Ovation系统生物质燃烧发电控制方案.doc

Ovation系统生物质燃烧发电控制方案艾默生过程控制有限公司公用事业部2010-9-201 项目背景生物质能是一种重要的可再生能源，利用农业、林业和工业废弃物，如秸秆、树皮等为原材料，采取直接燃烧或者气化方式进行发电。国家发改委已经将生物质直燃发电列为可再生能源产业发展的重要内容。作为节能环保和可再生能源发电的先锋企业，武汉凯迪集团计划在全国范围内建设一批30MW高温超高压生物质电厂项目。锅炉采用凯迪自主设计的1120t/h高温超高压循环流化床锅炉，汽机采用高温超高压汽轮机。计划第一批项目11台机组的投产顺序为湖北来风、湖北崇阳、湖北松滋、四川眉山(彭山)、湖南临澧、安徽南陵、广西北流、吉林蛟河、吉林汪清(后2个项目为230MW机组)，未来会增加到30个左右生物质发电项目。2 生物质直燃发电的控制特点与常规火电厂不同，生物质发电厂无论在工艺流程，还是运行特点都具有其特殊性，体现在如下几个方面：l 燃料种类多、热值和湿度变化大。生物质发电厂的燃料一般可以分为灰杆燃料和黄杆燃料两大类，热值各不相同，而且随着燃料水分的变化，热值也会有相应的改变。正常燃烧时，往往会将多种燃料混合进行掺烧；加之燃料收集和运输过程的不确定性和天气环境等因素，导致进入炉膛的燃料热值经常波动。因此，燃烧的自动控制必须考虑热值变动这个重要因素，燃烧控制回路必须具备足够的鲁棒性，才能够真正实现燃烧的自动调节。l 由于生物质发电的环保性，发电机组的负荷特性属于电网基本负荷，不参与调峰，即“机组能发多少，电网接收多少”。从锅炉和汽轮机发电机的整体来看，汽轮机和发电机部分的控制已经非常成熟，而且响应很快；发电负荷的多少取决于锅炉的燃烧情况和蒸发量。显然，控制策略的设计必须以“机跟炉”为基础来进行，汽轮机则根据锅炉侧的蒸汽流量和压力来自动调节发电出力。负荷控制由锅炉来完成，考虑到生物质燃料热值的频繁变化，锅炉控制应以蒸汽量为核心参量，通过蒸汽量来实现燃料量、风量和氧量的控制。l 生物质燃料的灰分中含有大量碱金属盐，这些成分导致其灰熔点较煤粉低，容易产生结焦和腐蚀。因此锅炉床温与床压应控制在合理的范围。显然，生物质直燃发电自动控制的关键技术主要集中在负荷控制、燃烧控制、给料控制等方面，而汽轮机控制、炉膛火焰监视和顺序控制策略则与常规火电机组类似。3 艾默生控制策略艾默生结合循环流化床和垃圾焚烧方面的应用经验和生物质直燃发电过程的特点，提出以蒸汽负荷作为主控方式，即：按照蒸汽负荷和燃料热值来计算燃料量，从而得出风量和过量氧量，达到燃烧控制的目的，生物质能直燃发电负荷控制系统原理图见图1.3.1 负荷控制回路生物质能电厂与常规火力发电厂最大的区别是燃料的不同,尤其是生物质燃料的水分含量和热值不稳定，进而导致给料方式, 燃烧控制,和负荷控制与常规火力发电厂有着较大区别. 通过操作员设定的负荷值经F(X)转换得到主蒸汽流量设定值，也可以直接输入主蒸汽流量设定值,由蒸汽热值计算模块计算蒸汽热值.根据生物质燃料低位发热量,计算生物质燃料热值需求值. 通过操作员设定的过剩空气设定值, 由基准空气流量计算模块计算出对应锅炉负荷下的基准空气流量值.此基准空气流量值作为风量控制的设定值,分别作为一次风,播料风,流化风的控制依据,在此环节中实际是完成根据锅炉的负荷按一定的比例分配形成一次风, 播料风,流化风。由生物质燃料热值需求值可求得所需生物质燃料的重量，作为床压控制回路的设定值。按生物质燃料比重可求得所需生物质燃料的体积，从而求得燃料给料机的基准速度，作给料机的转速设定值。一般给料机有多台组成，用平衡模块控制多台给料机，将负荷平均分配到投入自动的给料机上。从生物质能直燃发电负荷控制系统图中可以看出一系列的计算模块中最为关键的是生物质燃料的热值问题，由于燃料的性质已经决定了其热值不可在线测量的特性，在类似的工程实践中燃料热值的在线计算是切实可行的方案。负荷控制计算是将蒸汽量作为主控参量，利用热平衡原理，得出各个负荷下对应的蒸汽量、需要的燃料量和送风量以及烟气氧量。蒸汽量的计算公式为：式中：为期望的蒸汽流量，单位t/h；k为期望的负荷比例值；为满负荷蒸发量，单位t/h。燃料量的计算公式为：式中：B为燃料量，单位t/h；为锅炉出口蒸汽焓，单位kJ/kg；为锅炉给水焓，单位kJ/kg；为锅炉饱和水焓，单位kJ/kg；为锅炉排污率；为锅炉效率；为燃料收到基低位发热量，单位kJ/kg。显然，要从蒸汽量得出燃料量，必须要知道锅炉效率和燃料的低位发热量。锅炉效率可以利用艾默生公司的全局性能计算包中的锅炉效率计算模块或者直接在控制逻辑中根据锅炉设计参数曲线进行实时计算，详见附录1。送风量的计算，则可以通过单位标准热值燃料需要的风量，乘以过剩空气系数得出。根据负荷计算出送风量和给料量后，再根据实际主蒸汽流量和尾部氧量对计算值进行修正，使负荷保持稳定并使过量空气系数保持在较理想的状态，以使锅炉在较高效率下运行。由于实际情况中燃料热值经常在较大范围内变化，因此很难通过调节锅炉燃料量来保持负荷的稳定。本文选择利用蒸汽量反馈调节给风量，利用氧量反馈调节给料量。主蒸汽流量反馈有较长时间的滞后，是比较慢的调节回路，因此送风量调节需要有较大的时间常数，而氧量反馈相对较快，可以适应燃料热值经常性的波动。基于蒸汽流量的负荷控制可以确保维持理想的平均负荷，同时可以很大程度地消除由于燃料的随机波动引起的负荷波动。负荷控制和过量空气控制都是PID环节，在前馈环节和消除偏差方面有较强的适应性。3.2 热值计算生物质能直燃锅炉燃料热值的正确性，直接影响到锅炉燃料控制系统的自动投入率，为了得到较为正确的燃料热值，可以采用在线计算的方法获得。计算原理见图2计算原理如下:Qi1 = W x LHVLHV =(Qo1+Qo2+Qo3+Qo4+Qo5+Qo6+Qo7-Qi2-Qi3-Qi4-Qi5-Qi6-Qi7-Qi8) / W其中:1 Qo1:过热蒸汽输出热量;2 Qo2:排出烟气热量;3 Qo3:炉渣排出热量;4 Qo4:炉渣含未燃碳热量;5 Qo5:飞灰排出热量;6 Qo6:炉膛热损失;7 Qo7:锅炉疏水热量.8 Qi1:生物质燃料输入热量;9 Qi2: 生物质燃料热焓;10 Qi3:一次风输入热量;11 Qi4: 二次风输入热量;12 Qi5:流化风输入热量;13 Qi6:点火燃烧器输入热量;14 Qi7:点火燃烧器燃烧空气热量;15 Qi8:给水输入热量;其中: Qox, Qix可通过对应的热工计算公式得到从LHV计算过程可以看出,要获得正确的LHV,正确测量进入锅炉的生物质燃料的重量是一个重要环节.3.3 给料量控制锅炉的给料系统分为炉前中间料仓和6台单螺旋给料机组成，生物质燃料由转速可调的螺旋给料机送入炉膛。给料系统进行了裕量设计，给料量负荷会转换为6台给料机的转速设定值，通过Ovation的平衡器算法(Balancer，具体介绍参见附录2)分配到每台给料机上；如果个别给料机切手动，或者出现故障，平衡器算法能够迅速自动调整其他给料机的出力，保持锅炉负荷的基本稳定。同时，运行人员可以通过调整偏置在一定程度上调整每台给料机的出力。取料机、输料机和配料机的转速与给料机的转速成比例关系，能够保证每台给料机的中间料仓都存有充足的燃料，中间料仓的料位对转速有一定的修正作用。3.4风量控制锅炉采用平衡通风方式，配置1台一次风机，2台二次风机，2台引风机、1台播料增压风机和2台回料器高压流化风机。显然，风量控制系统的任务是保证为锅炉燃烧提供充足的燃烧空气量，并按照一定比例将空气分配为一次风、二次风、播料风、流化风等，保证炉膛燃烧的稳定。风量控制包括总风量控制和一，二次风比率的控制。总风量根据燃烧指令获得，并根据过剩空气系数校正，形成总风量指令。一，二次风比率的控制是通过调节风燃比，并受到床温控制回路的校正。(风量控制部分需要过工结合锅炉流程图提出简要原理)3.5床温控制床温的控制直接影响炉内的脱硫和脱硝，能有效去除SO2和NOX的最佳床温是850950。采用改变一，二次风比率的方法来调节床温。(床温控制部分是否可以添加流化床的已有经验)3.6床料高度控制床料高度不仅影响床温，而且对锅炉的经济运行影响很大，过高会使布风板阻力增大，并可能造成风道和风室振动；过低时负荷又带不上去。床料高度的控制是通过排渣量的调节来实现的。(床料高度控制部分是否可以添加流化床的已有经验)3.7主蒸汽温度控制锅炉烟道内，过热器受热面包含三个部分：低温过热器、屏式过热器和高温过热器，采用二级喷水减温方式，第一级喷水减温起粗调作用，第二级喷水减温作为细调，确保锅炉出口汽温为给定值，以满足运行要求。每个喷水减温回路都为串级控制。l 一级喷水减温主环控制的过程变量为低温过热器出口蒸汽温度，付环控制的过程变量为一级减温器出口蒸汽温度。主环控制的输出加上一个由蒸汽流量代表的机组负荷函数发生器所给出的前馈信号为付环的设定值。l 二级喷水减温主环控制的过程变量为高温过热器出口蒸汽温度，付环控制的过程变量为二级减温器出口蒸汽温度。主环控制的输出加上一个由蒸汽流量代表的机组负荷函数发生器所给出的前馈信号为付环的设定值，运行人员可根据机组的实际运行工况在上述基本设定值基础上手动进行偏置3.8机组运行方式由于生物质能直燃发电燃料的特殊性，发电机组的运行方式不能采用常规FCB锅炉的协调控制方式和锅炉跟踪方式，可行的运行方式是汽机跟踪方式。即锅炉负荷由燃料量决定，锅炉与汽机之间的能量平衡体现在主蒸汽压力上，由汽机来控制主蒸汽压力的方式可以保证锅炉燃烧的稳定性。另外生物质能直燃发电机组容量较小，电网对其负荷相应的能力无严格的要求。在控制系统的设计中只要求汽轮机控制系统的负荷调节方式具有负荷控制方式，阀位控制方式外，还要求具有主汽门入口压力控制方式。见图3.4总结在生物质发电方面，艾默生公司在国外有多个已投运案例，包括：位于纽约的Greenidge 4号机组(废木材燃料，108MW)，佛罗里达州的Cedar湾电厂(废木材燃料，285MW)。在循环流化床和垃圾焚烧发电方面，艾默生在国内外也有众多的案例，比如：宜昌东阳光300MW循环流化床和成都洛带垃圾焚烧电厂，机组主设备控制都由Ovation系统完成，我们的工程队伍有着丰富的设计、调试经验。我们相信能够与凯迪集团在锅炉设计与控制方面深入配合，提供我们在机组控制方面的国内外经验，将生物质发电的控制水平提升到一个新的高度。附录附录1 总体性能计算软件包及锅炉效率计算模块Global Performance Advisor（总体性能顾问软件包）可以为操作人员提供连续监视主要工厂设备性能并与期望的特性指标进行比较的能力。总体性能顾问软件包通过跟踪机组热效率偏差、设备性能偏差以及由此偏差所产生的成本损耗，来降低运行成本。操作人员可以根据顾问软件包的提示，采取正确的操作，减少运行损耗。总体性能顾问软件包为用户提供关键性能参数，以增进总体发电效率。总体性能顾问软件包包括多个客户化模块，以满足具体电厂的性能监视需求。针对具体机组类型，不同的模块组合将用于评估机组设备和过程性能。具体的模块包括：锅炉给水加热器模块、蒸汽轮机模块、凝汽器性能模块、汽轮机组热耗率模块、锅炉效率-反平衡模块、锅炉效率-正平衡模块、余热锅炉效率模块、省煤器性能模块、机组整体性能模块、给水泵性能模块、燃气轮机性能模块、冷却塔性能模块等。所有模块算法都预先封装，属于完全图形化组态，使用时仅需要设置相应的计算参数或者设备参数即可，不需要复杂的编程计算，非常易于学习和维护。锅炉性能模块-通过使用ASME PTC 4.1热损失方法进行锅炉性能计算。性能计算所需要的燃料分析数据，由工厂操作员利用现有控制系统界面进行输入，并且周期性地对其进行更新。锅炉性能模块动态测量烟道气体中的氧气成分，烟气和空气温度以及燃料流动速率。对于采用组合燃料（如煤，油，燃气，炭，石灰石等）、并已知料流速率的锅炉，可以十进制分数的形式计算每种燃料的相对重量。通过分析计算含有这些燃料的相对含量配比。通过计算完全燃烧时空气的重量以及标准温度和大气压(STP)下每磅燃料所耗空气的量，可得到下述热损失的值：l 干燥气体热损失的值l 由于燃料水分导致的热损失l 由于氢燃料生成水分的热损失l 所提供的空气中的水分导致的热损失l 由于灰产生的热损失l 未测量到的热损失l 辐射损失l 由于一氧化碳导致的热损失利用计算出的热损失，可以得出锅炉效率和过剩的空气比并将其与设计效率进行比较，并给出结果偏差报告。锅炉效率计算也可以按照ASME PTC 4.1所规定的输入-输出方法进行计算，即正平衡法。附录2 Balancer算法说明Balancer(平衡器)算法能够监视多达16路下游信号算法，并且当所有下游信号要求被跟踪时，执行用户自定义类型的跟踪。Balancer算法的专有配置组态方式，能够用于平衡下游的多路手/自动切换站的输出。下游信号的具体数量由用户设定。这个算法的输出可以连接到任一个下游算法的IN1输入，或者下游选择器类算法的IN2输入。配置Balancer算法时，可以指定哪些下游算法(可以在不同的控制页，甚至不同的控制器)需要用到Balancer的输出。Balancer算法会检查反馈信号，以确认多少个下游算法在请求上游算法进行跟踪(多少个算法处于手动模式)。接着，Balancer算法会运用这些信息，连同初始的控制类型信息，来计算发送到下游算法输入端的模拟量输出值。Balancer算法有两种控制模式：Normal(一般模式)和MA Balancer(手自动站平衡器)，使用时必须为这两种模式选定跟踪模式(最高、最低或者平均)。Normal(一般模式)如果所有的下游算法都请求上游算法进行跟踪，那么Balancer算法的输出值就等于下游算法返回的追踪量信号的最高值、或者最低值，或者平均值。输出值的质量等于这些返回的追踪量信号的最坏质量。Balancer算法和MASTATION(手/自动站)算法之间的下游算法的增益和偏置必须分别等于1.0和0.0，以便控制策略正确执行。如果任一个下游算法没有请求跟踪，则Balancer算法的输出值就等于输入值经过增益和偏置计算后的数值。输出值的质量等于输入值的质量。下游算法可以是任何一种标准算法。当进行跟踪信号的最高/最低/平均值切换到输入值的增益和偏置计算时，Balancer算法会自动实现内部跟踪。MA Balancer(手自动站平衡器)如果所有的下游MA算法都请求上游算法进行跟踪，那么Balancer算法的输出值就等于下游算法返回的追踪量信号的最高值、或者最低值，或者平均值。如果任一个下游算法没有请求跟踪，则Balancer算法的输出值就等于可以使所有下游算法的输出平均值等于输入值经过增益和偏置计算后的数值的输出值。输出值的质量等于这些返回的追踪量信号的最坏质量。下游算法必须是MASTATION(手/自动站)算法，而且增益和偏置必须分别等于1.0和0.0，以便控制策略正确执行。当进行跟踪信号的最高/最低/平均值切换到输入值的增益和偏置计算时，Balancer算法会自动实现内部跟踪。