CN102927588B

CN102927588B - 锅炉生物质燃料精准控制方法

Info

Publication number: CN102927588B
Application number: CN201210451777.0A
Authority: CN
Inventors: 谢先锋; 郑韬; 张莉; 杜俊; 王晓军
Original assignee: WUHAN KAIDI ELECTRIC POWER ENGINEERING CO LTD
Current assignee: Wuhan Fengying Energy Technology Engineering Co ltd
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: CN102927588A

Abstract

本发明涉及锅炉生物质燃料精准控制方法，利用锅炉生物质燃料控制系统对生物质燃料的燃料量进行调节控制；锅炉生物质燃料控制系统主要包括前端配料模块，中端检测模块以及后端DCS系统；上料时，各取料机根据指令取料并把测得的实际燃料量反馈到前端配料模块，然后根据实际与计算值修正取料机的取料速度和取料量以达到设定的燃料配比；在燃料进入炉膛前，中端检测模块中分别检测燃料重量和燃料含水量，依据燃料重量和含水量检测结果计算燃料热值和实际燃料量，并根据计算结果控制给料机的转速从而控制燃料量。达到对生物质电厂燃料燃烧的DCS自动精准控制，实现生物质电厂经济效益和人身安全提高的目的。

Description

锅炉生物质燃料精准控制方法

技术领域

本发明属于生物质燃料发电技术领域，具体涉及一种生物质发电厂的锅炉控制方法。

背景技术

随着国家对新型能源大力推广，生物质燃料发电技术以其节能环保，将在国家新能源开发发展战略中占驻足轻重的作用。虽然目前分布式控制系统（简称DCS）在火力发电行业中已经成熟利用，燃煤机组和循环硫化床（烧劣质煤和煤矸石）机组的DCS燃料控制都十分的成熟可靠；而生物质燃料发电厂中燃料的DCS还没有成功的案例，纠其原因是生物质燃料随季节、时间、地域等因素引起的生物质燃料多样性和随天气、人为因素引起的燃料含水量变化造成的。由此带来了生物质发电锅炉其他自动控制系统也无法投入，只能依靠运行人员的在线实时操作。最终会造成由于燃料问题引起的锅炉主蒸汽超压、超温等若干问题，带来电厂负荷变化过大、设备损耗大、运行人员增加、燃料的无形浪费等问题，更严重的可能会带来突然跳机等危害电厂安全运行、运行人员安全的事故，造成发电厂经济效益上、运行人员安全上的重大损失，增加了生物质发电企业的运行成本。

目前，大多数火力发电厂使用的燃料控制系统控制流程图如附图1所示，在该流程图中：Y表示机组负荷及主蒸汽压力等被控量、N表示各种负荷指令、Mb表示静态设计燃料量、Db表示锅炉燃料指令、Rb表示负荷变化过程中锅炉燃料量前馈调整信号、△P表示主蒸汽压力的偏差、Rp表示主蒸汽偏差PID调节量；整个控制过程为：Db指令与锅炉总燃料量信号Ff在燃料量调节器PID中进行比较及运算，然后去控制各给料量和炉膛风量，从而使Ff跟随Db。图1中，总的燃料量Ff是由给料机测得的实际给料量Fc乘以燃料系数R，再加上经过热值折算后的轻油燃料量Fl。即：Fc=(Ff-F1)/R；

式中的R为手动设定值，用于异常情况下对机组控制系统的人工干预。它能直接改变系统的实际燃料量Fc，并对系统其它参数施加影响。因此它对整个控制系统的品质有着至关重要的作用。

例如，在R=1.0时，如果燃料的实际燃值比设计燃值高的时候，则相当于在多投入了燃料。此部分多余的热量就会通过主汽压力正偏差和超温表现出来，然后再由压力调节回路逐步消除偏差。而对于直吹式锅炉，压力调节回路的时间惯性较大，因而它是一种滞后的、波动的作用过程。而且在参数协调控制系统中，为了防止系统出现大幅振荡，一般在变负荷时将压力调节回路中的积分作用（I）设置的偏弱，调节器的作用主要为比例作用（P）。所以在大幅度变负荷过程的后期，主汽压力及主汽温度往往存在较长时间的、较大幅度的偏差。反之，如果燃料值为设计燃料值时，而R值设置不合理，则也会造成上述影响。

上述两种情况对机组的安全运行是不利的。在机组升至满负荷时，由于汽轮机发电机组负荷上限的限制，多余的热能会使主汽压进一步上升，可能会引起安全门动作，甚至跳机。主蒸汽超压的同时也会引起主蒸汽超温。当然也可以通过修正R的值来调整系统，但其方法同样是滞后、被动的。而且各运行人员对系数的调整幅度和时机的把握也是因人而异，因而存在着不确定性，降低了控制系统的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对生物质燃料的多样性问题及现有火电厂燃烧控制系统无法适用的问题，提供一种适于生物质发电的锅炉生物质燃料精准控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

锅炉生物质燃料精准控制方法，其特征在于：利用锅炉生物质燃料控制DSC系统对生物质燃料的燃料量进行调节；所述的锅炉生物质燃料控制DSC系统主要包括前端配料模块，中端检测模块以及后端DCS系统；上料时，前端配料模块根据设定燃料配比取料并把测得的实际燃料量反馈到前端配料模块，前端配料模块根据此反馈信号和指令取料信号进行偏差计算，然后根据计算值修正取料速度和取料量以达到设定燃料配比；同时，前端配料模块将实时燃料配比传送至后端DCS系统；在燃料进入炉膛前，中端检测模块中分别检测燃料重量和含水量，后端DSC系统依据重量和含水量检测结果计算等效燃料热值和实际燃料量，并根据计算结果控制给料机的转速从而控制燃料量；燃料燃烧时，后端DSC系统通过比较实际给料量和指令给料量，结合锅炉运行参数调节各燃料供给量以及炉膛风量。

按上述技术方案，后端DCS系统进行燃料量调节的具体流程为：根据设定热值计算指令锅炉燃料量Db，将指令锅炉给料量Db与锅炉总燃料量Ff在燃料量调节器PID中进行比较，然后控制给料量和炉膛风量，使Ff跟随Db；

锅炉总燃料量Ff＝Fc×V+F1；

各参数为：锅炉实际给燃料量Fc、热值系数V、经过热值折算后的轻油燃料量Fl；

锅炉实际给燃料量Fc＝FCx(1－RH%)；其中，FC：燃料称重给料量；RH%：燃料量含水百分值；

热值系数V=V1+B；V1为利用二价惯性环节F(t)对V0的动态值进行滤波及抑制后的燃料等效相对热值；

二阶惯性环节F(t)所对应的传递函数为：W(s)=k/(s²+2ω_nεs+ω_n ²)；上式中s为拉氏变换运算符号；k为常数；ω_n为二阶环节无阻尼自然震荡频率；ε为二阶环节无阻尼系数（ε≧1）；二阶惯性环节的动态过程持续时间参数t_s=4[ξ+(ξ²-1)^1/2]/ω_n，系统中F(t)的时间参数根据现场实施试验结果设定；

B为异常情况下进行干预的手动偏置系数；

燃料等效相对热值系数V0=C1/C2，其中，C2=Fc表示实际给料量；C1=Mb+Rb-Fl表示静态设计燃料量加上变负荷燃料量前馈信号再减去轻油燃料量。

按上述技术方案，所述锅炉生物质燃料控制DSC系统中，前端配料模块设置取料机，取料机上设置称重仪；中端检测模块包括含水量检测装置和设置在给料机上的重量检测装置，给料机与锅炉进料口对接；取料机和给料机分别设置速度检测装置；后端DCS系统主要包括电源模块、DPU控制器、输入/输出模块、通讯模块、人机界面；称重仪和重量检测装置的输出端与后端DCS系统输入/输出模块信号连接，各速度检测装置分别与后端DCS系统输入/输出模块信号连接；含水量检测装置输出端与后端DCS系统输入/输出模块信号连接。

按上述技术方案，所述重量检测装置为称重给料机，所述含水量检测装置为微波水分析仪。

按上述技术方案，前端配料模块的通讯模块和后端DCS系统通讯模块之间双向信号连接。

由此，本发明的锅炉生物质燃料精准控制系统从生物质电厂前端燃料输送-中端燃料检测-后端燃料进入炉膛燃烧控制三个方面分析处理，达到对生物质电厂燃料燃烧的DCS自动精准控制，实现生物质电厂经济效益和人身安全上提高的目的。

附图说明

图1为现有技术中火力发电厂使用的燃料控制系统控制流程图；

图2为本发明锅炉生物质燃料精准控制方法的控制原理框图；

图3为本发明的方法的控制流程图。

图4为本发明的DCS系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图2-4以及具体实施方式对本发明作进一步说明：

参照附图2，本发明锅炉生物质燃料精准控制方法所用的锅炉生物质燃料控制DSC系统主要包括前端配料模块，中端检测模块以及DCS系统后端调节控制单元；前端配料模块在上料时按重量比决定燃料成分及燃料量，中端检测模块分别对要进入炉膛的燃料进行在线重量检测和在线含水量检测；后端DCS系统调根据检测得到的实际燃料重量和含水量，参照各燃料的等效相对热值调节燃料控制系统各燃料的重量。

前端燃料配重：在上料时，前端配料模块会根据设定的燃料配比给出相应的燃料上料指令至各取料机，各取料机根据此指令取料，各取料机上的称重仪会把测得的实际燃料量反馈到重量配比模块，配比模块会根据此反馈信号和指令信号做相应的偏差计算，燃后根据此计算值修正取料机的取料速度，以达到理想的燃料配比。最后配比模块会将实时燃料配比传送至DCS系统。

我们知道生物质电厂的燃料随着季节、地域的变化，生物质的种类也在发生着变化，即使在同一季节，生物质燃料也有很多种。这时候供给到生物质电厂的燃料种类也就存在了多样性。由于生物质的种类不同，以及生物质电厂根据燃料的部分特点也会选择几种生物质燃料掺烧的情况，在这些情况下，生物质燃料多样性带来的生物质燃烧时燃烧热值不唯一性造成了DCS燃料控制的难题。

为了解决好在多种生物质同时参与燃烧时所带来燃烧值不唯一性的问题，严格的燃料配比就显得尤为重要。所谓的燃料配比，严格意义上说就是让同时参与燃烧的各种生物质燃料按照重量以一定的比例掺配。比如实时需要10吨燃料，实际掺烧的燃料有三种，我们就可以按照燃料的重量配比为5:4:1或4:4:2等等。具体的燃料重量配比比例由运行人员结合燃料特性和现场实际情况自行决定。严格的做好燃料配比，是后端燃料控制的前提，其关键性是不言而喻的！

中端燃料检测：在燃料进入炉膛前，本系统安装了燃料中端检测模块，中端检测模块主要分为称重单元和燃料在线水分监测单元，称重单元（皮带秤）是对燃料重量的检测，最终通过燃料重量检测信号反馈控制输送机的转速来达到控制燃料量的目的。在线水分单元是对燃料含水量的检测，含水量的检测是对燃料重量和燃料燃值的修正，此部分的函数运算在DCS系统完成。通过燃料水分和重量来得到燃料量的实际等效燃料热值，由生物质燃料热值分析表得到具体的燃料量，从而根据计算结果控制给料机的转速从而控制燃料量；

引入在线水分分析的检测，主要是生物质会随着不同的天气、地域等原因，其含水量会发生变化。生物质含水量变化直接影响生物质燃料的重量，最后实际影响的是燃料的燃值。所以在中端燃料检测中我们需要对燃料含水量进行检测，然后在DCS控制系统对燃料的重量进行修正，来得到实际的燃料重量。

后端燃料控制：主要由DCS系统构成；DCS系统包括电源模块、DPU控制器（多用途控制器）、输入/输出模块、通讯模块、人机界面。整个系统的控制信号输入、控制函数的计算、控制逻辑计算、控制指令的输出都由DCS系统实现。人机界面是实现人与系统的“对话”系统：其中包括参数的设定、参数的反馈、参数的历史信息、系统的运行状态等。在DCS系统中建立燃值库文件和相应的计算函数、引入等效相对热值的锅炉控制系统、结合生物质发电厂特点的控制方法等手段来达到对燃料的控制。建立燃值数据库和相应的计算函数，其目的是让燃料的燃值变成唯一；等效相对热值的锅炉控制系统实际就是用实际给料量和设计给量料的比例函数，以及结合与燃料有关的锅炉运行参数进一步修正燃料量。最终实行精准给料控制的目的。库文件的数据如下表1：

表1：生物质燃料热值分析表

对于库文件，各生物质发燃料可以根据实际情况进行补充和删减。

其计算函数，实际上只需要引进一个各种生物质的总燃值求和函数。

后端调节控制系统主要是利用等效相对热值对燃料的燃烧系数进行精细调整。其流程图参照图3：

在该流程图中，由于机组负荷存在大幅度的平凡波动，引入一个热值系数V或V2来取代燃料系数R。Y表示被控量机组负荷及主气压、N表示负荷指令、Mb表示静态设计燃料量、Db表示锅炉燃料量指令、Rb表示变负荷燃料量前馈信号、△P表示主气压偏差、Rp表示主气压偏差PID调节量；整个控制过程为：锅炉燃料量指令Db与锅炉总燃料量Ff在燃料量调节器PID中进行比较及运算，然后去控制各给料量和炉膛风量，从而使Ff跟随Db。锅炉总燃料量Ff为Ff＝Fc×V+F1，其中，锅炉实际给燃料量Fc＝FCx(1－RH%〕；由给料机测得的实际给料量Fc乘以热值系数V，再加上经过热值折算后的轻油燃料量Fl。

其中：C1=Mb+Rb-Fl表示用静态设计燃料量加上变负荷燃料量前馈信号再减去轻油燃料量；C2=Fc表示实际给料量；V0=C1/C2表示燃料等效相对热值系数，即设定燃料量与实际燃料量之比值，它是燃料变化的一个重要指标；

在机组启动之前和停机之后过程中，锅炉燃料量很小或者不用燃料（即C1、C2值较小或者等于零），为了防止此时两个小值之比带来的误差，需对C1、C2进行限幅处理，使机组在启动之前和停机之后过程燃料等效相对热值系数V0自动预设为1。

在上述运算回路中，各种输入信号会随着系统的运行而波动，所以为了降低其对热值信号V的影响，有必要再运算回路中加入一个二价惯性环节F(t)对V0的动态值进行滤波及抑制，使其能稳定地反映出燃料等效相对热值。二阶惯性环节F(t)所对应的传递函数为：W(s)=k/(s²+2ω_nεs+ωn²)；上式中s为拉氏变换运算符号；k为常数；ω_n为二阶环节无阻尼自然震荡频率；ε为二阶环节无阻尼系数（ε≧1）。取此二阶惯性环节的动态过程持续时间参数：t_s=4[ξ+(ξ²-1)^1/2]/ω_n，系统中F(t)的时间参数是根据现场实施试验结果设定的。

系统中便于在异常情况下机组操作员能对系统进行迅速而直观的干预，在系数V1中加入了手动偏置系数B（B的幅值很小）。通过V1和B的叠加而得到V2系数，即V2=V1+B。

在以上系统中，无论机组处于稳定负荷还是变负荷，因为等效总燃料量Ff(PID控制回路中的反馈值)能够快速跟随燃料量指令Db(给定值)，PID调节器实际上起一个跟随器的作用，所以可视Ff＝Db。又因为F(t)的作用，使得V1比V0稳定的多。若不考虑B，则在系统正常且燃值稳定地情况下热值系数V或V2也是稳定的。此时，Mb仍然起负荷前馈作用；Rb起变负荷蓄热量前馈补偿作用；Rp起主气压调节作用；而Fc会跟随上述3个指令作相应的变化。在这种情况下，无论是定负荷还是变负荷，只要Rp=0，则V0=C1/C2值不变，从本质上讲，等效相对热值系数不受机组升降负荷影响。当燃料热值发生变化或者系统发生波动时，由于主气压调节器PID的作用，其输出Rp将会快速地调节实际燃料量Fc,通过改变Fc来平衡Rp指令的变化（即Fc中隐含着一个分量来平衡Rp）。由于Fc随着Rp而变化，从而导致C1/C2值发生变化，而等效相对热值系数亦会因此而缓慢地发生变化。反过来，从宏观角度看，V的改变也会使Rp间接地起反作用，并最终使Rp回归到平衡点，它们之间已经建立了一种有机的内在联系，定性分析如下;

如：△P↓→Rp↑→Fc↑→Ff↑→V0↓→V1↓→V↓→Ff↓→Fc↑→△P↑→Rp↓

随着时间的延长，系统波动幅度衰减，V1逐渐的趋近于V0，系统会自动的进入一种最优状态。当机组定负荷时，Mb、Rb及Fl保持不变，控制系统能够自动修正等效相对热值系数，使系统趋于静态平衡点。最终，Fc的变化被V的变化抵消，使得两者之间的乘积及Ff也不变。

Claims

1.锅炉生物质燃料精准控制方法，其特征在于：利用锅炉生物质燃料控制DCS系统对生物质燃料的燃料量进行调节；所述的锅炉生物质燃料控制DCS系统主要包括前端配料模块，中端检测模块以及后端DCS系统；上料时，前端配料模块根据设定燃料配比取料并把测得的实际燃料量反馈到前端配料模块，前端配料模块根据此反馈信号和指令取料信号进行偏差计算，然后根据计算值修正取料速度和取料量以达到设定燃料配比；同时，前端配料模块将实时燃料配比传送至后端DCS系统；在燃料进入炉膛前，中端检测模块中分别检测燃料重量和含水量，后端DCS系统依据重量和含水量检测结果计算等效燃料热值和实际燃料量，并根据计算结果控制给料机的转速从而控制燃料量；燃料燃烧时，后端DCS系统通过比较实际给料量和指令给料量，结合锅炉运行参数调节各燃料供给量以及炉膛风量；后端DCS系统进行燃料量调节的具体流程为：根据设定热值计算指令锅炉燃料量Db，将指令锅炉给料量Db与锅炉总燃料量Ff在燃料量调节器PID中进行比较，然后控制给料量和炉膛风量，使Ff跟随Db；

锅炉总燃料量Ff＝F_C×V+F1；

各参数为：锅炉实际给燃料量F_C、热值系数V、经过热值折算后的轻油燃料量F1；

锅炉实际给燃料量F_C＝FC×(1-RH％)；其中，FC：燃料称重给料量；RH％：燃料量含水百分值；

热值系数V＝V1+B；V1为利用二阶惯性环节F(t)对V0的动态值进行滤波及抑制后的燃料等效相对热值；

二阶惯性环节F(t)所对应的传递函数为：W(s)＝k/(s²+2ω_nεs+ω_n ²)；上式中s为拉氏变换运算符号；k为常数；ω_n为二阶环节无阻尼自然震荡频率；ε为二阶环节无阻尼系数(ε≧1)；二阶惯性环节的动态过程持续时间参数t_s＝4[ε+(ε²-1)^1/2]/ω_n，系统中F(t)的时间参数根据现场实施试验结果设定；B为异常情况下进行干预的手动偏置系数；

燃料等效相对热值系数V0＝C1/C2，其中，C2＝F_C表示实际给料量；

C1＝Mb+Rb-F1表示静态设计燃料量加上变负荷燃料量前馈信号再减去轻油燃料量。

2.根据权利要求1所述的锅炉生物质燃料精准控制方法，其特征在于：所述锅炉生物质燃料控制DCS系统中，前端配料模块设置取料机，取料机上设置称重仪；中端检测模块包括含水量检测装置和设置在给料机上的重量检测装置，给料机与锅炉进料口对接；取料机和给料机分别设置速度检测装置；后端DCS系统主要包括电源模块、DPU控制器、输入/输出模块、通讯模块、人机界面；称重仪和重量检测装置的输出端与后端DCS系统输入/输出模块信号连接，各速度检测装置分别与后端DCS系统输入/输出模块信号连接；含水量检测装置输出端与后端DCS系统输入/输出模块信号连接。

3.根据权利要求2所述的锅炉生物质燃料精准控制方法，其特征在于：所述重量检测装置为称重给料机，所述含水量检测装置为微波水分析仪。

4.根据权利要求2所述锅炉生物质燃料精准控制方法，其特征在于：前端配料模块的通讯模块和后端DCS系统通讯模块之间双向信号连接。