一、生物質(zhì)直燃發(fā)電的基本原理

生物質(zhì)能發(fā)電主要有兩條工藝技術(shù)路線，即氣化發(fā)電和直接燃燒發(fā)電，其系統(tǒng)構(gòu)成和工藝過(guò)程有很大的差別。氣化發(fā)電由于工藝過(guò)程復(fù)雜,難以適應(yīng)大規(guī)模應(yīng)用，主要用于較小規(guī)模的發(fā)電項(xiàng)目。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電則是目前實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用唯一現(xiàn)實(shí)的途徑，也是本文討論的重點(diǎn)。

生物質(zhì)直燃發(fā)電的基本原理是由生物質(zhì)鍋爐利用生物質(zhì)直接燃燒后的熱能產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，在原理上與燃煤鍋爐火力發(fā)電十分類(lèi)似。通常燃燒發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成包括生物質(zhì)原料收集系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、熱利用系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)。

生物質(zhì)燃燒電廠的流程圖如圖1所示，生物質(zhì)原料從附近各個(gè)收集點(diǎn)運(yùn)送至電站，經(jīng)預(yù)處理(破碎、分選、壓實(shí))后存放到原料存貯倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)容積至少保證可以存放5天的發(fā)電原料量;然后由原料輸送裝置將預(yù)處理的生物質(zhì)送入鍋爐燃燒，通過(guò)鍋爐換熱，利用生物質(zhì)燃燒后的熱能把鍋爐給水轉(zhuǎn)化為蒸汽，為汽輪發(fā)電機(jī)組提供汽源進(jìn)行發(fā)電。生物質(zhì)燃燒后的灰渣落入出灰裝置，由輸灰機(jī)送到灰坑，進(jìn)行灰渣處理。煙氣經(jīng)過(guò)處理系統(tǒng)后由煙囪排放入大氣中，其蒸汽發(fā)電部分與常規(guī)的燃煤電廠的蒸汽發(fā)電部分基本相同。

 

二、鍋爐設(shè)備簡(jiǎn)介

本文以內(nèi)蒙古西方能源有限公司生物質(zhì)熱電(2×12MW)新建工程為例，介紹生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐的燃燒控制。

該生物質(zhì)熱電廠鍋爐型式為單爐排橫梁式正轉(zhuǎn)鏈條角管式鍋爐，全膜式壁結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣。

鍋爐采用單鍋筒，橫向布置于爐頂前部;爐膛水冷壁分成4個(gè)流程，分別為前墻水冷壁、兩側(cè)前水冷壁、兩側(cè)后水冷壁、隔墻水冷壁。爐膛出口的水平煙道中和尾部煙道中，將過(guò)熱器分成三級(jí)，第一級(jí)為高溫過(guò)熱器，第二級(jí)第三級(jí)為低溫過(guò)熱器。減溫型式為噴水減溫。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預(yù)熱器。鍋爐排渣分別經(jīng)設(shè)在每臺(tái)鍋爐兩側(cè)的冷渣機(jī)冷卻后連續(xù)排至渣斗，定時(shí)排入設(shè)在渣斗下的倉(cāng)泵或發(fā)送器，通過(guò)正壓氣力輸送系統(tǒng)輸送至灰渣倉(cāng)。

上料及給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)是生物質(zhì)直燃發(fā)電廠與常規(guī)火電廠在工藝系統(tǒng)上的最大區(qū)別。本工程鍋爐采用木材點(diǎn)火。鍋爐給料分為上下兩層爐前給料，上層給料量約為鍋爐所需燃料量的2/3，下層給料量約為鍋爐所需燃料量的1/3。本工程一臺(tái)爐設(shè)置1個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)，9臺(tái)螺旋給料機(jī)，上層6臺(tái)，下層3臺(tái)，每臺(tái)出力為1～3t/h。鍋爐主要參數(shù)及燃料成分如表1、表2所示。

 

 

三、生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐燃燒控制。

3.1 燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為了保證機(jī)組滿足負(fù)荷需求，燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是為達(dá)到此目的提供合適的燃料，維持鍋爐安全經(jīng)濟(jì)燃燒。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機(jī)理基于直接能量平衡(DEB)控制。鍋爐燃料量的測(cè)量采用傳統(tǒng)的熱量信號(hào)測(cè)量方法。鍋爐側(cè)主汽壓力調(diào)節(jié)器經(jīng)多平衡輸出環(huán)節(jié)去控制爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)，通過(guò)控制9臺(tái)爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)的開(kāi)度維持所需的沙柳料的進(jìn)料量，沙柳料進(jìn)料量的控制實(shí)現(xiàn)自平衡無(wú)擾手動(dòng)/自動(dòng)切換，每臺(tái)爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)設(shè)有M/A控制站，確保系統(tǒng)安全可靠。

當(dāng)爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)的M/A站處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該臺(tái)爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)的開(kāi)度反饋到多輸出平衡環(huán)節(jié)，使該臺(tái)爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)經(jīng)手動(dòng)控制后，總的反饋信號(hào)最終等于爐前給料變頻電動(dòng)機(jī)螺旋輸送機(jī)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)自平衡無(wú)擾手/自動(dòng)切換。

燃料和風(fēng)量之間設(shè)有交叉控制，增負(fù)荷先增風(fēng)再增燃料，減負(fù)荷先減燃料后減風(fēng)量。

3.2 送風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是供給爐膛內(nèi)燃燒的燃料以合適的風(fēng)量，保證燃料的合理經(jīng)濟(jì)燃燒。其控制機(jī)理是通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，改變進(jìn)入爐內(nèi)的總風(fēng)量。

3.2.1 風(fēng)量信號(hào)的測(cè)量與處理

在甲、乙爐膛前風(fēng)道上裝設(shè)風(fēng)量測(cè)量裝置，經(jīng)溫度補(bǔ)償計(jì)算后作為進(jìn)入鍋爐的總風(fēng)量信號(hào)。

3.2.2 煙氣氧量信號(hào)

氧量信號(hào)采用雙支氧化鋯進(jìn)行測(cè)量。煙氣中的氧量客觀地反映了鍋爐燃料量和空氣量之間的匹配平衡關(guān)系。由于進(jìn)入爐內(nèi)風(fēng)量變化到鍋爐尾部氧量信號(hào)的反映需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且是一個(gè)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，故需對(duì)氧量的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，系統(tǒng)中是以積分器實(shí)現(xiàn)其氧量信號(hào)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

煙氣中含氧量的大小與負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷變化時(shí)，最佳含氧量也隨之變化，故系統(tǒng)中取代表蒸汽負(fù)荷經(jīng)過(guò)函數(shù) 修正的值作為氧量調(diào)節(jié)的定值，經(jīng)氧量調(diào)節(jié)器始終維持煙氣氧量為最佳值，從而有效地保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 風(fēng)量控制

(1)一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的一次風(fēng)量指令作為一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，與一次風(fēng)量的測(cè)量值一起送入PID中進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果去調(diào)節(jié)一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)，以調(diào)節(jié)送入爐膛的一次風(fēng)量。一次風(fēng)量測(cè)量值是在考慮了溫度修正和壓力修正后才送入PID中進(jìn)行運(yùn)算的。一次風(fēng)量指令在進(jìn)行處理時(shí)，需要考慮燃料的特性及負(fù)荷變化情況。燃料特性不同時(shí)，助燃空氣量會(huì)有所不同。同時(shí)，負(fù)荷變化時(shí)一次風(fēng)量占總風(fēng)量的比例也會(huì)發(fā)生變化。由于一次風(fēng)對(duì)鍋爐床溫具有調(diào)節(jié)作用，故在構(gòu)造一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)也考慮了床溫修正。如果床溫偏高，在一定范圍內(nèi)可減少一次風(fēng)量;如果床溫偏低，在一定范圍內(nèi)可增大一次風(fēng)量。由于床溫主要靠燃料供給量及返料來(lái)調(diào)節(jié)，一次風(fēng)量不作為調(diào)節(jié)床溫的主要手段，故在一次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中床溫信號(hào)僅作為修正信號(hào)。

(2)二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。煙氣含氧量測(cè)量值與給定值一起送入主調(diào)中進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與總風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出的二次風(fēng)量指令一起進(jìn)行函數(shù)處理后作為副調(diào)的給定值，與二次風(fēng)量測(cè)量值進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果分為兩路作為上部二次風(fēng)流量和下部二次風(fēng)流量的調(diào)節(jié)指令。由于燃料量變化到煙氣含氧量變化需要一段時(shí)間，故在二次風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中直接對(duì)燃料量進(jìn)行處理，把其結(jié)果作為前饋信號(hào)加到調(diào)節(jié)輸出中，以提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。在對(duì)給料量進(jìn)行處理的 函數(shù)中，考慮了負(fù)荷指令及一次風(fēng)量等因素，其運(yùn)算結(jié)果直接疊加到PID運(yùn)算的輸出上。

3.2.4 引風(fēng)(爐膛負(fù)壓)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

爐膛壓力控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，與送風(fēng)系統(tǒng)相配合，使鍋爐壓力保持在允許范圍內(nèi)。

為提高系統(tǒng)的可靠性，爐膛壓力采用三個(gè)變送器優(yōu)選值。為控制小幅度高頻偏差信號(hào)引起引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)的頻繁變化調(diào)節(jié)，模塊設(shè)有死區(qū)限值器進(jìn)行處理。為改善爐膛壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)中比例引入送風(fēng)量指令信號(hào)進(jìn)行前饋控制。此外，在發(fā)生燃料跳閘，由于滅火爐膛壓力此時(shí)將有大幅度的下降，容易引發(fā)內(nèi)爆事故，為了防止由此引起的爐膛內(nèi)爆事故的發(fā)生，控制系統(tǒng)中除設(shè)計(jì)了與送風(fēng)指令成比例的前饋信號(hào)，通過(guò)加法器控制引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)，此外，還考慮了較為有效的超弛控制策略。當(dāng)發(fā)生鍋爐燃料跳閘時(shí)，斜坡發(fā)生器立即投入運(yùn)行，產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的上升斜坡信號(hào)，通過(guò)加法器快速降低引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少抽出的煙氣量，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)時(shí)間后，斜坡信號(hào)自動(dòng)下降，直到為零，使引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)恢復(fù)正常運(yùn)行。為防止?fàn)t膛壓力變化過(guò)大，系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了方向閉鎖控制，當(dāng)爐膛壓力過(guò)高時(shí)，自動(dòng)閉鎖引風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)的進(jìn)一步關(guān)小。當(dāng)爐膛壓力過(guò)低時(shí)，自動(dòng)閉鎖引風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)門(mén)進(jìn)一步開(kāi)大。

當(dāng)爐膛壓力變送器故障或風(fēng)門(mén)位置偏大時(shí)，發(fā)信號(hào)報(bào)警。

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均處于非自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)切跟蹤，相應(yīng)地切送風(fēng)自動(dòng)控制為跟蹤狀態(tài)。

當(dāng)下列條件滿足時(shí)，系統(tǒng)可投入自動(dòng)。

1)爐膛負(fù)壓偏差不大

2)輸出端無(wú)故障

3)輸入端無(wú)故障

4)無(wú)MFT

3.3 報(bào)警和聯(lián)鎖

(1)當(dāng)三個(gè)爐膛壓力變送器中有一個(gè)故障時(shí)，自動(dòng)切換為二選一，并發(fā)出報(bào)警;一個(gè)以上故障時(shí)，系統(tǒng)不允許投自動(dòng)并發(fā)出報(bào)警。

(2)爐膛的防內(nèi)爆外爆控制一直是大型鍋爐設(shè)計(jì)控制方案時(shí)需要考慮的問(wèn)題，控制系統(tǒng)應(yīng)作周密的考慮。當(dāng)鍋爐發(fā)生MFT時(shí)，爐內(nèi)壓力將會(huì)產(chǎn)生瞬間的急劇降落，此時(shí)通過(guò)設(shè)定的函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)斜坡信號(hào)，去降低引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)，經(jīng)預(yù)定的時(shí)間后再恢復(fù)正常的控制。

(3)在一定工況下，控制系統(tǒng)能直接閉鎖引風(fēng)機(jī)控制。爐膛壓力低至極限時(shí)，閉鎖引風(fēng)量增大;爐膛壓力高至定值時(shí)，閉鎖引風(fēng)量減小。

(4)引風(fēng)機(jī)跳閘，保持檔板位置不變。

(5)MFT動(dòng)作時(shí)，引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度關(guān)小，并切手動(dòng)。

(6)吸風(fēng)自動(dòng)切手動(dòng)時(shí)，送風(fēng)自動(dòng)退出至手動(dòng)。