生物质电站生产监控系统与优化

生物质电站生产监控系统与优化李传庆,等生物质电站生产监控系统与优化Production Monitoring System in Biomass Power Station and Its Optimization李传庆胡善云马玉敏(国核电力规划设计研究院电气与仪控部,北京100095)摘要:根据依托项目介绍了生物质电站的厂区物项关系、工艺子系统及其划分。系统地阐述了生产监控系统组成方案,并结合生物质电站的特点,对仪控系统的相关技术问题进行了分析,问题涉及现场仪表的选型、设备安装与调试、运行维护与管理等方面。最后,对生物质电站生产监控系统未来有待改进和提升的几个方面进行了探讨关键词:生物质电站监控系统仪表与控制DCS智能设备现场总线中图分类号:TP271文献标志码:AAbstract: In accordance with the specific relying project, the relationships among plant items of biomass power station, technologicalbsystems and their partition are introduced. The composition strategy of the production monitoring system are systematically described, andcombining with the features of the biomass power station, related technical issues of the instrument and control system are analyzed, includingthe model selection of the field instruments, device installation and commissioning, operation, maintenance and management, etc. Finally someof the topics for improving and enhancing the production monitoring system of biomass power station in future are investigatedKeywords: Biomass power station Monitoring system Instrument and control Distributed control system Intelligent device Field bus0引言1.1主机设备及参数主机设备主要包括秸杆锅炉、汽轮机和发电机,具21世纪,人类面临能源短缺和环境保护两大核心体介绍如下。问题。大力发展可再生能源和清洁能源是解决上述①秸秆锅炉,采用龙基生物发电工程有限公司产问题的一种重要途径。生物质能作为一种可再生的清品,型式为高温、高压参数自然循环炉,单锅筒、单炉洁能源,国内已有多家企业集团投资建设了多个生物膛、平衡通风室外布置、固态排渣、全钢构架、底部支质发电项目。相对于常规的燃煤机组,生物质发电站撑结构型锅炉。锅炉设备按燃烧硬质秸秆燃料设计,具有燃料可再生、区域性收集运输成本低、对环境污染并可掺烧≤10%的软质秸秆。小、项目投资少、建设周期快等一系列优点。目前,生②汽轮机,采用青岛捷能汽轮机股份有限公司产物质能已经成为我国分布式能源发电的一个重要组成品,型式为高温高压、单缸、单轴凝汽式汽轮机。部分241③发电机,采用济南发电设备厂产品,额定功率生物质电站生产监控系统在整个设计流程、设计为30MW额定转速为3000y/min,无刷励磁系统。程序和设计管理方面与传统火电站基本没有区别1.2主要工艺系统及特点但在生产监控网络规划与配置、仪控设备布置、技术接依托项目的主要工艺系统及特点介绍如下。口实施以及监控系统所执行的一些具体功能方面,其与传统火电站有着明显的不同。①给水系统设置两台150t/h的调速电动给水泵,一台运行、一台备用。1依托项目介绍②凝结水系统设置两台容量为100%的卧式电动凝结水泵,一台运行、一台备用依托工程主要是新建单元机组,不考虑再扩建工程于2010年9月正式开工,于2011年9月正式并③送风系统由一台为100%容量的送风机和空预网发电器组成,引风系统由一台为100%容量引风机将烟气吸入布袋除尘器净化,经烟囱排向大气修改稿收到日期:2012-05-2第一作者李传庆(1981-),男,2006年毕业于东北电力大学控制理论④化学除V中国煤化工自动调节适与控制工程专业,获碩士学位,工程师;主要从事AP100核电站的常规应不同工况CNMHG量,化学除盐岛、大型火电、新能源等电源項目的仪控系统设计与研究。水亦可直接作为凝汽器启动补水PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物质电站生产监控系统与优化李传庆,等⑤循环冷却水系统是具有冷水塔的二次循环水的LCD、键盘及鼠标等,完成对机组的监视、调整与控系统,设有两台50%容量的循环水泵,用于向凝汽器、制。当DCS发生全局性或重大故障时,按照“故障安冷油器发电机空冷器等设备提供循环冷却水。全”的原则,通过安装在操作台上的少数独立于DCS⑥燃料经过螺旋给料机由一条上料皮带机运送的硬接线手操设备,实现机组的紧急安全停机。化学至位于炉前的秸秆料仓中,通过取料螺旋,由炉前料仓除盐水处理系统纳入DCS,在辅助车间内设置一台底取料分配至给料机送入炉膛燃烧。DCS操作员站,用于系统调试和临时检修维护,正常运2厂区物项关系行时的辅助车间按无人值守考虑。电气控制系统使用与DCS相同的软硬件,配置有一台独立的操作站,在厂区主要物项以及物项之间的关系流程图如图1集中控制室内进行统一的监控。所示。4.2监控网络结构及特点生物质发电生产监控网络基于上述厂区物项和工燃料堆〈地下料斗>输送皮带>炉前料仓艺子系统进行划分,按照“工艺相关、区域相近”的总电气主变4汽机房>4锅炉房>化水处理>体原则,完成以DCS为平台的全厂信息采集、信息处冲水塔>水(水泵房><除生器>灰库>理、信息集成和信息决策过程。生产监控网络结构图引风机如图2所示。烟气监测管理层图1厂区物项关系图集中控制室ECSOSDCS-ERelationships among plant items人机fGP接口层网关3主要子系统与划分冗余网络全厂工艺系统由锅炉侧系统、汽轮机侧系统、辅助系统等组成。就地控制室控制层锅炉侧系统包括:①锅炉本体及相关系统(含汽水、烟风、点火、燃油、给料等子系统);②除灰渣系统;③压缩空气系统;④上料系统。汽轮机侧系统包括:①汽轮机本体系统;②汽轮机设备现场仪表与控制设备水系统;③汽轮机汽系统/④循环水及冷却水系统。辅助系统包括:①化学除盐水处理系统;②综合水图2生产监控网络结构图泵房系统;③汽水取样与加药系统;④采暖加热系统;Fg2 Structure of the production monitoring and control network⑤电气控制系统。整个生产监控网络构成具有以下特点。4控制方式与网络结构①全厂设置一套DCS系统,完成全厂系统监视与控制功能,不再单独设置辅网程控系统。对于化水制4.1控制方式氯系统以及除尘系统随主设备厂家配套PLC系统,通机组在就地人员巡回检查的配合下,在集中控制过RS-485通信方式接入DCS系统,进行统一监控室内实现机组的启停、运行工况监视和调整以及事故②在距离主厂房较远、工艺设备分布较为集中的处理等。机组采用一套分散控制系统( distributed区域,采用远程O技术,如化水除盐水处理系统设置control system,DCS)实现全厂主要工艺系统及设备的套远程vO站,综合水泵房内设置远程LO柜。参数检测、报警、控制、联锁、保护、诊断、事故处理等功③汽机数字电液控制系统(DEH)、汽机本体监测能。机组的运行人员在主控室按“一主一辅”的定员仪表系统(TSI)、汽机紧急跳闸系统(ETS)均随主机设配置。备成套供货中国煤化工换采用”一对机组釆用炉、机、电、辅集中控制,全厂共设一个集的硬接线CNMHG有两套独立的中控制室。运行人员在集控室内通过DCS操作员站上位机,分别位于集控室和工程师室内。《自动化仪表》第34卷第5期2013年5月生物质电站生产监控系统与优化李传庆,等5集控室与电子设备间布置阀。这种设置存在的问题是:通过在集中控制室内设置的硬手操按钮不一定能够完全实现汽包紧急放水功考虑到工程厂区面积较小,主厂房区域内仪控设能,因为紧急疏水还取决于另一个电动疏水调节阀备采用了集中布置方案。汽轮机主厂房运转层上布置状态。了集控室、工程师室、电子设备间;运转层下方布置目前,采用通过硬手操按钮打开紧急疏水阀,同时有相应的电缆桥架通向锅炉、汽机以及外围的辅助车通过DCS联锁强制电动疏水调节阀至全开位。笔者间。此外,在化水处理车间布置了一个仪控电子设备建议今后可以考虑直接取消两个电动疏水阀,改为间、一套DCS远程站(包括DCS处理器机柜、卡件柜、个带有快开功能的气动调节阀。电源柜、操作员站等);综合水泵房采用了远程O技6.4机组协调及相关问题术,泵房车间内布置了DCS远程0柜。生物质发电机组容量较小,机组均不参与区域电6主要技术性问题与分析网的调度,其根据机组实际能力发电。机组协调控制系统运行在机-跟-炉模式或机-炉均为手动模式,导致6.1炉膛温度测量装置选型与比较机组协调控制系统无法投人自动运行的原因在于燃烧炉膛温度采用进口红外温度测量装置,炉膛温度控制系统与蒸汽温度控制系统的自动投入率低。然范围在200~1500℃之间。据调查,目前,温度范围而,关键控制回路自动投入率低与工艺系统特点及相仅有200~1200℃和368~1600℃两种选择。考虑关参数的测量密切相关。首先,即使能够准确测量送到368~1600℃红外测温仪对炉膛低温段的测量存料量,但由于使用的燃料种类较多,燃料的发热量不在着较大盲区,而计划选用200~1200℃,通过与锅同,导致对送风量需求量变化,而送风量无法准确测量炉厂的进一步确认,炉膛内正常工作温度在80℃左是一个重要影响因素;其次,由于产生的热量的波动会右,上限不会超过1200℃。现场经验反馈认为,红外影响蒸汽温度调节回路,而这种热量波动没有有效的测温装置属于非接触式测温装置,安装调试和后续维测量手段和对蒸汽温度调节回路进行有效补偿的策护比较麻烦,且价格较高,建议采用热电偶来代替。但略,导致蒸汽温度控制无法投入自动。设计采用红外测温更具优势,其原因如下:生物质在整综上所述,一次参数的无法测量严重影响了整体个炉膛中燃烧热场分布较为分散,而采用非接触式的热工自动化水平的提升。测温能够测量到炉膛中心区域的最高温度,无须补偿;6,5机组保护相关问题而热电偶接触式测量方式,测量温度与炉膛中心区域生物质发电机组在跳闸保护系统的设计上存在与的温度存在较大偏差。从经济性比较来看,测量温度现有火电机组相关跳闸保护规范要求的不同之处,具在0~1200℃时,热电偶选择S型。这类热电偶价格体如下。昂贵,与非接触红外测温装置在价格上的优势也并不①炉膛压力设定采用压力变送器而非压力开关,明显究其原因主要如下:对于此类锅炉,由于炉排的振动而6.2炉前料仓料位监视问题产生的周期性冲击压力导致炉膛压力的变动范围较燃料经过皮带输送机进入炉前的料仓,给料机将大,使得压力开关保护经常性地动作,炉膛压力保护回燃料送入炉膛,燃料在料仓中的下落过程非常容易发路无法投入自动。而采用压力变送器进入DCS对压生堵塞现象,不及时处理将造成炉膛燃料断供以及料力测量的定值调整以及延迟、滤波都比较方便,更具灵仓燃料堆积,致使皮带输送机停运。燃料对于炉前料活性。仓料位是一个重要的监视参数,但截止目前一直缺乏②按照相关技术规定,锅炉主燃料跳闸后,应将有效的监视手段。送引风机保持原位,并保持炉膛内通风,防止内爆。而在实际运行中,常规的在料仓设置料位开关的效生物质机组在完成相应锅炉操作后,关闭送引风机,因果并不理想,经常会发生误报和漏报情况,无法真实反为燃料在炉膛内不会产生内爆事故,再次启动后炉膛映料仓内燃料流动情况,所以炉前料仓料位监视手段内燃料会得到再次利用,有利于提高燃料利用率。有待改进。③机组的炉、机保护之间,除因汽包水位高停炉6.3锅炉紧急疏水阀控制问题停机外(防止因中国煤化工进水事故发在汽包与紧急疏水扩容器之间的同一根管道上设生),其他保护CNMHG系,即停机置了两个电动门:电动疏水调节阀和紧急电动疏水闸不停炉、停炉不停机。PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物质电站生产监控系统与优化李传庆,等上述问题反映出直接将火电机组热工保护相应规优势,结合生物质发电自身特点,开发与之相匹配的相程移植到生物质发电机组是不合适的,建议结合生物关功能模块,例如,对生物质燃料的收购、运输、储存质电站工艺自身特点,制定本行业相关约束性和指导消耗过程的供应链管理。由于燃料分布于电厂周边地性规程规范。区而且种类较多,在收购、运输方面都比较困难,作为7未来展望可再生资源受季节性影响燃料供给具有周期性,而且料厂存储空间有限,燃料大量堆积会造成仓储成本提通过分析常规火电站的生产监控系统可知,无论高,如何将燃料控制在既能保证机组长周期运行对燃从监控系统设计还是从技术研发角度都还存在改进的料量的需求,又能保证仓储在合理范围内是仍需研究必要和可能,主要包括以下几个方面。的问题。另外,作为一类典型的分布式发电项目,MS①可以试点在辅助系统区域应用现场总线技术,在不同厂址间的生产调度与管理信息在集团总部的信实现现场智能设备在控制室的集中管控。此类电站的息共享方面也具有重要现实意义,有助于完成对不同辅助系统非常简单、辅助系统规模较小、区域分布较为厂址的各项指标的统计、分析决策以及资源的节约与集中、与机组运行非直接相关,且现场大量仪表已经采优化配置。用智能化仪表设备,具备了使用现场总线的技术前提8结束语条件现场总线技术应用将是实现全数字化生产监控系生物发电生产监控系统通过近一年时间的运行表统的一项重要标志。明6;生产监控系统覆盖范围广、系统配置合理、关②热工自动化水平有待进一步提升。现有技术键参数可测、安全保护系统运行有效,基本满足了运行基本满足了运行人员需求,但与达到工程设计的理想人员对生产监控系统的一般性要求。同时,系统在运目标之间还存在较大差距,主要表现为:一方面,部分行期间也暴露了一些技术性间题。总的来说,生物发一次参数无法测量或无法准确测量,以至于一些重要电生产监控系统的热工自动化水平有待进一步提高,的模拟量调节回路自动投入率低,如燃烧控制系统、蒸整个系统的优化控制以及信息化功能的深入开发存在汽温度控制系统等;另一方面控制系统的功能不完善着巨大潜力。以及功能与工艺系统的特性不匹配等。參考文献另外,从信息角度考虑依托DCS平台,采集和蒋大龙对发展中国生物发电产业的几点思考门,宏观经济研处理“海量数据”,这些数据从底层至人机接口层供究,2008(3):40-42显示、报警和决策缺少数据再利用和数据深层次信2)商水芬,候振,胡训栋单县龙基生物发电工程粘杆电厂设计研究[冂].山东电力技术,2007(1):26-29息挖掘容易造成监控系统采集与再处理两类数据3]谭宗云,赵朝华生物质能分布式发电技术及意义[门中国电流的严重不平衡。这也是自动化水平低的又一表现力教育,2006,161(10):265-266形式。[4]胡越生物质能秸秆发电可再生能源的开发与利用[J].科技③机组的控制优化尤其是锅炉燃烧控制优化存传播,2010(12):198在着较大的潜力,同时难度也非常大。控制优化是以5]黄宗汉生物质发电厂的设计优化J水电与新能源00:8(2)提高机组运行效率、减少单位能源消耗以及降低污染69-7物排放为直接目标,以DCS平台为支撑,建立系统的[6]盖东飞,傅钧300MW生物质发电机组控制系统设计特点[J水利电力机械,2006,28(12):97-99数学模型采用先进控制、智能控制方法完成单一目标(7]张民,袁沽国能威县生物发电公司锅炉整套启动调试[],科或多目标优化过程技信息,2009(7):705-706机组的控制优化是一个系统工程80,与机组整8章素华自主创新热工自动化技术的思考[中国电力企业管体自动化水平是密切相关的,在机组“底层”自动化水理:信息化版,2009(6):26-30平较低的情况下,无论多么优秀的控制优化方案都难9]花进火电厂优化控制平台及其应用门J电力设备,200(4):以在实际工程中实施,只能是“纸上谈兵”,即只限于301-305[0]倪平风奎而为督故件北标若能中国高新技术控制优化的理论阶段。企业,2010(中国煤化工④充分发挥信息管理系统"( management [11]马辉,刘CN GIS系统的探索information system,MS)平台对全厂综合性信息管理的实践[J].高电压技术,2001(27):22-25《自动化仪表》第34卷第5期2013年5月