完成。電廠(chǎng)燃料的儲藏和運輸系統主要由以下部分構成：料倉，事故料斗，斗式提升機，螺旋取料機，移動(dòng)配倉帶，電子汽車(chē)衡，雙列刮板機，皮帶機，帶式除鐵器，爐前筒倉（鍋爐給料系統）。燃料儲存和輸送系統如圖6所示。系統在正常運行時(shí)，順料流啟動(dòng)，逆料流停止；在故障條件下，逆料流保護跳閘。斗提和直線(xiàn)螺旋輸料機的轉速由鍋爐給料機的轉速確定,同時(shí)把爐前料倉高度作為輔助調整參數,使燃料在滿(mǎn)足鍋爐負荷的前提下均勻的傳輸。

圖6 燃料的儲藏和輸送

　　4.控制難點(diǎn)與改進(jìn)方案的探討

　　實(shí)踐證明，以上控制策略能夠實(shí)現生物質(zhì)能電廠(chǎng)的自動(dòng)化控制，保證電廠(chǎng)的安全穩定運行。但是在調試和運行中，還是暴露了控制系統存在的若干問(wèn)題。

    4.1粉塵控制與防火防爆

　　目前生物質(zhì)電廠(chǎng)的燃料儲運是在常壓下進(jìn)行的，由于生物質(zhì)燃料自身的特點(diǎn)，在其粉碎過(guò)程中或者在運輸過(guò)程中出現落差的情況下，會(huì )產(chǎn)生大量的粉塵，導致了上料系統合鍋爐給料系統的粉塵含量高，粉塵濃度甚至進(jìn)入爆炸極限范圍，存在極大的安全隱患。

　　針對這種情況，需要我們根據國內燃料供應情況，在燃料粉碎、運輸及上料環(huán)節上對生產(chǎn)工藝做相應修改，如采用封閉式負壓儲運；在落差較大的位置設置除塵裝置；增設粉塵濃度傳感器對粉塵進(jìn)行實(shí)時(shí)監測；保持料倉的通風(fēng)性良好，監測并控制料倉的溫度、濕度。

    4.2燃料輸送系統的簡(jiǎn)化

　　目前燃料輸送系統和鍋爐給料系統環(huán)節較多，工藝復雜，螺旋和斗式提升機經(jīng)常堵塞的現象。燃料輸送系統故障會(huì )導致?tīng)t前料倉斷料，不能滿(mǎn)足鍋爐負荷下的燃料供應。
　
　　為了避免這種現象發(fā)生，可以考慮改進(jìn)現有的給料工藝，減少給料環(huán)節，不采用斗式提升機，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時(shí)嚴格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結團、纏繞，并改進(jìn)自動(dòng)化控制手段，保證輸料系統連續穩定運行。

    4.3結焦和腐蝕

　　生物質(zhì)燃料的成分和煤粉存在極大差異，尤其灰分中含有大量堿金屬鹽，這些成分導致其灰熔點(diǎn)較煤粉的灰熔點(diǎn)低，容易產(chǎn)生沾污結焦和腐蝕。因而生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生結焦、腐蝕的工況參數與普通燃煤爐不同，應該根據燃料性質(zhì)及燃燒特性的不同，對鍋爐及其輔助設備的工藝設計提出不同要求，并改進(jìn)相關(guān)自動(dòng)化控制使工藝運行環(huán)境符合現有設備要求。

　　5.結語(yǔ)

　　生物質(zhì)發(fā)電，作為清潔的可再生能源，對改善我國能源結構，減少我國對化石燃料的依賴(lài)，進(jìn)而減少我國CO2和SO2等污染物的排放，最終緩解能源消耗給環(huán)境造成的壓力有重要的意義[4]。實(shí)現生物質(zhì)能發(fā)電設備及其綜合自動(dòng)化控制的國產(chǎn)化，開(kāi)展核心設備的研發(fā)，開(kāi)發(fā)完整的生物質(zhì)發(fā)電成套技術(shù)和裝備，最終形成具有我國自主知識產(chǎn)權的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)，具有廣泛的發(fā)展前景！

　　參考文獻：

　　[1] 瑞典、丹麥、德國和意大利生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)和利用考察報告

　　http://nyj.ndrc.gov.cn/dcyyj/t20050928_44084.htm

　　[2] 國家發(fā)展改革委員會(huì )  可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導目錄  2005,11

　　[3] 段菁春 肖軍  生物質(zhì)與煤共燃研究  電站系統工程  2004.1

　　[4] 陰秀麗 吳創(chuàng )之 生物質(zhì)氣化對減少CO2排放的作用[J].太陽(yáng)能學(xué)報, 2000,1