BWE生物质锅炉炉膛压力自动控制模型应用
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摘 要：
根据目前国内生物发电锅炉运行中炉膛燃烧不稳定冒灰冒火的现象，根据多年经验而总结出一种适用于bwe生物质锅炉炉膛压力自动控制的模型及该模型在光大砀山项目的实际应用。
关键词：
生物质发电;国能生物;光大国际;BWE锅炉;光大砀山;炉膛压力;自动控制;PID
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：16723198（2014）23019702
1 引言
开发利用可再生能源，对于保障能源安全、保护生态环境、实现可持续发展具有重要意义。
我国生物质能资源非常丰富，发展生物质发电，实施煤炭替代，可显著减少二氧化碳和二氧化硫排放，产生巨大的环境效益。因此生物质能发电行业有着广阔的发展前景。
国内生物质直燃发电的锅炉主要有流化床生物质锅炉（主要代表是凯迪生物发电集团的机组）和振动式炉排锅炉（主要代表国能生物发电集团、光大国际集团的机组）两种。两种锅炉各有优点，也各有不足。
国内振动式炉排锅炉主要采用的是BWE锅炉，该炉型由北京德普新源公司（原龙基电力）从丹麦BWE公司以生物质能发电技术引入，该炉型由济南锅炉厂生产。该锅炉的特点：适应燃料性较强，不需用床料，锅炉燃烧工况容易控制，机组带负荷能力强，热效率高等特点;从这几年国内生物质机组的运行情况及效益来看，该炉型比较适合我国北方地区。
2 国内生物质锅炉燃烧工况现状
由于国内生物质燃料的特点：燃料品种繁多，品质差异性大。例如有的项目所用燃料品种能达几十种之多，且燃料的热值、水份、杂质又非常难以控制。这就造成了锅炉运行人员要根据燃料品种、品质不断地调整工况，在调整过程中会频繁出现燃烧不稳定的工况（如暴燃、炉膛冒正压或负压过大、因炉膛正压太大导致给料系统着火、因负压过大致炉膛灭火等事故），目前在国内上百个生物质直燃发电项目中，极大多数锅炉都存在着炉膛压力波动很大的现象，波动范围达正常设定值±800Pa，有的经常会出现压力到上千Pa以上。加上锅炉本体密封不严等因素，锅炉向外冒灰冒火的现象极为普遍，造成锅炉本体上积灰积料、设备卫生差，给安全生产带来极大隐患，也给环境造成了不同程度的污染。而能将炉膛压力在各种工况时控制在微负压（-50Pa～-30Pa）波动范围在正常设定值±100Pa的运行项目很少。
在锅炉燃烧过程控制中，炉膛压力是反映燃烧工况稳定与否的重要参数，也是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉内燃烧工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。当锅炉的燃烧系统发生故障或异常时，最先将在炉膛负压上反映出来，而后才是火检、火焰等的变化，其次才是蒸汽参数的变化。因此，监视和控制炉膛压力对于保证炉内燃烧工况的稳定均有极其重要的意义。
原因分析：大多数项目由于在工程建设中调试阶段为了保证机组调试期间的稳定，基本上都选用热值较高且品种单一的燃料，调试时虽然也都进行了炉膛压力自动参数的PID整定和调整，但当在机组投入以后，由于使用燃料品种变化大，燃料品质有好有差，这种造成实际运行中炉膛压力自动无法投入的情况，即使可以投入，调节性能也不能满足要求，尤其在燃料为较小颗粒状，或燃料水份、杂质较多时，燃烧工况更是难以控制。显然通过常规的炉膛压力PID控制是无法满足锅炉安全经济运行需求的。
所以如果能将炉膛压力自动投入并长期稳定运行，是做为热控专业人员及电厂运行人员的迫切期望;这样即节省了运行人员的人力投入，也相应对设备起到间接的保护作用。更能为机组的安全稳定经济运行提供有力保障。
3 BWE锅炉炉膛压力自动控制模型介绍及应用
本人从事电厂热控专业近20年，并有多年生物质发电的调试、运行经验，凭借多年的经验并结合生物质锅炉的特性，逐步摸索并建立了一套适合生物质锅炉炉膛压力自动控制模型（前馈+预控+PID），通过在光大砀山项目（2011年10月投入生产运行）实施了该控制模型，经过该项目的长期运行实践，这种模型的炉膛压力自动投入效果良好，炉膛压力自动在锅炉燃烧工况较稳定时可以将压力维持在-30Pa左右（波动范围±50Pa），在不稳定工况时也可将压力稳定在-30Pa（波动范围±100Pa）左右，在大扰动出现时，瞬间最高压力基本不会超过±160Pa，且能在1.5秒内就可将压力回调至设定值正常范围内。现就以光大砀山项目为例，介绍该模型特点及实施情况如下。
3.1 主要设备
（1）BWE振动式炉排炉。
主要参数：额定蒸发量：130t/h;
过热蒸汽压力：9.2MPa;过热蒸汽温度：540℃;
给水温度：220℃;冷空气温度：35℃;
空气予热器出口风温：195℃;排烟温度：134℃;
锅炉设计效率：89%;排污率：2%。
（2）引风机。
主要参数：电机功率：900kW;全压：7440Pa;
流量317800m3/h;转速：980r/min;
额定电压：10kV;
厂家：南通大通宝富风机有限公司。
（3）变频器。
主要参数：HIVERT-Y10/系列高压变频器;
采用高-高结构，电压等级10kV。
厂家：北京合康亿盛变频科技股份有限公司。
（4）DCS系统。
采用浙江中控公司的ECS-100控制系统。软件采用Advantrol-pro，该软件功能强大，各功能软件间采用对象链接与嵌入式技术，该软件人机交互界面为中文，并采用了windows标准控件，易学易用。该软件集成了LD、FBD、SFC、ST语言等编辑器，使用户编程更方便、直观，并具有强大的在线帮助和在线调试功能。
3.2 燃料品种
主要燃料品种：树皮、树枝、碎木块、小麦桔杆、玉米桔杆等。水份40%～60%，杂质15%左右。
3.3 炉膛压力扰动分析
锅炉燃烧时压力扰动主要有三种情况：
（1）燃料变化致使燃烧工况波动。
如燃料中有粉状燃料，或较小颗粒燃料，如锯末，花生壳、稻壳等或燃料水份太大或杂质过多等。
（2）炉排振动时造成的扰动。
（3）其他设备操作造成随机的扰动。
3.4 前馈+预控+PID模型应用分析
当燃料变化时，燃烧工况会发生较大变化，且出现压力波动很大的情况较多，并且是在极短时间内发生。普通的PID调节回路，无法适用这一情况，如果采用加微分的方式，通过实验，PID回路无法正常调节。主要原因是加入微分后调节回路振荡时间长，不易稳定（炉膛压力本身就是一个经常波动量）。且扰动幅度太大，PID本身无法及时回调。解决办法：在PID回路外加一分析模块，主要用于分析压力波动范围，当在正常范围时，自动调节PID回路超调节作用，当在一定时间内波动值超限（根据多次同种燃料燃烧试验取得该值），根据超限的幅度，通过折算模块，将可能出现超限的量直接叠加在PID的输出上，然后直接作用于引风机变频器（前馈方式），使引风机迅速回调，这样就可以在大扰动出现初期抵其带来的波动，通过这种前馈方式可消除大扰动变化量70%左右，其余则就由常规PID回路进行消除和调整。
当炉排振动时，由于生物质料层厚度较大，炉排风透过料层时的压力和风量会在短时间内改变炉内动力场分布。这种扰动引起压力波动也较大，但其有规律性，其压力波动图形基本属于抛物线形或尖峰型。根据其规律，通过中控DCS组态软件中ST语言程序编辑器，编写了一个预控模块，主要功能是通过计算炉排振动时可能产生的压力波动值，提前控制炉排风量（减少），并通过改变炉膛压力PID设定值（增加偏置量，该数值通过现场多次试验取得）两种方式协同作用，就可将炉排振动时产生的扰动消除。
其他随机扰动一般很少出现，当出现时可通过上述的综合控制模型（前馈+预控+PID）进行消除。
4 光大砀山项目流程图及炉膛压力历史趋势
5 结束语
通过在光大砀山项目实施此炉膛压力自动控制模型（前馈+预控+PID），达到了预期的目的，通过长达两年的实际运行，砀山项目锅炉运行中从未出现过冒灰、冒火现象，安全文明生产得到了有力保障，反应出该控制模型应用效果良好。由此可见此模型是适用于BWE锅炉炉膛压力的自动控制的，其他类型的生物质锅炉也有较大的借鉴意义。