基于虛擬DPU 的生物質(zhì)鍋爐仿真研究

劉鎖清，王志偉，李軍紅

（1.山西大學 電力與建筑學院，太原 030000；2.山西大學 自動化與軟件學院，太原 030000）

目前，電廠對真實DPU 技術(shù)的使用已經(jīng)走向成熟，與之配套的具有極高仿真度的仿真系統(tǒng)成為電廠提升員工技能技術(shù)、優(yōu)化本廠控制系統(tǒng)不可或缺的手段，同時，通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)跨系統(tǒng)的升級，意味著將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)導入至仿真系統(tǒng)進行監(jiān)視和操作模擬成為可能，在此背景下，開發(fā)應(yīng)用虛擬DPU技術(shù)針對目標量身打造的仿真機系統(tǒng)成為各電廠的要求。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年可作為能源使用的秸稈、林木生物量可達7 億噸左右，生物資源豐富，開發(fā)潛力十分巨大。我國生物質(zhì)電廠運用廣，分布在各小型城市以及農(nóng)村，該型電廠生產(chǎn)規(guī)模小，人員數(shù)量不大且技術(shù)水平參差不齊，結(jié)合以上等因素，開發(fā)生物質(zhì)電廠仿真模型極其重要[1]。

1 生物質(zhì)燃燒發(fā)電原理與鍋爐特性

本文以河南某生物質(zhì)電廠為背景，根據(jù)該電廠實際情況開發(fā)一套鍋爐的仿真系統(tǒng)。

生物質(zhì)燃燒發(fā)電是利用生物質(zhì)本身的化學能進行燃燒發(fā)電，屬于可再生能源發(fā)電。河南某生物質(zhì)電廠屬于生物質(zhì)火力發(fā)電，設(shè)計燃料主要為秸稈。其工作原理是將秸稈等生物質(zhì)加工成粉狀，通過上料系統(tǒng)送入鍋爐，進行充分燃燒，使化學能轉(zhuǎn)變成熱能；鍋爐內(nèi)的水工質(zhì)在各受熱面內(nèi)加熱形成過熱蒸汽，進入汽輪機并帶動汽輪機旋轉(zhuǎn)，使熱能轉(zhuǎn)換成機械能；被驅(qū)動的汽輪機發(fā)電組旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機將機械能變成電能。工作原理如圖1 所示。

圖1 生物質(zhì)電廠鍋爐原理圖Fig.1 Schematic diagram of boiler in biomass power plant

生物質(zhì)電廠的鍋爐是層燃鍋爐，帶有振動爐排，采用直接燃燒技術(shù)。其主要系統(tǒng)有燃燒系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)是通過取料和上料系統(tǒng)給爐排鋪料，使燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒；風煙系統(tǒng)由送風機和引風機以及尾部煙氣管道組成，給爐膛提供充分的氧量并使爐膛處于微負壓工作狀態(tài)；汽水系統(tǒng)是保證整個電廠汽水熱力系統(tǒng)形成一個良性循環(huán)。

2 基于虛擬DPU 的鍋爐仿真架構(gòu)

基于虛擬DPU 的生物質(zhì)電廠鍋爐仿真系統(tǒng)架構(gòu)主要由仿真支撐環(huán)境系統(tǒng)、虛擬DPU 和通訊系統(tǒng)三大部分組成，如圖2 所示。

圖2 生物質(zhì)電廠鍋爐仿真系統(tǒng)Fig.2 Biomass power plant boiler simulation system

仿真支撐環(huán)境系統(tǒng)是用于仿真模型建設(shè)，使用Pssim 仿真支撐平臺搭建仿真模型，實現(xiàn)對生物質(zhì)電廠鍋爐的操作控制和監(jiān)視。生物質(zhì)電廠鍋爐仿真模型主要由風煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)組成。

虛擬DPU，即虛擬分散處理單元，負責人機交互界面和控制程序中的控制組態(tài)，在仿真支撐環(huán)境下的設(shè)備物理化模型和數(shù)字化模型，通過仿真設(shè)計達到控制策略的仿真功能，最后可以獲得一個和仿真對象相同的效果。

通訊系統(tǒng)是用于仿真支撐環(huán)境系統(tǒng)與虛擬DPU 站控制系統(tǒng)信息傳輸，利用OPC 技術(shù)，使用Group 測點表建立仿真模型與控制邏輯的信息通訊聯(lián)系，將控制邏輯信號反饋到仿真系統(tǒng)上，并將操作指令和狀態(tài)傳遞給控制邏輯。

3 生物質(zhì)電廠鍋爐的影響因素

生物質(zhì)電廠鍋爐主要從燃燒系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)方面來考慮建模。影響鍋爐的因素有多種，且燃燒系統(tǒng)影響因素主要有設(shè)計成分和爐膛內(nèi)燃燒，爐膛內(nèi)燃燒主要的參數(shù)量有理論燃燒空氣量和實際燃燒空氣量、理論煙氣量和實際煙氣量以及過量空氣系數(shù)等[2]。

3.1 設(shè)計成分因素

該型生物質(zhì)電廠設(shè)計燃料有小麥秸稈、玉米秸稈、花生殼、林廢混合燃料，單位量各成分對應(yīng)比例為8∶22∶38∶32。分析其燃燒特性，可得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燃料成分Tab.1 Fuel composition

由以上生物質(zhì)燃料的成分表可知，相對于其他種類燃料，生物質(zhì)燃料中含碳量少，水分含量大，發(fā)熱量低；含氫較多，一般為3%～4%，生物質(zhì)中的碳氫化合物，易揮發(fā)、燃點低、易引燃；生物質(zhì)燃料燃燒熱效率高，是燃煤機組熱效率的2～3 倍。

3.2 爐膛內(nèi)燃燒影響

生物質(zhì)充分燃燒時需要有足夠高的溫度，合適的空氣量和充裕的時間。而生物質(zhì)燃燒過程則是生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中的物質(zhì)平衡和能量平衡，也是仿真建模的重要依據(jù)。燃燒過程的物質(zhì)平衡實際上考慮的是燃燒空氣量和煙氣量的計算。

3.2.1 理論燃燒空氣量與實際燃燒空氣量[3]

計算燃料的理論空氣量，需要考慮燃料中可燃元素（C，H，S）完全燃燒時所需要的氧氣量。由《生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析》提到公式：

1kg 收到基（用ar 表示）燃料充分燃燒需要消耗的氧氣量：

1kg 收到基燃料燃燒所需要的理論空氣（標準狀態(tài)）量為

式中：V0為理論燃燒空氣量（m3/kg）。

在實際燃燒過程中，實際燃燒空氣量可以用以下公式簡化計算：

式中：LHVar為實際燃料的收到基低位熱值，kJ/kg［kJ/m3（標準狀態(tài)）］。

在仿真建模時，考慮到生物質(zhì)燃料種類比較多，且為了使仿真模型與電廠實際運行參數(shù)吻合度更高，所以在此公式基礎(chǔ)上增加修正系數(shù)k：

3.2.2 理論煙氣量與實際煙氣量

理論煙氣量由CO2、SO2、水蒸氣及N2組成。

理論煙氣量表達式為

在仿真建模過程中，考慮到電廠實際運行參數(shù)與理論參數(shù)還有偏差，為真實仿真模擬現(xiàn)場參數(shù)，因此實際煙氣量需增加修正系數(shù)k：

3.2.3 過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)公式為

式中：V 為實際供給的空氣量。

實際燃燒過程中，空氣與燃料混合不充分，需要供給的空氣量較理論空氣量多，即α>1。在仿真模型中需修正的具體值可參考現(xiàn)場實際過量空氣系數(shù)值。

4 生物質(zhì)電廠鍋爐的仿真建模

4.1 鍋爐仿真系統(tǒng)

4.1.1 爐膛燃燒的算法

基于上述的燃燒系統(tǒng)的影響因素分析，建立燃燒系統(tǒng)仿真模型。利用Frotron 和C++Build 語言，編寫生物質(zhì)爐膛燃燒的算法，其部分算法代碼如下：

4.1.2 建立模塊算法

根據(jù)生物質(zhì)爐膛燃燒的算法編譯爐膛模塊算法，其主要的參數(shù)如表2 所示。

表2 算法模型說明Tab.2 Description of algorithm model

4.1.3 鍋爐系統(tǒng)的仿真建模

河南某生物質(zhì)電廠鍋爐仿真建模分為燃燒系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)三大部分，本文以燃燒系統(tǒng)為例介紹鍋爐仿真建模的方法。

燃燒系統(tǒng)由爐膛、振動爐排、風室組成。生物質(zhì)燃料通過給料機由二次風送入爐膛內(nèi)部，燃燒產(chǎn)生熱量。攜帶熱量的煙氣擴散在爐膛和尾部煙道內(nèi)，將熱量傳遞至各受熱面；給水經(jīng)省煤器加熱，在汽包內(nèi)受熱分離出飽和蒸汽進入各級過熱器受熱升溫升壓；振動爐排爐排間隔一定的周期進行一次振動，以使爐排上的物料向爐排后部排渣口移動使物料充分燃燒，且使燃燒后的爐渣排出振動爐排。爐排下部是風室，作為一次風的通風口。其流程如圖3所示。

圖3 燃燒系統(tǒng)流程Fig.3 Combustion system flow chart

在仿真支撐平臺Pssim 軟件內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)流程圖，建立鍋爐燃燒仿真模型。如圖4 所示，BLFUR 代表模塊名，feeder、furnace、SH 是算法名，分別表示為給料機、爐膛、換熱器。指令會從輸入端（in）進入算法塊，在算法塊內(nèi)計算至輸出端（out），并作為下一個算法塊的輸入指令參與計算。

圖4 鍋爐燃燒仿真模型Fig.4 Boiler combustion simulation model

調(diào)整各系統(tǒng)參數(shù)值，使其符合該生物質(zhì)電廠鍋爐系統(tǒng)實際運行過程的參數(shù)值。

4.2 通訊系統(tǒng)

實現(xiàn)Pssim 與虛擬DPU 控制器之間的通訊，需要利用OPC 技術(shù)。安裝OPC 程序，在Pssim 系統(tǒng)內(nèi)生成opc 腳本，在腳本項添加group 點表。一方面，Pssim 通過opc 將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，另一方面，控制器將虛擬DPU 控制器內(nèi)的I/O 信號，通過opc 反饋回Pssim 模型中[4]。

Group 測點主要包含DCSID、MODID 以及測點ID。相對照的DCSID 負責界面測信號，MODID 負責仿真系統(tǒng)信號，測點ID 負責虛擬DPU 站內(nèi)的組態(tài)信號。畫面、組態(tài)、仿真系統(tǒng)制作過程中，相應(yīng)得完成其測點表的整理工作。具體到每一個信號在各個系統(tǒng)都有信號對照，即模型側(cè)、界面?zhèn)取⒖刂破鹘M態(tài)側(cè)I/O 信號清單一一對照，如表3 所示。

表3 Group 測點Tab.3 Group point

4.3 結(jié)果

由于過程過于繁瑣，這里不再展開詳細敘述。以某生物質(zhì)電廠鍋爐燃燒過程為基本原理，建立相應(yīng)的理論方程公式，并結(jié)合實際加以修正，基于該生物質(zhì)電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)的影響因素分析，建立鍋爐燃燒系統(tǒng)仿真模型。再基于虛擬DPU 技術(shù)設(shè)計制作仿真運行的界面和組態(tài)框架，運用通訊手段使仿真模型和虛擬DPU 控制器信息通訊。類似工作，完成風煙系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)仿真模型搭建工作，那么該型生物質(zhì)電廠鍋爐仿真模型搭建完成。

此鍋爐仿真模型是該生物質(zhì)電廠仿真系統(tǒng)的一部分，調(diào)用點火前的工況，根據(jù)其實際操作規(guī)程和操作手冊，在集控操作界面，進行點火以及爐膛升溫升壓工作，對照實際運行工況參數(shù)，進行調(diào)試，直至完全模擬實際運行的動態(tài)和參數(shù)，那么該型生物質(zhì)電廠鍋爐仿真系統(tǒng)制作完成。

5 結(jié)語

本文的研究對象為50 MW 生物質(zhì)電廠，基于虛擬DPU 技術(shù)設(shè)計和開發(fā)了一套生物質(zhì)電廠鍋爐仿真模型，實現(xiàn)鍋爐的全仿功能。并在該廠SIS 監(jiān)控系統(tǒng)的加持下，將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)一布置在同一平臺，為下一步實時數(shù)據(jù)接入仿真系統(tǒng)做實驗和規(guī)劃準備，向更加智能、完善的智慧型電廠推進。