生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化

生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化李傳慶,等生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化Production Monitoring System in Biomass Power Station and Its Optimization李傳慶胡善云馬玉敏(國核電力規劃設計研究院電氣與儀控部,北京100095)摘要:根據依托項目介紹了生物質(zhì)電站的廠(chǎng)區物項關(guān)系、工藝子系統及其劃分。系統地闡述了生產(chǎn)監控系統組成方案,并結合生物質(zhì)電站的特點(diǎn),對儀控系統的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析,問(wèn)題涉及現場(chǎng)儀表的選型、設備安裝與調試、運行維護與管理等方面。最后,對生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統未來(lái)有待改進(jìn)和提升的幾個(gè)方面進(jìn)行了探討關(guān)鍵詞:生物質(zhì)電站監控系統儀表與控制DCS智能設備現場(chǎng)總線(xiàn)中圖分類(lèi)號:TP271文獻標志碼: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主機設備及參數主機設備主要包括秸桿鍋爐、汽輪機和發(fā)電機,具21世紀,人類(lèi)面臨能源短缺和環(huán)境保護兩大核心體介紹如下。問(wèn)題。大力發(fā)展可再生能源和清潔能源是解決上述①秸稈鍋爐,采用龍基生物發(fā)電工程有限公司產(chǎn)問(wèn)題的一種重要途徑。生物質(zhì)能作為一種可再生的清品,型式為高溫、高壓參數自然循環(huán)爐,單鍋筒、單爐潔能源,國內已有多家企業(yè)集團投資建設了多個(gè)生物膛、平衡通風(fēng)室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、底部支質(zhì)發(fā)電項目。相對于常規的燃煤機組,生物質(zhì)發(fā)電站撐結構型鍋爐。鍋爐設備按燃燒硬質(zhì)秸稈燃料設計,具有燃料可再生、區域性收集運輸成本低、對環(huán)境污染并可摻燒≤10%的軟質(zhì)秸稈。小、項目投資少、建設周期快等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前,生②汽輪機,采用青島捷能汽輪機股份有限公司產(chǎn)物質(zhì)能已經(jīng)成為我國分布式能源發(fā)電的一個(gè)重要組成品,型式為高溫高壓、單缸、單軸凝汽式汽輪機。部分241③發(fā)電機,采用濟南發(fā)電設備廠(chǎng)產(chǎn)品,額定功率生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統在整個(gè)設計流程、設計為30MW額定轉速為3000y/min,無(wú)刷勵磁系統。程序和設計管理方面與傳統火電站基本沒(méi)有區別1.2主要工藝系統及特點(diǎn)但在生產(chǎn)監控網(wǎng)絡(luò )規劃與配置、儀控設備布置、技術(shù)接依托項目的主要工藝系統及特點(diǎn)介紹如下?？趯?shí)施以及監控系統所執行的一些具體功能方面,其與傳統火電站有著(zhù)明顯的不同。①給水系統設置兩臺150t/h的調速電動(dòng)給水泵,一臺運行、一臺備用。1依托項目介紹②凝結水系統設置兩臺容量為100%的臥式電動(dòng)凝結水泵,一臺運行、一臺備用依托工程主要是新建單元機組,不考慮再擴建工程于2010年9月正式開(kāi)工,于2011年9月正式并③送風(fēng)系統由一臺為100%容量的送風(fēng)機和空預網(wǎng)發(fā)電器組成,引風(fēng)系統由一臺為100%容量引風(fēng)機將煙氣吸入布袋除塵器凈化,經(jīng)煙囪排向大氣修改稿收到日期:2012-05-2第一作者李傳慶(1981-),男,2006年畢業(yè)于東北電力大學(xué)控制理論④化學(xué)除V中國煤化工自動(dòng)調節適與控制工程專(zhuān)業(yè),獲碩士學(xué)位,工程師;主要從事AP100核電站的常規應不同工況CNMHG量,化學(xué)除鹽島、大型火電、新能源等電源項目的儀控系統設計與研究。水亦可直接作為凝汽器啟動(dòng)補水PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化李傳慶,等⑤循環(huán)冷卻水系統是具有冷水塔的二次循環(huán)水的LCD、鍵盤(pán)及鼠標等,完成對機組的監視、調整與控系統,設有兩臺50%容量的循環(huán)水泵,用于向凝汽器、制。當DCS發(fā)生全局性或重大故障時(shí),按照“故障安冷油器發(fā)電機空冷器等設備提供循環(huán)冷卻水。全”的原則,通過(guò)安裝在操作臺上的少數獨立于DCS⑥燃料經(jīng)過(guò)螺旋給料機由一條上料皮帶機運送的硬接線(xiàn)手操設備,實(shí)現機組的緊急安全停機?；瘜W(xué)至位于爐前的秸稈料倉中,通過(guò)取料螺旋,由爐前料倉除鹽水處理系統納入DCS,在輔助車(chē)間內設置一臺底取料分配至給料機送入爐膛燃燒。DCS操作員站,用于系統調試和臨時(shí)檢修維護,正常運2廠(chǎng)區物項關(guān)系行時(shí)的輔助車(chē)間按無(wú)人值守考慮。電氣控制系統使用與DCS相同的軟硬件,配置有一臺獨立的操作站,在廠(chǎng)區主要物項以及物項之間的關(guān)系流程圖如圖1集中控制室內進(jìn)行統一的監控。所示。4.2監控網(wǎng)絡(luò )結構及特點(diǎn)生物質(zhì)發(fā)電生產(chǎn)監控網(wǎng)絡(luò )基于上述廠(chǎng)區物項和工燃料堆〈地下料斗>輸送皮帶>爐前料倉藝子系統進(jìn)行劃分,按照“工藝相關(guān)、區域相近”的總電氣主變4汽機房>4鍋爐房>化水處理>體原則,完成以DCS為平臺的全廠(chǎng)信息采集、信息處沖水塔>水(水泵房><除生器>灰庫>理、信息集成和信息決策過(guò)程。生產(chǎn)監控網(wǎng)絡(luò )結構圖引風(fēng)機如圖2所示。煙氣監測管理層圖1廠(chǎng)區物項關(guān)系圖集中控制室ECSOSDCS-ERelationships among plant items人機fGP接口層網(wǎng)關(guān)3主要子系統與劃分冗余網(wǎng)絡(luò )全廠(chǎng)工藝系統由鍋爐側系統、汽輪機側系統、輔助系統等組成。就地控制室控制層鍋爐側系統包括:①鍋爐本體及相關(guān)系統(含汽水、煙風(fēng)、點(diǎn)火、燃油、給料等子系統);②除灰渣系統;③壓縮空氣系統;④上料系統。汽輪機側系統包括:①汽輪機本體系統;②汽輪機設備現場(chǎng)儀表與控制設備水系統;③汽輪機汽系統/④循環(huán)水及冷卻水系統。輔助系統包括:①化學(xué)除鹽水處理系統;②綜合水圖2生產(chǎn)監控網(wǎng)絡(luò )結構圖泵房系統;③汽水取樣與加藥系統;④采暖加熱系統;Fg2 Structure of the production monitoring and control network⑤電氣控制系統。整個(gè)生產(chǎn)監控網(wǎng)絡(luò )構成具有以下特點(diǎn)。4控制方式與網(wǎng)絡(luò )結構①全廠(chǎng)設置一套DCS系統,完成全廠(chǎng)系統監視與控制功能,不再單獨設置輔網(wǎng)程控系統。對于化水制4.1控制方式氯系統以及除塵系統隨主設備廠(chǎng)家配套PLC系統,通機組在就地人員巡回檢查的配合下,在集中控制過(guò)RS-485通信方式接入DCS系統,進(jìn)行統一監控室內實(shí)現機組的啟停、運行工況監視和調整以及事故②在距離主廠(chǎng)房較遠、工藝設備分布較為集中的處理等。機組采用一套分散控制系統( distributed區域,采用遠程O(píng)技術(shù),如化水除鹽水處理系統設置control system,DCS)實(shí)現全廠(chǎng)主要工藝系統及設備的套遠程vO站,綜合水泵房?jì)仍O置遠程LO柜。參數檢測、報警、控制、聯(lián)鎖、保護、診斷、事故處理等功③汽機數字電液控制系統(DEH)、汽機本體監測能。機組的運行人員在主控室按“一主一輔”的定員儀表系統(TSI)、汽機緊急跳閘系統(ETS)均隨主機設配置。備成套供貨中國煤化工換采用”一對機組釆用爐、機、電、輔集中控制,全廠(chǎng)共設一個(gè)集的硬接線(xiàn)CNMHG有兩套獨立的中控制室。運行人員在集控室內通過(guò)DCS操作員站上位機,分別位于集控室和工程師室內?！蹲詣?dòng)化儀表》第34卷第5期2013年5月生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化李傳慶,等5集控室與電子設備間布置閥。這種設置存在的問(wèn)題是:通過(guò)在集中控制室內設置的硬手操按鈕不一定能夠完全實(shí)現汽包緊急放水功考慮到工程廠(chǎng)區面積較小,主廠(chǎng)房區域內儀控設能,因為緊急疏水還取決于另一個(gè)電動(dòng)疏水調節閥備采用了集中布置方案。汽輪機主廠(chǎng)房運轉層上布置狀態(tài)。了集控室、工程師室、電子設備間;運轉層下方布置目前,采用通過(guò)硬手操按鈕打開(kāi)緊急疏水閥,同時(shí)有相應的電纜橋架通向鍋爐、汽機以及外圍的輔助車(chē)通過(guò)DCS聯(lián)鎖強制電動(dòng)疏水調節閥至全開(kāi)位。筆者間。此外,在化水處理車(chē)間布置了一個(gè)儀控電子設備建議今后可以考慮直接取消兩個(gè)電動(dòng)疏水閥,改為間、一套DCS遠程站(包括DCS處理器機柜、卡件柜、個(gè)帶有快開(kāi)功能的氣動(dòng)調節閥。電源柜、操作員站等);綜合水泵房采用了遠程O(píng)技6.4機組協(xié)調及相關(guān)問(wèn)題術(shù),泵房車(chē)間內布置了DCS遠程0柜。生物質(zhì)發(fā)電機組容量較小,機組均不參與區域電6主要技術(shù)性問(wèn)題與分析網(wǎng)的調度,其根據機組實(shí)際能力發(fā)電。機組協(xié)調控制系統運行在機-跟-爐模式或機-爐均為手動(dòng)模式,導致6.1爐膛溫度測量裝置選型與比較機組協(xié)調控制系統無(wú)法投人自動(dòng)運行的原因在于燃燒爐膛溫度采用進(jìn)口紅外溫度測量裝置,爐膛溫度控制系統與蒸汽溫度控制系統的自動(dòng)投入率低。然范圍在200~1500℃之間。據調查,目前,溫度范圍而,關(guān)鍵控制回路自動(dòng)投入率低與工藝系統特點(diǎn)及相僅有200~1200℃和368~1600℃兩種選擇?？紤]關(guān)參數的測量密切相關(guān)。首先,即使能夠準確測量送到368~1600℃紅外測溫儀對爐膛低溫段的測量存料量,但由于使用的燃料種類(lèi)較多,燃料的發(fā)熱量不在著(zhù)較大盲區,而計劃選用200~1200℃,通過(guò)與鍋同,導致對送風(fēng)量需求量變化,而送風(fēng)量無(wú)法準確測量爐廠(chǎng)的進(jìn)一步確認,爐膛內正常工作溫度在80℃左是一個(gè)重要影響因素;其次,由于產(chǎn)生的熱量的波動(dòng)會(huì )右,上限不會(huì )超過(guò)1200℃?，F場(chǎng)經(jīng)驗反饋認為,紅外影響蒸汽溫度調節回路,而這種熱量波動(dòng)沒(méi)有有效的測溫裝置屬于非接觸式測溫裝置,安裝調試和后續維測量手段和對蒸汽溫度調節回路進(jìn)行有效補償的策護比較麻煩,且價(jià)格較高,建議采用熱電偶來(lái)代替。但略,導致蒸汽溫度控制無(wú)法投入自動(dòng)。設計采用紅外測溫更具優(yōu)勢,其原因如下:生物質(zhì)在整綜上所述,一次參數的無(wú)法測量嚴重影響了整體個(gè)爐膛中燃燒熱場(chǎng)分布較為分散,而采用非接觸式的熱工自動(dòng)化水平的提升。測溫能夠測量到爐膛中心區域的最高溫度,無(wú)須補償;6,5機組保護相關(guān)問(wèn)題而熱電偶接觸式測量方式,測量溫度與爐膛中心區域生物質(zhì)發(fā)電機組在跳閘保護系統的設計上存在與的溫度存在較大偏差。從經(jīng)濟性比較來(lái)看,測量溫度現有火電機組相關(guān)跳閘保護規范要求的不同之處,具在0~1200℃時(shí),熱電偶選擇S型。這類(lèi)熱電偶價(jià)格體如下。昂貴,與非接觸紅外測溫裝置在價(jià)格上的優(yōu)勢也并不①爐膛壓力設定采用壓力變送器而非壓力開(kāi)關(guān),明顯究其原因主要如下:對于此類(lèi)鍋爐,由于爐排的振動(dòng)而6.2爐前料倉料位監視問(wèn)題產(chǎn)生的周期性沖擊壓力導致?tīng)t膛壓力的變動(dòng)范圍較燃料經(jīng)過(guò)皮帶輸送機進(jìn)入爐前的料倉,給料機將大,使得壓力開(kāi)關(guān)保護經(jīng)常性地動(dòng)作,爐膛壓力保護回燃料送入爐膛,燃料在料倉中的下落過(guò)程非常容易發(fā)路無(wú)法投入自動(dòng)。而采用壓力變送器進(jìn)入DCS對壓生堵塞現象,不及時(shí)處理將造成爐膛燃料斷供以及料力測量的定值調整以及延遲、濾波都比較方便,更具靈倉燃料堆積,致使皮帶輸送機停運。燃料對于爐前料活性。倉料位是一個(gè)重要的監視參數,但截止目前一直缺乏②按照相關(guān)技術(shù)規定,鍋爐主燃料跳閘后,應將有效的監視手段。送引風(fēng)機保持原位,并保持爐膛內通風(fēng),防止內爆。而在實(shí)際運行中,常規的在料倉設置料位開(kāi)關(guān)的效生物質(zhì)機組在完成相應鍋爐操作后,關(guān)閉送引風(fēng)機,因果并不理想,經(jīng)常會(huì )發(fā)生誤報和漏報情況,無(wú)法真實(shí)反為燃料在爐膛內不會(huì )產(chǎn)生內爆事故,再次啟動(dòng)后爐膛映料倉內燃料流動(dòng)情況,所以爐前料倉料位監視手段內燃料會(huì )得到再次利用,有利于提高燃料利用率。有待改進(jìn)。③機組的爐、機保護之間,除因汽包水位高停爐6.3鍋爐緊急疏水閥控制問(wèn)題停機外(防止因中國煤化工進(jìn)水事故發(fā)在汽包與緊急疏水擴容器之間的同一根管道上設生),其他保護CNMHG系,即停機置了兩個(gè)電動(dòng)門(mén):電動(dòng)疏水調節閥和緊急電動(dòng)疏水閘不停爐、停爐不停機。PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物質(zhì)電站生產(chǎn)監控系統與優(yōu)化李傳慶,等上述問(wèn)題反映出直接將火電機組熱工保護相應規優(yōu)勢,結合生物質(zhì)發(fā)電自身特點(diǎn),開(kāi)發(fā)與之相匹配的相程移植到生物質(zhì)發(fā)電機組是不合適的,建議結合生物關(guān)功能模塊,例如,對生物質(zhì)燃料的收購、運輸、儲存質(zhì)電站工藝自身特點(diǎn),制定本行業(yè)相關(guān)約束性和指導消耗過(guò)程的供應鏈管理。由于燃料分布于電廠(chǎng)周邊地性規程規范。區而且種類(lèi)較多,在收購、運輸方面都比較困難,作為7未來(lái)展望可再生資源受季節性影響燃料供給具有周期性,而且料廠(chǎng)存儲空間有限,燃料大量堆積會(huì )造成倉儲成本提通過(guò)分析常規火電站的生產(chǎn)監控系統可知,無(wú)論高,如何將燃料控制在既能保證機組長(cháng)周期運行對燃從監控系統設計還是從技術(shù)研發(fā)角度都還存在改進(jìn)的料量的需求,又能保證倉儲在合理范圍內是仍需研究必要和可能,主要包括以下幾個(gè)方面。的問(wèn)題。另外,作為一類(lèi)典型的分布式發(fā)電項目,MS①可以試點(diǎn)在輔助系統區域應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),在不同廠(chǎng)址間的生產(chǎn)調度與管理信息在集團總部的信實(shí)現現場(chǎng)智能設備在控制室的集中管控。此類(lèi)電站的息共享方面也具有重要現實(shí)意義,有助于完成對不同輔助系統非常簡(jiǎn)單、輔助系統規模較小、區域分布較為廠(chǎng)址的各項指標的統計、分析決策以及資源的節約與集中、與機組運行非直接相關(guān),且現場(chǎng)大量?jì)x表已經(jīng)采優(yōu)化配置。用智能化儀表設備,具備了使用現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)前提8結束語(yǔ)條件現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用將是實(shí)現全數字化生產(chǎn)監控系生物發(fā)電生產(chǎn)監控系統通過(guò)近一年時(shí)間的運行表統的一項重要標志。明6;生產(chǎn)監控系統覆蓋范圍廣、系統配置合理、關(guān)②熱工自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提升?，F有技術(shù)鍵參數可測、安全保護系統運行有效,基本滿(mǎn)足了運行基本滿(mǎn)足了運行人員需求,但與達到工程設計的理想人員對生產(chǎn)監控系統的一般性要求。同時(shí),系統在運目標之間還存在較大差距,主要表現為:一方面,部分行期間也暴露了一些技術(shù)性間題?？偟膩?lái)說(shuō),生物發(fā)一次參數無(wú)法測量或無(wú)法準確測量,以至于一些重要電生產(chǎn)監控系統的熱工自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提高,的模擬量調節回路自動(dòng)投入率低,如燃燒控制系統、蒸整個(gè)系統的優(yōu)化控制以及信息化功能的深入開(kāi)發(fā)存在汽溫度控制系統等;另一方面控制系統的功能不完善著(zhù)巨大潛力。以及功能與工藝系統的特性不匹配等。參考文獻另外,從信息角度考慮依托DCS平臺,采集和蔣大龍對發(fā)展中國生物發(fā)電產(chǎn)業(yè)的幾點(diǎn)思考門(mén),宏觀(guān)經(jīng)濟研處理“海量數據”,這些數據從底層至人機接口層供究,2008(3):40-42顯示、報警和決策缺少數據再利用和數據深層次信2)商水芬,候振,胡訓棟單縣龍基生物發(fā)電工程粘桿電廠(chǎng)設計研究[冂].山東電力技術(shù),2007(1):26-29息挖掘容易造成監控系統采集與再處理兩類(lèi)數據3]譚宗云,趙朝華生物質(zhì)能分布式發(fā)電技術(shù)及意義[門(mén)中國電流的嚴重不平衡。這也是自動(dòng)化水平低的又一表現力教育,2006,161(10):265-266形式。[4]胡越生物質(zhì)能秸稈發(fā)電可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用[J].科技③機組的控制優(yōu)化尤其是鍋爐燃燒控制優(yōu)化存傳播,2010(12):198在著(zhù)較大的潛力,同時(shí)難度也非常大?？刂苾?yōu)化是以5]黃宗漢生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的設計優(yōu)化J水電與新能源00:8(2)提高機組運行效率、減少單位能源消耗以及降低污染69-7物排放為直接目標,以DCS平臺為支撐,建立系統的[6]蓋東飛,傅鈞300MW生物質(zhì)發(fā)電機組控制系統設計特點(diǎn)[J水利電力機械,2006,28(12):97-99數學(xué)模型采用先進(jìn)控制、智能控制方法完成單一目標(7]張民,袁沽國能威縣生物發(fā)電公司鍋爐整套啟動(dòng)調試[],科或多目標優(yōu)化過(guò)程技信息,2009(7):705-706機組的控制優(yōu)化是一個(gè)系統工程80,與機組整8章素華自主創(chuàng )新熱工自動(dòng)化技術(shù)的思考[中國電力企業(yè)管體自動(dòng)化水平是密切相關(guān)的,在機組“底層”自動(dòng)化水理:信息化版,2009(6):26-30平較低的情況下,無(wú)論多么優(yōu)秀的控制優(yōu)化方案都難9]花進(jìn)火電廠(chǎng)優(yōu)化控制平臺及其應用門(mén)J電力設備,200(4):以在實(shí)際工程中實(shí)施,只能是“紙上談兵”,即只限于301-305[0]倪平風(fēng)奎而為督故件北標若能中國高新技術(shù)控制優(yōu)化的理論階段。企業(yè),2010(中國煤化工④充分發(fā)揮信息管理系統"( management [11]馬輝,劉CN GIS系統的探索information system,MS)平臺對全廠(chǎng)綜合性信息管理的實(shí)踐[J].高電壓技術(shù),2001(27):22-25《自動(dòng)化儀表》第34卷第5期2013年5月