生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化

李傳慶 胡善云 馬玉敏

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院電氣與儀控部，北京 100095)

0 引言

21世紀(jì)，人類面臨能源短缺和環(huán)境保護(hù)兩大核心問題［1］。大力發(fā)展可再生能源和清潔能源是解決上述問題的一種重要途徑。生物質(zhì)能作為一種可再生的清潔能源，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)集團(tuán)投資建設(shè)了多個(gè)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目。相對(duì)于常規(guī)的燃煤機(jī)組，生物質(zhì)發(fā)電站具有燃料可再生、區(qū)域性收集運(yùn)輸成本低、對(duì)環(huán)境污染小、項(xiàng)目投資少、建設(shè)周期快等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前，生物質(zhì)能已經(jīng)成為我國(guó)分布式能源發(fā)電的一個(gè)重要組成部分［2-4］。

生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在整個(gè)設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)管理方面與傳統(tǒng)火電站基本沒有區(qū)別［5］，但在生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與配置、儀控設(shè)備布置、技術(shù)接口實(shí)施以及監(jiān)控系統(tǒng)所執(zhí)行的一些具體功能方面，其與傳統(tǒng)火電站有著明顯的不同。

1 依托項(xiàng)目介紹

依托工程主要是新建單元機(jī)組，不考慮再擴(kuò)建，工程于2010年9月正式開工，于2011年9月正式并網(wǎng)發(fā)電。

1.1 主機(jī)設(shè)備及參數(shù)

主機(jī)設(shè)備主要包括秸桿鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，具體介紹如下。

①秸稈鍋爐，采用龍基生物發(fā)電工程有限公司產(chǎn)品，型式為高溫、高壓參數(shù)自然循環(huán)爐，單鍋筒、單爐膛、平衡通風(fēng)、室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、底部支撐結(jié)構(gòu)型鍋爐。鍋爐設(shè)備按燃燒硬質(zhì)秸稈燃料設(shè)計(jì)，并可摻燒≤10%的軟質(zhì)秸稈。

②汽輪機(jī)，采用青島捷能汽輪機(jī)股份有限公司產(chǎn)品，型式為高溫高壓、單缸、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。

③發(fā)電機(jī)，采用濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠產(chǎn)品，額定功率為30 MW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

1.2 主要工藝系統(tǒng)及特點(diǎn)

依托項(xiàng)目的主要工藝系統(tǒng)及特點(diǎn)介紹如下。

①給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)150 t/h的調(diào)速電動(dòng)給水泵，一臺(tái)運(yùn)行、一臺(tái)備用。

②凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)容量為100%的臥式電動(dòng)凝結(jié)水泵，一臺(tái)運(yùn)行、一臺(tái)備用。

③送風(fēng)系統(tǒng)由一臺(tái)為100%容量的送風(fēng)機(jī)和空預(yù)器組成，引風(fēng)系統(tǒng)由一臺(tái)為100%容量引風(fēng)機(jī)將煙氣吸入布袋除塵器凈化，經(jīng)煙囪排向大氣。

④化學(xué)除鹽水經(jīng)鍋爐補(bǔ)入凝汽器，可自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同工況、不同負(fù)荷所需的凝結(jié)水補(bǔ)水量，化學(xué)除鹽水亦可直接作為凝汽器啟動(dòng)補(bǔ)水。

⑤循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是具有冷水塔的二次循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)有兩臺(tái)50%容量的循環(huán)水泵，用于向凝汽器、冷油器、發(fā)電機(jī)空冷器等設(shè)備提供循環(huán)冷卻水。

⑥燃料經(jīng)過螺旋給料機(jī)由一條上料皮帶機(jī)運(yùn)送至位于爐前的秸稈料倉(cāng)中，通過取料螺旋，由爐前料倉(cāng)底取料分配至給料機(jī)送入爐膛燃燒。

2 廠區(qū)物項(xiàng)關(guān)系

廠區(qū)主要物項(xiàng)以及物項(xiàng)之間的關(guān)系流程圖如圖1所示。

圖1 廠區(qū)物項(xiàng)關(guān)系圖Fig.1 Relationships among plant items

3 主要子系統(tǒng)與劃分

全廠工藝系統(tǒng)由鍋爐側(cè)系統(tǒng)、汽輪機(jī)側(cè)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。

鍋爐側(cè)系統(tǒng)包括:①鍋爐本體及相關(guān)系統(tǒng)(含汽水、煙風(fēng)、點(diǎn)火、燃油、給料等子系統(tǒng));②除灰渣系統(tǒng);③壓縮空氣系統(tǒng);④上料系統(tǒng)。

汽輪機(jī)側(cè)系統(tǒng)包括:①汽輪機(jī)本體系統(tǒng);②汽輪機(jī)水系統(tǒng);③汽輪機(jī)汽系統(tǒng);④循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)。

輔助系統(tǒng)包括:①化學(xué)除鹽水處理系統(tǒng);②綜合水泵房系統(tǒng);③汽水取樣與加藥系統(tǒng);④采暖加熱系統(tǒng);⑤電氣控制系統(tǒng)。

4 控制方式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.1 控制方式

機(jī)組在就地人員巡回檢查的配合下，在集中控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟停、運(yùn)行工況監(jiān)視和調(diào)整以及事故處理等。機(jī)組采用一套分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)實(shí)現(xiàn)全廠主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備的參數(shù)檢測(cè)、報(bào)警、控制、聯(lián)鎖、保護(hù)、診斷、事故處理等功能。機(jī)組的運(yùn)行人員在主控室按“一主一輔”的定員配置。

機(jī)組采用爐、機(jī)、電、輔集中控制，全廠共設(shè)一個(gè)集中控制室。運(yùn)行人員在集控室內(nèi)通過DCS操作員站的LCD、鍵盤及鼠標(biāo)等，完成對(duì)機(jī)組的監(jiān)視、調(diào)整與控制。當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時(shí)，按照“故障安全”的原則，通過安裝在操作臺(tái)上的少數(shù)獨(dú)立于DCS的硬接線手操設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的緊急安全停機(jī)。化學(xué)除鹽水處理系統(tǒng)納入DCS，在輔助車間內(nèi)設(shè)置一臺(tái)DCS操作員站，用于系統(tǒng)調(diào)試和臨時(shí)檢修維護(hù)，正常運(yùn)行時(shí)的輔助車間按無(wú)人值守考慮。電氣控制系統(tǒng)使用與DCS相同的軟硬件，配置有一臺(tái)獨(dú)立的操作站，在集中控制室內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控。

4.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

生物質(zhì)發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基于上述廠區(qū)物項(xiàng)和工藝子系統(tǒng)進(jìn)行劃分，按照“工藝相關(guān)、區(qū)域相近”的總體原則，完成以 DCS為平臺(tái)的全廠信息采集、信息處理、信息集成和信息決策過程。生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the production monitoring and control network

整個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成具有以下特點(diǎn)。

①全廠設(shè)置一套DCS系統(tǒng)，完成全廠系統(tǒng)監(jiān)視與控制功能，不再單獨(dú)設(shè)置輔網(wǎng)程控系統(tǒng)。對(duì)于化水制氯系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)隨主設(shè)備廠家配套PLC系統(tǒng)，通過RS-485通信方式接入DCS系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

②在距離主廠房較遠(yuǎn)、工藝設(shè)備分布較為集中的區(qū)域，采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)，如化水除鹽水處理系統(tǒng)設(shè)置一套遠(yuǎn)程I/O站，綜合水泵房?jī)?nèi)設(shè)置遠(yuǎn)程I/O柜。

③汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽機(jī)本體監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)(TSI)、汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)均隨主機(jī)設(shè)備成套供貨。上述系統(tǒng)與DCS的信息交換采用“一對(duì)一”的硬接線方式完成，其中DEH配置有兩套獨(dú)立的上位機(jī)，分別位于集控室和工程師室內(nèi)。

5 集控室與電子設(shè)備間布置

考慮到工程廠區(qū)面積較小，主廠房區(qū)域內(nèi)儀控設(shè)備采用了集中布置方案。汽輪機(jī)主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層上布置了集控室、工程師室、電子設(shè)備間［6］;運(yùn)轉(zhuǎn)層下方布置有相應(yīng)的電纜橋架通向鍋爐、汽機(jī)以及外圍的輔助車間。此外，在化水處理車間布置了一個(gè)儀控電子設(shè)備間、一套DCS遠(yuǎn)程站(包括DCS處理器機(jī)柜、卡件柜、電源柜、操作員站等);綜合水泵房采用了遠(yuǎn)程I/O技術(shù)，泵房車間內(nèi)布置了DCS遠(yuǎn)程I/O柜。

6 主要技術(shù)性問題與分析

6.1 爐膛溫度測(cè)量裝置選型與比較

爐膛溫度采用進(jìn)口紅外溫度測(cè)量裝置，爐膛溫度范圍在200～1500℃之間。據(jù)調(diào)查，目前，溫度范圍僅有200～1200℃和368～1600℃兩種選擇。考慮到368～1600℃紅外測(cè)溫儀對(duì)爐膛低溫段的測(cè)量存在著較大盲區(qū)，而計(jì)劃選用200～1200℃，通過與鍋爐廠的進(jìn)一步確認(rèn)，爐膛內(nèi)正常工作溫度在800℃左右，上限不會(huì)超過1200℃。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)反饋認(rèn)為，紅外測(cè)溫裝置屬于非接觸式測(cè)溫裝置，安裝調(diào)試和后續(xù)維護(hù)比較麻煩，且價(jià)格較高，建議采用熱電偶來代替。但設(shè)計(jì)采用紅外測(cè)溫更具優(yōu)勢(shì)，其原因如下:生物質(zhì)在整個(gè)爐膛中燃燒熱場(chǎng)分布較為分散，而采用非接觸式的測(cè)溫能夠測(cè)量到爐膛中心區(qū)域的最高溫度，無(wú)須補(bǔ)償;而熱電偶接觸式測(cè)量方式，測(cè)量溫度與爐膛中心區(qū)域的溫度存在較大偏差。從經(jīng)濟(jì)性比較來看，測(cè)量溫度在0～1200℃時(shí)，熱電偶選擇S型。這類熱電偶價(jià)格昂貴，與非接觸紅外測(cè)溫裝置在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)也并不明顯。

6.2 爐前料倉(cāng)料位監(jiān)視問題

燃料經(jīng)過皮帶輸送機(jī)進(jìn)入爐前的料倉(cāng)，給料機(jī)將燃料送入爐膛，燃料在料倉(cāng)中的下落過程非常容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，不及時(shí)處理將造成爐膛燃料斷供以及料倉(cāng)燃料堆積，致使皮帶輸送機(jī)停運(yùn)。燃料對(duì)于爐前料倉(cāng)料位是一個(gè)重要的監(jiān)視參數(shù)，但截止目前一直缺乏有效的監(jiān)視手段。

在實(shí)際運(yùn)行中，常規(guī)的在料倉(cāng)設(shè)置料位開關(guān)的效果并不理想，經(jīng)常會(huì)發(fā)生誤報(bào)和漏報(bào)情況，無(wú)法真實(shí)反映料倉(cāng)內(nèi)燃料流動(dòng)情況，所以爐前料倉(cāng)料位監(jiān)視手段有待改進(jìn)。

6.3 鍋爐緊急疏水閥控制問題

在汽包與緊急疏水?dāng)U容器之間的同一根管道上設(shè)置了兩個(gè)電動(dòng)門:電動(dòng)疏水調(diào)節(jié)閥和緊急電動(dòng)疏水閘閥。這種設(shè)置存在的問題是:通過在集中控制室內(nèi)設(shè)置的硬手操按鈕不一定能夠完全實(shí)現(xiàn)汽包緊急放水功能，因?yàn)榫o急疏水還取決于另一個(gè)電動(dòng)疏水調(diào)節(jié)閥狀態(tài)。

目前，采用通過硬手操按鈕打開緊急疏水閥，同時(shí)通過DCS聯(lián)鎖強(qiáng)制電動(dòng)疏水調(diào)節(jié)閥至全開位。筆者建議今后可以考慮直接取消兩個(gè)電動(dòng)疏水閥，改為一個(gè)帶有快開功能的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

6.4 機(jī)組協(xié)調(diào)及相關(guān)問題

生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組容量較小，機(jī)組均不參與區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度，其根據(jù)機(jī)組實(shí)際能力發(fā)電。機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行在機(jī)-跟-爐模式或機(jī)-爐均為手動(dòng)模式，導(dǎo)致機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無(wú)法投入自動(dòng)運(yùn)行的原因在于燃燒控制系統(tǒng)與蒸汽溫度控制系統(tǒng)的自動(dòng)投入率低。然而，關(guān)鍵控制回路自動(dòng)投入率低與工藝系統(tǒng)特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)的測(cè)量密切相關(guān)。首先，即使能夠準(zhǔn)確測(cè)量送料量，但由于使用的燃料種類較多，燃料的發(fā)熱量不同，導(dǎo)致對(duì)送風(fēng)量需求量變化，而送風(fēng)量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)重要影響因素;其次，由于產(chǎn)生的熱量的波動(dòng)會(huì)影響蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路，而這種熱量波動(dòng)沒有有效的測(cè)量手段和對(duì)蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)牟呗裕瑢?dǎo)致蒸汽溫度控制無(wú)法投入自動(dòng)。

綜上所述，一次參數(shù)的無(wú)法測(cè)量嚴(yán)重影響了整體熱工自動(dòng)化水平的提升。

6.5 機(jī)組保護(hù)相關(guān)問題

生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組在跳閘保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上存在與現(xiàn)有火電機(jī)組相關(guān)跳閘保護(hù)規(guī)范要求的不同之處，具體如下。

①爐膛壓力設(shè)定采用壓力變送器而非壓力開關(guān)，究其原因主要如下:對(duì)于此類鍋爐，由于爐排的振動(dòng)而產(chǎn)生的周期性沖擊壓力導(dǎo)致爐膛壓力的變動(dòng)范圍較大，使得壓力開關(guān)保護(hù)經(jīng)常性地動(dòng)作，爐膛壓力保護(hù)回路無(wú)法投入自動(dòng)。而采用壓力變送器進(jìn)入DCS對(duì)壓力測(cè)量的定值調(diào)整以及延遲、濾波都比較方便，更具靈活性。

②按照相關(guān)技術(shù)規(guī)定，鍋爐主燃料跳閘后，應(yīng)將送引風(fēng)機(jī)保持原位，并保持爐膛內(nèi)通風(fēng)，防止內(nèi)爆。而生物質(zhì)機(jī)組在完成相應(yīng)鍋爐操作后，關(guān)閉送引風(fēng)機(jī)，因?yàn)槿剂显跔t膛內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)爆事故，再次啟動(dòng)后爐膛內(nèi)燃料會(huì)得到再次利用，有利于提高燃料利用率［7］。

③機(jī)組的爐、機(jī)保護(hù)之間，除因汽包水位高停爐、停機(jī)外(防止因汽包水位過高導(dǎo)致汽輪機(jī)進(jìn)水事故發(fā)生)，其他保護(hù)項(xiàng)目爐、機(jī)之間沒有聯(lián)鎖關(guān)系，即停機(jī)不停爐、停爐不停機(jī)。

上述問題反映出直接將火電機(jī)組熱工保護(hù)相應(yīng)規(guī)程移植到生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組是不合適的，建議結(jié)合生物質(zhì)電站工藝自身特點(diǎn)，制定本行業(yè)相關(guān)約束性和指導(dǎo)性規(guī)程規(guī)范。

7 未來展望

通過分析常規(guī)火電站的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可知，無(wú)論從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是從技術(shù)研發(fā)角度都還存在改進(jìn)的必要和可能，主要包括以下幾個(gè)方面。

①可以試點(diǎn)在輔助系統(tǒng)區(qū)域應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備在控制室的集中管控。此類電站的輔助系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單、輔助系統(tǒng)規(guī)模較小、區(qū)域分布較為集中、與機(jī)組運(yùn)行非直接相關(guān)，且現(xiàn)場(chǎng)大量?jī)x表已經(jīng)采用智能化儀表設(shè)備，具備了使用現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)前提條件。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用將是實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一項(xiàng)重要標(biāo)志。

②熱工自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提升。現(xiàn)有技術(shù)基本滿足了運(yùn)行人員需求，但與達(dá)到工程設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)之間還存在較大差距，主要表現(xiàn)為:一方面，部分一次參數(shù)無(wú)法測(cè)量或無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，以至于一些重要的模擬量調(diào)節(jié)回路自動(dòng)投入率低，如燃燒控制系統(tǒng)、蒸汽溫度控制系統(tǒng)等;另一方面，控制系統(tǒng)的功能不完善以及功能與工藝系統(tǒng)的特性不匹配等。

另外，從信息角度考慮，依托DCS平臺(tái)，采集和處理“海量數(shù)據(jù)”，這些數(shù)據(jù)從底層至人機(jī)接口層供顯示、報(bào)警和決策，缺少數(shù)據(jù)再利用和數(shù)據(jù)深層次信息挖掘，容易造成監(jiān)控系統(tǒng)采集與再處理兩類數(shù)據(jù)流的嚴(yán)重不平衡。這也是自動(dòng)化水平低的又一表現(xiàn)形式。

③機(jī)組的控制優(yōu)化尤其是鍋爐燃燒控制優(yōu)化存在著較大的潛力，同時(shí)難度也非常大。控制優(yōu)化是以提高機(jī)組運(yùn)行效率、減少單位能源消耗以及降低污染物排放為直接目標(biāo)，以DCS平臺(tái)為支撐，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用先進(jìn)控制、智能控制方法完成單一目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化過程。

機(jī)組的控制優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)工程［8-10］，與機(jī)組整體自動(dòng)化水平是密切相關(guān)的，在機(jī)組“底層”自動(dòng)化水平較低的情況下，無(wú)論多么優(yōu)秀的控制優(yōu)化方案都難以在實(shí)際工程中實(shí)施，只能是“紙上談兵”，即只限于控制優(yōu)化的理論階段。

④充分發(fā)揮信息管理系統(tǒng)［11］(management information system，MIS)平臺(tái)對(duì)全廠綜合性信息管理的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合生物質(zhì)發(fā)電自身特點(diǎn)，開發(fā)與之相匹配的相關(guān)功能模塊，例如，對(duì)生物質(zhì)燃料的收購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、消耗過程的供應(yīng)鏈管理。由于燃料分布于電廠周邊地區(qū)而且種類較多，在收購(gòu)、運(yùn)輸方面都比較困難，作為可再生資源受季節(jié)性影響，燃料供給具有周期性，而且料廠存儲(chǔ)空間有限，燃料大量堆積會(huì)造成倉(cāng)儲(chǔ)成本提高，如何將燃料控制在既能保證機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行對(duì)燃料量的需求，又能保證倉(cāng)儲(chǔ)在合理范圍內(nèi)是仍需研究的問題。另外，作為一類典型的分布式發(fā)電項(xiàng)目，MIS在不同廠址間的生產(chǎn)調(diào)度與管理信息在集團(tuán)總部的信息共享方面也具有重要現(xiàn)實(shí)意義，有助于完成對(duì)不同廠址的各項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)、分析、決策以及資源的節(jié)約與優(yōu)化配置。

8 結(jié)束語(yǔ)

生物發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過近一年時(shí)間的運(yùn)行表明［6-11］:生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍廣、系統(tǒng)配置合理、關(guān)鍵參數(shù)可測(cè)、安全保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行有效，基本滿足了運(yùn)行人員對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一般性要求。同時(shí)，系統(tǒng)在運(yùn)行期間也暴露了一些技術(shù)性問題。總的來說，生物發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的熱工自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提高，整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制以及信息化功能的深入開發(fā)存在著巨大潛力。

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