Ovation系統(tǒng)生物質(zhì)燃燒電控制方案

1、Ovation系統(tǒng)生物質(zhì)燃燒發(fā)電控制方案艾默生過程控制有限公司公用事業(yè)部2010-9-209 / 10文檔可自由編輯打印1 項目背景生物質(zhì)能是一種重要的可再生能源，利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物，如秸稈、樹皮等為原材料，采取直接燃燒或者氣化方式進行發(fā)電。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)展的重要內(nèi)容。作為節(jié)能環(huán)保和可再生能源發(fā)電的先鋒企業(yè)，武漢凱迪集團計劃在全國范圍內(nèi)建設一批30MW高溫超高壓生物質(zhì)電廠項目。鍋爐采用凱迪自主設計的1120t/h高溫超高壓循環(huán)流化床鍋爐，汽機采用高溫超高壓汽輪機。計劃第一批項目11臺機組的投產(chǎn)順序為湖北來風、湖北崇陽、湖北松滋、四川眉山(彭山)、湖南

2、臨澧、安徽南陵、廣西北流、吉林蛟河、吉林汪清(后2個項目為230MW機組)，未來會增加到30個左右生物質(zhì)發(fā)電項目。2 生物質(zhì)直燃發(fā)電的控制特點與常規(guī)火電廠不同，生物質(zhì)發(fā)電廠無論在工藝流程，還是運行特點都具有其特殊性，體現(xiàn)在如下幾個方面：l 燃料種類多、熱值和濕度變化大。生物質(zhì)發(fā)電廠的燃料一般可以分為灰桿燃料和黃桿燃料兩大類，熱值各不相同，而且隨著燃料水分的變化，熱值也會有相應的改變。正常燃燒時，往往會將多種燃料混合進行摻燒；加之燃料收集和運輸過程的不確定性和天氣環(huán)境等因素，導致進入爐膛的燃料熱值經(jīng)常波動。因此，燃燒的自動控制必須考慮熱值變動這個重要因素，燃燒控制回路必須具備足夠的魯棒性，才能夠

3、真正實現(xiàn)燃燒的自動調(diào)節(jié)。l 由于生物質(zhì)發(fā)電的環(huán)保性，發(fā)電機組的負荷特性屬于電網(wǎng)基本負荷，不參與調(diào)峰，即“機組能發(fā)多少，電網(wǎng)接收多少”。從鍋爐和汽輪機發(fā)電機的整體來看，汽輪機和發(fā)電機部分的控制已經(jīng)非常成熟，而且響應很快；發(fā)電負荷的多少取決于鍋爐的燃燒情況和蒸發(fā)量。顯然，控制策略的設計必須以“機跟爐”為基礎來進行，汽輪機則根據(jù)鍋爐側(cè)的蒸汽流量和壓力來自動調(diào)節(jié)發(fā)電出力。負荷控制由鍋爐來完成，考慮到生物質(zhì)燃料熱值的頻繁變化，鍋爐控制應以蒸汽量為核心參量，通過蒸汽量來實現(xiàn)燃料量、風量和氧量的控制。l 生物質(zhì)燃料的灰分中含有大量堿金屬鹽，這些成分導致其灰熔點較煤粉低，容易產(chǎn)生結(jié)焦和腐蝕。因此鍋爐床溫與床壓

4、應控制在合理的范圍。顯然，生物質(zhì)直燃發(fā)電自動控制的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在負荷控制、燃燒控制、給料控制等方面，而汽輪機控制、爐膛火焰監(jiān)視和順序控制策略則與常規(guī)火電機組類似。3 艾默生控制策略艾默生結(jié)合循環(huán)流化床和垃圾焚燒方面的應用經(jīng)驗和生物質(zhì)直燃發(fā)電過程的特點，提出以蒸汽負荷作為主控方式，即：按照蒸汽負荷和燃料熱值來計算燃料量，從而得出風量和過量氧量，達到燃燒控制的目的，生物質(zhì)能直燃發(fā)電負荷控制系統(tǒng)原理圖見圖1.3.1 負荷控制回路生物質(zhì)能電廠與常規(guī)火力發(fā)電廠最大的區(qū)別是燃料的不同,尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量和熱值不穩(wěn)定，進而導致給料方式, 燃燒控制,和負荷控制與常規(guī)火力發(fā)電廠有著較大區(qū)別. 通過操

5、作員設定的負荷值經(jīng)F(X)轉(zhuǎn)換得到主蒸汽流量設定值，也可以直接輸入主蒸汽流量設定值,由蒸汽熱值計算模塊計算蒸汽熱值.根據(jù)生物質(zhì)燃料低位發(fā)熱量,計算生物質(zhì)燃料熱值需求值. 通過操作員設定的過?？諝庠O定值, 由基準空氣流量計算模塊計算出對應鍋爐負荷下的基準空氣流量值.此基準空氣流量值作為風量控制的設定值,分別作為一次風,播料風,流化風的控制依據(jù),在此環(huán)節(jié)中實際是完成根據(jù)鍋爐的負荷按一定的比例分配形成一次風, 播料風,流化風。由生物質(zhì)燃料熱值需求值可求得所需生物質(zhì)燃料的重量，作為床壓控制回路的設定值。按生物質(zhì)燃料比重可求得所需生物質(zhì)燃料的體積，從而求得燃料給料機的基準速度，作給料機的轉(zhuǎn)速設定值。一般

6、給料機有多臺組成，用平衡模塊控制多臺給料機，將負荷平均分配到投入自動的給料機上。從生物質(zhì)能直燃發(fā)電負荷控制系統(tǒng)圖中可以看出一系列的計算模塊中最為關(guān)鍵的是生物質(zhì)燃料的熱值問題，由于燃料的性質(zhì)已經(jīng)決定了其熱值不可在線測量的特性，在類似的工程實踐中燃料熱值的在線計算是切實可行的方案。負荷控制計算是將蒸汽量作為主控參量，利用熱平衡原理，得出各個負荷下對應的蒸汽量、需要的燃料量和送風量以及煙氣氧量。蒸汽量的計算公式為：式中：為期望的蒸汽流量，單位t/h；k為期望的負荷比例值；為滿負荷蒸發(fā)量，單位t/h。燃料量的計算公式為：式中：B為燃料量，單位t/h；為鍋爐出口蒸汽焓，單位kJ/kg；為鍋爐給水焓，單位

7、kJ/kg；為鍋爐飽和水焓，單位kJ/kg；為鍋爐排污率；為鍋爐效率；為燃料收到基低位發(fā)熱量，單位kJ/kg。顯然，要從蒸汽量得出燃料量，必須要知道鍋爐效率和燃料的低位發(fā)熱量。鍋爐效率可以利用艾默生公司的全局性能計算包中的鍋爐效率計算模塊或者直接在控制邏輯中根據(jù)鍋爐設計參數(shù)曲線進行實時計算，詳見附錄1。送風量的計算，則可以通過單位標準熱值燃料需要的風量，乘以過剩空氣系數(shù)得出。根據(jù)負荷計算出送風量和給料量后，再根據(jù)實際主蒸汽流量和尾部氧量對計算值進行修正，使負荷保持穩(wěn)定并使過量空氣系數(shù)保持在較理想的狀態(tài)，以使鍋爐在較高效率下運行。由于實際情況中燃料熱值經(jīng)常在較大范圍內(nèi)變化，因此很難通過調(diào)節(jié)鍋爐燃

8、料量來保持負荷的穩(wěn)定。本文選擇利用蒸汽量反饋調(diào)節(jié)給風量，利用氧量反饋調(diào)節(jié)給料量。主蒸汽流量反饋有較長時間的滯后，是比較慢的調(diào)節(jié)回路，因此送風量調(diào)節(jié)需要有較大的時間常數(shù)，而氧量反饋相對較快，可以適應燃料熱值經(jīng)常性的波動?；谡羝髁康呢摵煽刂瓶梢源_保維持理想的平均負荷，同時可以很大程度地消除由于燃料的隨機波動引起的負荷波動。負荷控制和過量空氣控制都是PID環(huán)節(jié)，在前饋環(huán)節(jié)和消除偏差方面有較強的適應性。3.2 熱值計算生物質(zhì)能直燃鍋爐燃料熱值的正確性，直接影響到鍋爐燃料控制系統(tǒng)的自動投入率，為了得到較為正確的燃料熱值，可以采用在線計算的方法獲得。計算原理見圖2計算原理如下:Qi1 = W x LH

9、VLHV =(Qo1+Qo2+Qo3+Qo4+Qo5+Qo6+Qo7-Qi2-Qi3-Qi4-Qi5-Qi6-Qi7-Qi8) / W其中:1 Qo1:過熱蒸汽輸出熱量;2 Qo2:排出煙氣熱量;3 Qo3:爐渣排出熱量;4 Qo4:爐渣含未燃碳熱量;5 Qo5:飛灰排出熱量;6 Qo6:爐膛熱損失;7 Qo7:鍋爐疏水熱量.8 Qi1:生物質(zhì)燃料輸入熱量;9 Qi2: 生物質(zhì)燃料熱焓;10 Qi3:一次風輸入熱量;11 Qi4: 二次風輸入熱量;12 Qi5:流化風輸入熱量;13 Qi6:點火燃燒器輸入熱量;14 Qi7:點火燃燒器燃燒空氣熱量;15 Qi8:給水輸入熱量;其中: Qox,

10、Qix可通過對應的熱工計算公式得到從LHV計算過程可以看出,要獲得正確的LHV,正確測量進入鍋爐的生物質(zhì)燃料的重量是一個重要環(huán)節(jié).3.3 給料量控制鍋爐的給料系統(tǒng)分為爐前中間料倉和6臺單螺旋給料機組成，生物質(zhì)燃料由轉(zhuǎn)速可調(diào)的螺旋給料機送入爐膛。給料系統(tǒng)進行了裕量設計，給料量負荷會轉(zhuǎn)換為6臺給料機的轉(zhuǎn)速設定值，通過Ovation的平衡器算法(Balancer，具體介紹參見附錄2)分配到每臺給料機上；如果個別給料機切手動，或者出現(xiàn)故障，平衡器算法能夠迅速自動調(diào)整其他給料機的出力，保持鍋爐負荷的基本穩(wěn)定。同時，運行人員可以通過調(diào)整偏置在一定程度上調(diào)整每臺給料機的出力。取料機、輸料機和配料機的轉(zhuǎn)速與給

11、料機的轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，能夠保證每臺給料機的中間料倉都存有充足的燃料，中間料倉的料位對轉(zhuǎn)速有一定的修正作用。3.4風量控制鍋爐采用平衡通風方式，配置1臺一次風機，2臺二次風機，2臺引風機、1臺播料增壓風機和2臺回料器高壓流化風機。顯然，風量控制系統(tǒng)的任務是保證為鍋爐燃燒提供充足的燃燒空氣量，并按照一定比例將空氣分配為一次風、二次風、播料風、流化風等，保證爐膛燃燒的穩(wěn)定。風量控制包括總風量控制和一，二次風比率的控制?？傦L量根據(jù)燃燒指令獲得，并根據(jù)過?？諝庀禂?shù)校正，形成總風量指令。一，二次風比率的控制是通過調(diào)節(jié)風燃比，并受到床溫控制回路的校正。(風量控制部分需要過工結(jié)合鍋爐流程圖提出簡要原理)3.5

12、床溫控制床溫的控制直接影響爐內(nèi)的脫硫和脫硝，能有效去除SO2和NOX的最佳床溫是850950。采用改變一，二次風比率的方法來調(diào)節(jié)床溫。(床溫控制部分是否可以添加流化床的已有經(jīng)驗)3.6床料高度控制床料高度不僅影響床溫，而且對鍋爐的經(jīng)濟運行影響很大，過高會使布風板阻力增大，并可能造成風道和風室振動；過低時負荷又帶不上去。床料高度的控制是通過排渣量的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。(床料高度控制部分是否可以添加流化床的已有經(jīng)驗)3.7主蒸汽溫度控制鍋爐煙道內(nèi)，過熱器受熱面包含三個部分：低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器，采用二級噴水減溫方式，第一級噴水減溫起粗調(diào)作用，第二級噴水減溫作為細調(diào)，確保鍋爐出口汽溫為給定值

13、，以滿足運行要求。每個噴水減溫回路都為串級控制。l 一級噴水減溫主環(huán)控制的過程變量為低溫過熱器出口蒸汽溫度，付環(huán)控制的過程變量為一級減溫器出口蒸汽溫度。主環(huán)控制的輸出加上一個由蒸汽流量代表的機組負荷函數(shù)發(fā)生器所給出的前饋信號為付環(huán)的設定值。l 二級噴水減溫主環(huán)控制的過程變量為高溫過熱器出口蒸汽溫度，付環(huán)控制的過程變量為二級減溫器出口蒸汽溫度。主環(huán)控制的輸出加上一個由蒸汽流量代表的機組負荷函數(shù)發(fā)生器所給出的前饋信號為付環(huán)的設定值，運行人員可根據(jù)機組的實際運行工況在上述基本設定值基礎上手動進行偏置3.8機組運行方式由于生物質(zhì)能直燃發(fā)電燃料的特殊性，發(fā)電機組的運行方式不能采用常規(guī)FCB鍋爐的協(xié)調(diào)控制

14、方式和鍋爐跟蹤方式，可行的運行方式是汽機跟蹤方式。即鍋爐負荷由燃料量決定，鍋爐與汽機之間的能量平衡體現(xiàn)在主蒸汽壓力上，由汽機來控制主蒸汽壓力的方式可以保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定性。另外生物質(zhì)能直燃發(fā)電機組容量較小，電網(wǎng)對其負荷相應的能力無嚴格的要求。在控制系統(tǒng)的設計中只要求汽輪機控制系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)方式具有負荷控制方式，閥位控制方式外，還要求具有主汽門入口壓力控制方式。見圖3.4總結(jié)在生物質(zhì)發(fā)電方面，艾默生公司在國外有多個已投運案例，包括：位于紐約的Greenidge 4號機組(廢木材燃料，108MW)，佛羅里達州的Cedar灣電廠(廢木材燃料，285MW)。在循環(huán)流化床和垃圾焚燒發(fā)電方面，艾默生在國內(nèi)

15、外也有眾多的案例，比如：宜昌東陽光300MW循環(huán)流化床和成都洛帶垃圾焚燒電廠，機組主設備控制都由Ovation系統(tǒng)完成，我們的工程隊伍有著豐富的設計、調(diào)試經(jīng)驗。我們相信能夠與凱迪集團在鍋爐設計與控制方面深入配合，提供我們在機組控制方面的國內(nèi)外經(jīng)驗，將生物質(zhì)發(fā)電的控制水平提升到一個新的高度。附錄附錄1 總體性能計算軟件包及鍋爐效率計算模塊Global Performance Advisor（總體性能顧問軟件包）可以為操作人員提供連續(xù)監(jiān)視主要工廠設備性能并與期望的特性指標進行比較的能力。總體性能顧問軟件包通過跟蹤機組熱效率偏差、設備性能偏差以及由此偏差所產(chǎn)生的成本損耗，來降低運行成本。操作人員可以

16、根據(jù)顧問軟件包的提示，采取正確的操作，減少運行損耗?？傮w性能顧問軟件包為用戶提供關(guān)鍵性能參數(shù)，以增進總體發(fā)電效率?？傮w性能顧問軟件包包括多個客戶化模塊，以滿足具體電廠的性能監(jiān)視需求。針對具體機組類型，不同的模塊組合將用于評估機組設備和過程性能。具體的模塊包括：鍋爐給水加熱器模塊、蒸汽輪機模塊、凝汽器性能模塊、汽輪機組熱耗率模塊、鍋爐效率-反平衡模塊、鍋爐效率-正平衡模塊、余熱鍋爐效率模塊、省煤器性能模塊、機組整體性能模塊、給水泵性能模塊、燃氣輪機性能模塊、冷卻塔性能模塊等。所有模塊算法都預先封裝，屬于完全圖形化組態(tài)，使用時僅需要設置相應的計算參數(shù)或者設備參數(shù)即可，不需要復雜的編程計算，非常易于

17、學習和維護。鍋爐性能模塊-通過使用ASME PTC 4.1熱損失方法進行鍋爐性能計算。性能計算所需要的燃料分析數(shù)據(jù)，由工廠操作員利用現(xiàn)有控制系統(tǒng)界面進行輸入，并且周期性地對其進行更新。鍋爐性能模塊動態(tài)測量煙道氣體中的氧氣成分，煙氣和空氣溫度以及燃料流動速率。對于采用組合燃料（如煤，油，燃氣，炭，石灰石等）、并已知料流速率的鍋爐，可以十進制分數(shù)的形式計算每種燃料的相對重量。通過分析計算含有這些燃料的相對含量配比。通過計算完全燃燒時空氣的重量以及標準溫度和大氣壓(STP)下每磅燃料所耗空氣的量，可得到下述熱損失的值：l 干燥氣體熱損失的值l 由于燃料水分導致的熱損失l 由于氫燃料生成水分的熱損失l

18、 所提供的空氣中的水分導致的熱損失l 由于灰產(chǎn)生的熱損失l 未測量到的熱損失l 輻射損失l 由于一氧化碳導致的熱損失利用計算出的熱損失，可以得出鍋爐效率和過剩的空氣比并將其與設計效率進行比較，并給出結(jié)果偏差報告。鍋爐效率計算也可以按照ASME PTC 4.1所規(guī)定的輸入-輸出方法進行計算，即正平衡法。附錄2 Balancer算法說明Balancer(平衡器)算法能夠監(jiān)視多達16路下游信號算法，并且當所有下游信號要求被跟蹤時，執(zhí)行用戶自定義類型的跟蹤。Balancer算法的專有配置組態(tài)方式，能夠用于平衡下游的多路手/自動切換站的輸出。下游信號的具體數(shù)量由用戶設定。這個算法的輸出可以連接到任一個下游算法的IN1輸入，或者下游選擇器類算法的IN2輸入。配置Balancer算法時，可以指定哪些下游算法(可以在不同的控制頁，甚至不同的控制器)需要用到Balancer的輸出。Balancer算法會檢查反饋信號，以確認多少個下游算法在請求上游算法進行跟蹤(多少個算法處于手動模式)。接著，Balancer算法會運用這些信息，連同初始的控制類型信息，來計算發(fā)送到下游算法輸入端的模擬量輸出值。Balancer算法有兩種控制模式：Normal(一般模式)和MA Balancer(手自動站平衡器)，使用時必須為