生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電氣化爐系統(tǒng)自動控制研究

杜厚浩/華電寧夏靈武發(fā)電有限公司

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電氣化爐系統(tǒng)自動控制研究

杜厚浩/華電寧夏靈武發(fā)電有限公司

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電，是生物質(zhì)能與常規(guī)化石能源互補(bǔ)利用的有效方式，還可控制SO2、N OX、N2O和CO等甚至有毒污染物的排放量。而在整個生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電系統(tǒng)中，氣化爐是生物質(zhì)氣化工藝中最核心的設(shè)備，其自動控制技術(shù)又是系統(tǒng)能否穩(wěn)定高效運(yùn)行、原料能否高效、清潔利用的關(guān)鍵因素。本文就是在既定生物質(zhì)氣化裝備的基礎(chǔ)上，結(jié)合“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電工藝需求，從生物質(zhì)氣化原理出發(fā)，針對影響氣化特性的因素和“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電應(yīng)用展開控制研究，并給出了生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電氣化爐環(huán)節(jié)的自動控制設(shè)計。

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電；氣化爐；自動控制；系統(tǒng)研究

引言

如果發(fā)電企業(yè)能夠利用農(nóng)林廢棄物發(fā)電，對促進(jìn)節(jié)能減排和合理控制能源消費(fèi)總量具有積極作用，而采用氣化技術(shù)產(chǎn)生的生物質(zhì)可燃?xì)馊〈糠皱仩t用煤，充分利用燃煤機(jī)組高發(fā)電效率，這種“生物質(zhì)能氣化+煤”耦合式發(fā)電方式，生物質(zhì)綜合發(fā)電效率在30％以上，高于現(xiàn)有的生物質(zhì)直燃發(fā)電（20～25％），減少了化石燃料產(chǎn)生的污染物排放量，符合火力發(fā)電能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，也能滿足國家能源局印發(fā)的《可再生能源配額制指導(dǎo)意見》規(guī)定非水電新能源發(fā)電配額的要求。

1.生物質(zhì)氣化工藝流程

1.1生物質(zhì)的貯存系統(tǒng)

加工成型的生物質(zhì)物料，由外界通過運(yùn)輸車輛送到生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫，在貯存前，生物質(zhì)原料須進(jìn)行稱重、取樣。生物質(zhì)原料品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)為生物質(zhì)水分和熱值，在生物質(zhì)貯存?zhèn)}庫內(nèi)配有裝載機(jī)，抓斗旋轉(zhuǎn)裝置，通過這些裝置，生物質(zhì)被送到進(jìn)料振動篩，生物質(zhì)經(jīng)過振動篩網(wǎng)，過濾掉不合格的生物質(zhì)料，再通過螺旋輸送機(jī)，長距離輸送皮帶將生物質(zhì)送到加壓系進(jìn)料系統(tǒng)的常壓料倉。

1.2加壓進(jìn)料系統(tǒng)

存放在常壓料倉的生物質(zhì)料，通過進(jìn)料裝置和閥門進(jìn)入到生物質(zhì)鎖斗，鎖斗裝滿生物質(zhì)料后，通過控制系統(tǒng)用氮?dú)猓ǖ獨(dú)庥晒霉こ讨频到y(tǒng)供應(yīng)）對鎖斗充壓，當(dāng)生物質(zhì)在鎖斗內(nèi)壓到0.1～0.3MPa時（與氣化爐壓保持一致），鎖斗加壓完成，生物質(zhì)通過下料閥和下料裝置，進(jìn)入到加壓給料倉，在加壓給料倉的底部，有兩組螺旋輸送機(jī),生物質(zhì)料由這兩組螺旋輸送機(jī)分兩路進(jìn)入到生物質(zhì)氣化爐進(jìn)行持續(xù)進(jìn)料。生物質(zhì)鎖斗在完成卸料后，鎖斗將會進(jìn)行卸壓至常壓狀態(tài)，再重新進(jìn)料，充壓，進(jìn)行下一個循環(huán)物料輸送，每個小時完成約兩次循環(huán)，每次進(jìn)料量可維持氣化爐滿負(fù)荷運(yùn)行30分鐘。

1.3生物質(zhì)氣化爐及氣體凈化系統(tǒng)

氣化爐是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)操作條件的差別，氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種類型。本文建議采用富氧加壓循環(huán)流化床氣化爐，相比常規(guī)循環(huán)流化床氣化爐在處理規(guī)模、氣化效率、燃?xì)馄焚|(zhì)等方面具有較為顯著的優(yōu)勢。富氧加壓循環(huán)流化床的加壓氣化增加了反應(yīng)的濃度和反應(yīng)速度，大幅度增加了處理量，且反應(yīng)溫度高，碳轉(zhuǎn)化率95％以上。工作壓力在0.3MPa時，如果處理量為530噸/天，加壓后發(fā)電功率提高2％（折合300KW/h）。在同等裝機(jī)容量、同等工程條件下，加壓氣化總體投資比常壓循環(huán)流化床氣化低。

氣化爐爐型為流化床，從加壓給料倉來的生物質(zhì)分成兩路從氣化爐的下部進(jìn)入爐膛反應(yīng)區(qū)；在氣化爐的底部，空氣，氧（水蒸氣根據(jù)生物質(zhì)成分按比例加入）作為氣化劑進(jìn)入爐膛，生物質(zhì)在爐膛內(nèi)和空氣，氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態(tài)（氣化反應(yīng)溫度約為700～980℃，氣化壓力0.1～0.3MPa）；同時，爐內(nèi)的高溫床料也充分起來了傳熱和傳質(zhì)的作用，加速了氣化反應(yīng)的進(jìn)程，氣化最終生成高溫可燃?xì)狻?/p>

化學(xué)方程如下：

主要?dú)饣磻?yīng)：C + O2→ C O2＋Q

2C + O2→ 2CO＋Q

C + H2O → CO＋H2－Q

2CO + O2→ 2CO2＋Q

CO2+ C → 2CO－Q

C + 2H2→ CH4＋Q

生物質(zhì)裂解反應(yīng)：生物質(zhì)→CO+H2+CH4+N2+CnHm(少量焦油)

因生物質(zhì)原料含有一定比例的灰分，在氣化過程中產(chǎn)生的灰渣，一部分由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統(tǒng)；另一部分則隨著可燃?xì)膺M(jìn)入到下游分離裝置-旋風(fēng)分離器,進(jìn)入旋風(fēng)分離器的高溫合成氣在離心力的作用下，進(jìn)行氣體和固體分離，固體灰從旋風(fēng)分離器底部經(jīng)過冷卻后排出，送到貯存系統(tǒng)。可燃?xì)鈩t從旋風(fēng)分離器的頂部出來，進(jìn)入到下游的余熱回收系統(tǒng)。

表1　氣化爐出口典型可燃?xì)饨M成表

1.4余熱回收裝置系統(tǒng)

經(jīng)過旋風(fēng)除塵后的可燃?xì)鉁囟燃s為850～900℃，氣體溫度較高，且體積較大，在送入電廠燃煤鍋爐前為減小設(shè)備體積，降低輸送氣體管道的設(shè)備材質(zhì)等級要求，同時保證可燃?xì)庵械慕褂筒划a(chǎn)生冷凝，高溫可燃?xì)馔ㄟ^余熱回收裝置熱量回收的方式降溫到400℃左右，余熱回收裝置生成的低壓水蒸汽并入電廠管網(wǎng)系統(tǒng)，氣化爐用除鹽水由電廠公用系統(tǒng)供應(yīng)。

1.5可燃?xì)獾妮斔秃腿紵到y(tǒng)

經(jīng)過除塵和余熱回收后的可燃?xì)?，溫度約為400℃，煙氣中的焦油在300℃以上成氣態(tài)，壓力（0.1～0.3MPa），氣體經(jīng)過經(jīng)過在線的氣體成分、溫度及流量計量計算得出輸入鍋爐的總熱量，再送到燃煤鍋爐前獨(dú)立的燃?xì)馊紵?，通過鍋爐燃燒器燃?xì)膺M(jìn)入鍋爐和煤粉一起燃燒發(fā)電。在事故情況下，可燃?xì)饪赏ㄟ^緊急的排放火炬及切斷系統(tǒng)，如鍋爐MFT，氣化系統(tǒng)的安全保護(hù)動作將觸發(fā)氣化爐緊急停車，氣化系統(tǒng)將與鍋爐系統(tǒng)切斷隔離，可燃?xì)鈱⒁涟踩珔^(qū)域火炬放空，且系統(tǒng)自動進(jìn)行氮?dú)庵脫Q的保護(hù)程序，煤氣放散裝置設(shè)有點火裝置和氮?dú)鉁缁鹪O(shè)施。

2.生物質(zhì)氣化過程的主要影響因素

生物質(zhì)氣化反應(yīng)復(fù)雜，氣化機(jī)理研究較為困難，反應(yīng)過程受到的影響因素較多。針對既定的氣化裝置及生物質(zhì)顆粒，其影響因素主要為氣化溫度、時間、壓力。在生物質(zhì)氣化過程中，氣化溫度是一個很重要的參數(shù)，溫度的高低不但會影響產(chǎn)氣的速率，而且對物料反應(yīng)過程中的吸放熱等可逆反應(yīng)也一定的影響，從而最終影響到氣化產(chǎn)物分布、產(chǎn)品氣的組成、產(chǎn)氣率、熱解氣熱值。此外，反應(yīng)時間是決定二次反應(yīng)過程的主要因素，一般溫度大于700℃時，氣化過程初始產(chǎn)物(揮發(fā)性物質(zhì))的二次裂解受停留時間的影響很大，在8s左右，可接近完全分解，使氣體產(chǎn)率明顯增加，所以必須考慮停留時間對氣化效果的影響。壓力方面，采用加壓氣化技術(shù)可以改善流化質(zhì)量，壓力增大，裂解反應(yīng)加強(qiáng)，產(chǎn)生的焦油量和氣相濃度都減小。所以，操作壓力提高，一方面能提高生產(chǎn)能力，另一方面能減少帶出物損失。

3.過程控制系統(tǒng)

生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電的生產(chǎn)裝置及公用工程等輔助裝置都采用現(xiàn)場總線、DCS、EDS和PLC進(jìn)行監(jiān)控和聯(lián)鎖。個別輔助裝置也可設(shè)置常規(guī)儀表盤。由于裝置中可能泄露可燃?xì)怏w及有毒氣體，也可考慮設(shè)有可燃?xì)怏w檢測器及相應(yīng)的毒氣檢測器。

3.1氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行控制系統(tǒng)

設(shè)置一個中央控制臺（CCS），中央控制臺內(nèi)設(shè)有DCS和ESD操作站、輔助操作站等人機(jī)接口，對燃料的輸送、加壓、進(jìn)料、氣化，余熱回收裝置和公用設(shè)施進(jìn)行操作控制管理。此外，還應(yīng)設(shè)有計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行先進(jìn)控制（APC）和實時優(yōu)化（RT-OPT）管理。中央控制臺集計算機(jī)控制、計算機(jī)監(jiān)督控制（SCS）和全裝置的管理計算機(jī)系統(tǒng)（TCS）于一體。

DCS系統(tǒng)及儀表電源均由不中斷供電裝置（UPS）供給，要求在外電源斷電后，整個儀表及DCS能供30分鐘的備用量。儀表空氣由電廠配送過來緩沖罐送往氣化系統(tǒng)各裝置，氣化罐容量應(yīng)滿足全裝置停電后30分鐘用量。

氣化裝置的重要的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用三重化冗余系統(tǒng)（即緊急停車系統(tǒng)ESD），對安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)采用3取2表決處理。聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要輸出采用雙電磁閥的結(jié)構(gòu)。ESD系統(tǒng)具備與DCS進(jìn)行高速通訊的能力，能夠及時把聯(lián)鎖系統(tǒng)的工藝參數(shù)告訴操作員，又能及時接受DCS的指令。為確保氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定性，控制平臺還將對生物質(zhì)燃料流量中值選擇，氧/燃料比參數(shù)以及氣化爐負(fù)荷進(jìn)行控制和調(diào)整。

3.1.1生物質(zhì)燃料流量中值選擇。

生物質(zhì)燃料流量的控制是采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃料泵轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。為了增加生物質(zhì)燃料流量測量的可靠性，對生物質(zhì)燃料流量設(shè)計了中值選擇回路。對生物質(zhì)燃料流量（三個電磁流量計）輸入DCS進(jìn)行計算，取中間值即中值作為生物質(zhì)燃料流量的最終值。在DCS上可選擇上述三個流量或中值為輸入值經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制生物質(zhì)燃料給料器的轉(zhuǎn)速。

3.1.2氧/生物質(zhì)燃料比參數(shù)。

氧/生物質(zhì)燃料比的自動控制，采用標(biāo)準(zhǔn)比例功能和內(nèi)部儀表的比例計算來保證氧/生物質(zhì)燃料比穩(wěn)定。氧/生物質(zhì)燃料比手動給出，經(jīng)乘法器（生物質(zhì)燃料流量乘以氧/生物質(zhì)燃料比）計算出氧量流量，作為氧氣單參數(shù)控制回路的遠(yuǎn)程給定。如果生物質(zhì)燃料流量發(fā)生變化，通過氧/生物質(zhì)燃料比自動控制。根據(jù)實測的生物質(zhì)燃料流量計算出氧量流量，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來控制氧氣調(diào)節(jié)閥的動作。如果氧氣流量發(fā)生變化，通過氧/生物質(zhì)燃料比自動控制，計算出相應(yīng)的生物質(zhì)燃料流量，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后的輸出值來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使生物質(zhì)燃料流量按氧/生物質(zhì)燃料比變化。

3.1.3氣化爐負(fù)荷的控制。

氣化爐生產(chǎn)負(fù)荷的控制，氣化爐負(fù)荷手動給出，為了防止負(fù)荷大幅度波動，設(shè)置速度限制器，將負(fù)荷每分鐘的變化限制在一定范圍內(nèi)。為了防止氧氣過量，設(shè)置高低選擇器。在生物質(zhì)燃料回路上設(shè)置高選器，將計算出的生物質(zhì)燃料量和負(fù)荷給定的燃料量作比較，取高者作為生物質(zhì)燃料回路遠(yuǎn)程給定的最終值。在氧氣回路上設(shè)計低選器，將生物質(zhì)燃料量和負(fù)荷給定的生物質(zhì)燃料流量作比較，將其低者作為氧氣回路的給定值。這樣當(dāng)?shù)拓?fù)荷時，生物質(zhì)燃料流量大于負(fù)荷給定值，被高選器選中，先提生物質(zhì)燃料流量，經(jīng)氧/生物質(zhì)燃料比控制，氧氣流量隨之變化。當(dāng)降負(fù)荷時，氧氣流量低于負(fù)荷給定值，被低選器選中，先降氧氣流量，經(jīng)氧/生物質(zhì)燃料比控制，生物質(zhì)燃料流量隨之下降。

3.2輔助控制系統(tǒng)

輔助控制系統(tǒng)采用PLC控制，并與DCS通過通訊及硬接線連接，在DCS上完成監(jiān)視及操作。輔助控制系統(tǒng)推薦采用同一品牌的PLC系統(tǒng)以利于運(yùn)行維護(hù)。

3.3緊急操作臺

當(dāng)分散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)生通訊故障或操作員站全部故障時，可以通過緊急操作臺實現(xiàn)安全停爐。安裝在操作臺上實現(xiàn)緊急安全停爐所必需的后臺監(jiān)控設(shè)備主要有：手動停爐、放空閥、火炬點火等操作按鈕，對有可能發(fā)生燃?xì)庑孤┑奈恢镁O(shè)置燃?xì)庑孤﹫缶O(shè)備。

總之，針對既定的生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電系統(tǒng)采用分散控制系統(tǒng)（DCS）控制[包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、鍋爐安全保護(hù)系統(tǒng)（FSSS）及電氣控制系統(tǒng)（ECS）等]，個輔助系統(tǒng)（制氧、制氮、空壓機(jī)、除灰及輸料等）為隨系統(tǒng)帶來的PLC控制，在DCS上完成全廠監(jiān)視及操作完全滿足設(shè)計需求，為生物質(zhì)氣化混燃發(fā)電的推廣應(yīng)用從控制角度提供了一種有益的思路和方法。

[1]張瑞祥.生物質(zhì)發(fā)電氣化過程機(jī)理分析與建模研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2008.

[2]李蓉.生物質(zhì)和煤混合燃燒試驗研究[D].華北電力大學(xué)（河北）,2009.

[3]王德元.生物質(zhì)能利用系統(tǒng)綜合評價研究[D].華中科技大學(xué),2008.

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