生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化李傳慶,等生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)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(guī)劃設(shè)計研究院電氣與儀控部,北京100095)摘要:根據(jù)依托項目介紹了生物質(zhì)電站的廠區(qū)物項關(guān)系、工藝子系統(tǒng)及其劃分。系統(tǒng)地闡述了生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)組成方案,并結(jié)合生物質(zhì)電站的特點,對儀控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)問題進行了分析,問題涉及現(xiàn)場儀表的選型、設(shè)備安裝與調(diào)試、運行維護與管理等方面。最后,對生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)未來有待改進和提升的幾個方面進行了探討關(guān)鍵詞:生物質(zhì)電站監(jiān)控系統(tǒng)儀表與控制DCS智能設(shè)備現(xiàn)場總線中圖分類號: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(shè)備及參數(shù)主機設(shè)備主要包括秸桿鍋爐、汽輪機和發(fā)電機,具21世紀,人類面臨能源短缺和環(huán)境保護兩大核心體介紹如下。問題。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(shù)自然循環(huán)爐,單鍋筒、單爐潔能源,國內(nèi)已有多家企業(yè)集團投資建設(shè)了多個生物膛、平衡通風(fēng)室外布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、底部支質(zhì)發(fā)電項目。相對于常規(guī)的燃煤機組,生物質(zhì)發(fā)電站撐結(jié)構(gòu)型鍋爐。鍋爐設(shè)備按燃燒硬質(zhì)秸稈燃料設(shè)計,具有燃料可再生、區(qū)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(shè)周期快等一系列優(yōu)點。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(shè)備廠產(chǎn)品,額定功率生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在整個設(shè)計流程、設(shè)計為30MW額定轉(zhuǎn)速為3000y/min,無刷勵磁系統(tǒng)。程序和設(shè)計管理方面與傳統(tǒng)火電站基本沒有區(qū)別1.2主要工藝系統(tǒng)及特點但在生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與配置、儀控設(shè)備布置、技術(shù)接依托項目的主要工藝系統(tǒng)及特點介紹如下。口實施以及監(jiān)控系統(tǒng)所執(zhí)行的一些具體功能方面,其與傳統(tǒng)火電站有著明顯的不同。①給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺150t/h的調(diào)速電動給水泵,一臺運行、一臺備用。1依托項目介紹②凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置兩臺容量為100%的臥式電動凝結(jié)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月正式開工,于2011年9月正式并③送風(fēng)系統(tǒng)由一臺為100%容量的送風(fēng)機和空預(yù)網(wǎng)發(fā)電器組成,引風(fēng)系統(tǒng)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中國煤化工自動調(diào)節(jié)適與控制工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,工程師;主要從事AP100核電站的常規(guī)應(yīng)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(tǒng)設(shè)計與研究。水亦可直接作為凝汽器啟動補水PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化李傳慶,等⑤循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是具有冷水塔的二次循環(huán)水的LCD、鍵盤及鼠標等,完成對機組的監(jiān)視、調(diào)整與控系統(tǒng),設(shè)有兩臺50%容量的循環(huán)水泵,用于向凝汽器、制。當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時,按照“故障安冷油器發(fā)電機空冷器等設(shè)備提供循環(huán)冷卻水。全”的原則,通過安裝在操作臺上的少數(shù)獨立于DCS⑥燃料經(jīng)過螺旋給料機由一條上料皮帶機運送的硬接線手操設(shè)備,實現(xiàn)機組的緊急安全停機?；瘜W(xué)至位于爐前的秸稈料倉中,通過取料螺旋,由爐前料倉除鹽水處理系統(tǒng)納入DCS,在輔助車間內(nèi)設(shè)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(tǒng)調(diào)試和臨時檢修維護,正常運2廠區(qū)物項關(guān)系行時的輔助車間按無人值守考慮。電氣控制系統(tǒng)使用與DCS相同的軟硬件,配置有一臺獨立的操作站,在廠區(qū)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(nèi)進行統(tǒng)一的監(jiān)控。所示。4.2監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點生物質(zhì)發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基于上述廠區(qū)物項和工燃料堆〈地下料斗>輸送皮帶>爐前料倉藝子系統(tǒng)進行劃分,按照“工藝相關(guān)、區(qū)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為平臺的全廠信息采集、信息處沖水塔>水(水泵房><除生器>灰?guī)?理、信息集成和信息決策過程。生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖引風(fēng)機如圖2所示。煙氣監(jiān)測管理層圖1廠區(qū)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(tǒng)與劃分冗余網(wǎng)絡(luò)全廠工藝系統(tǒng)由鍋爐側(cè)系統(tǒng)、汽輪機側(cè)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。就地控制室控制層鍋爐側(cè)系統(tǒng)包括:①鍋爐本體及相關(guān)系統(tǒng)(含汽水、煙風(fēng)、點火、燃油、給料等子系統(tǒng));②除灰渣系統(tǒng);③壓縮空氣系統(tǒng);④上料系統(tǒng)。汽輪機側(cè)系統(tǒng)包括:①汽輪機本體系統(tǒng);②汽輪機設(shè)備現(xiàn)場儀表與控制設(shè)備水系統(tǒng);③汽輪機汽系統(tǒng)/④循環(huán)水及冷卻水系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包括:①化學(xué)除鹽水處理系統(tǒng);②綜合水圖2生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖泵房系統(tǒng);③汽水取樣與加藥系統(tǒng);④采暖加熱系統(tǒng);Fg2 Structure of the production monitoring and control network⑤電氣控制系統(tǒng)。整個生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成具有以下特點。4控制方式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)①全廠設(shè)置一套DCS系統(tǒng),完成全廠系統(tǒng)監(jiān)視與控制功能,不再單獨設(shè)置輔網(wǎng)程控系統(tǒng)。對于化水制4.1控制方式氯系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)隨主設(shè)備廠家配套PLC系統(tǒng),通機組在就地人員巡回檢查的配合下,在集中控制過RS-485通信方式接入DCS系統(tǒng),進行統(tǒng)一監(jiān)控室內(nèi)實現(xiàn)機組的啟停、運行工況監(jiān)視和調(diào)整以及事故②在距離主廠房較遠、工藝設(shè)備分布較為集中的處理等。機組采用一套分散控制系統(tǒng)( distributed區(qū)域,采用遠程O技術(shù),如化水除鹽水處理系統(tǒng)設(shè)置control system,DCS)實現(xiàn)全廠主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備的套遠程vO站,綜合水泵房內(nèi)設(shè)置遠程LO柜。參數(shù)檢測、報警、控制、聯(lián)鎖、保護、診斷、事故處理等功③汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽機本體監(jiān)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(tǒng)(TSI)、汽機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)均隨主機設(shè)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,全廠共設(shè)一個集的硬接線CNMHG有兩套獨立的中控制室。運行人員在集控室內(nèi)通過DCS操作員站上位機,分別位于集控室和工程師室內(nèi)?！蹲詣踊瘍x表》第34卷第5期2013年5月生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化李傳慶,等5集控室與電子設(shè)備間布置閥。這種設(shè)置存在的問題是:通過在集中控制室內(nèi)設(shè)置的硬手操按鈕不一定能夠完全實現(xiàn)汽包緊急放水功考慮到工程廠區(qū)面積較小,主廠房區(qū)域內(nèi)儀控設(shè)能,因為緊急疏水還取決于另一個電動疏水調(diào)節(jié)閥備采用了集中布置方案。汽輪機主廠房運轉(zhuǎn)層上布置狀態(tài)。了集控室、工程師室、電子設(shè)備間;運轉(zhuǎn)層下方布置目前,采用通過硬手操按鈕打開緊急疏水閥,同時有相應(yīng)的電纜橋架通向鍋爐、汽機以及外圍的輔助車通過DCS聯(lián)鎖強制電動疏水調(diào)節(jié)閥至全開位。筆者間。此外,在化水處理車間布置了一個儀控電子設(shè)備建議今后可以考慮直接取消兩個電動疏水閥,改為間、一套DCS遠程站(包括DCS處理器機柜、卡件柜、個帶有快開功能的氣動調(diào)節(jié)閥。電源柜、操作員站等);綜合水泵房采用了遠程O技6.4機組協(xié)調(diào)及相關(guān)問題術(shù),泵房車間內(nèi)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(qū)域電6主要技術(shù)性問題與分析網(wǎng)的調(diào)度,其根據(jù)機組實際能力發(fā)電。機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行在機-跟-爐模式或機-爐均為手動模式,導(dǎo)致6.1爐膛溫度測量裝置選型與比較機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法投人自動運行的原因在于燃燒爐膛溫度采用進口紅外溫度測量裝置,爐膛溫度控制系統(tǒng)與蒸汽溫度控制系統(tǒng)的自動投入率低。然范圍在200~1500℃之間。據(jù)調(diào)查,目前,溫度范圍而,關(guān)鍵控制回路自動投入率低與工藝系統(tǒng)特點及相僅有200~1200℃和368~1600℃兩種選擇?？紤]關(guān)參數(shù)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較多,燃料的發(fā)熱量不在著較大盲區(qū),而計劃選用200~1200℃,通過與鍋同,導(dǎo)致對送風(fēng)量需求量變化,而送風(fēng)量無法準確測量爐廠的進一步確認,爐膛內(nèi)正常工作溫度在80℃左是一個重要影響因素;其次,由于產(chǎn)生的熱量的波動會右,上限不會超過1200℃?，F(xiàn)場經(jīng)驗反饋認為,紅外影響蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路,而這種熱量波動沒有有效的測溫裝置屬于非接觸式測溫裝置,安裝調(diào)試和后續(xù)維測量手段和對蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路進行有效補償?shù)牟咦o比較麻煩,且價格較高,建議采用熱電偶來代替。但略,導(dǎo)致蒸汽溫度控制無法投入自動。設(shè)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(shù)的無法測量嚴重影響了整體個爐膛中燃燒熱場分布較為分散,而采用非接觸式的熱工自動化水平的提升。測溫能夠測量到爐膛中心區(qū)域的最高溫度,無須補償;6,5機組保護相關(guān)問題而熱電偶接觸式測量方式,測量溫度與爐膛中心區(qū)域生物質(zhì)發(fā)電機組在跳閘保護系統(tǒng)的設(shè)計上存在與的溫度存在較大偏差。從經(jīng)濟性比較來看,測量溫度現(xiàn)有火電機組相關(guān)跳閘保護規(guī)范要求的不同之處,具在0~1200℃時,熱電偶選擇S型。這類熱電偶價格體如下。昂貴,與非接觸紅外測溫裝置在價格上的優(yōu)勢也并不①爐膛壓力設(shè)定采用壓力變送器而非壓力開關(guān),明顯究其原因主要如下:對于此類鍋爐,由于爐排的振動而6.2爐前料倉料位監(jiān)視問題產(chǎn)生的周期性沖擊壓力導(dǎo)致爐膛壓力的變動范圍較燃料經(jīng)過皮帶輸送機進入爐前的料倉,給料機將大,使得壓力開關(guān)保護經(jīng)常性地動作,爐膛壓力保護回燃料送入爐膛,燃料在料倉中的下落過程非常容易發(fā)路無法投入自動。而采用壓力變送器進入DCS對壓生堵塞現(xiàn)象,不及時處理將造成爐膛燃料斷供以及料力測量的定值調(diào)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。倉料位是一個重要的監(jiān)視參數(shù),但截止目前一直缺乏②按照相關(guān)技術(shù)規(guī)定,鍋爐主燃料跳閘后,應(yīng)將有效的監(jiān)視手段。送引風(fēng)機保持原位,并保持爐膛內(nèi)通風(fēng),防止內(nèi)爆。而在實際運行中,常規(guī)的在料倉設(shè)置料位開關(guān)的效生物質(zhì)機組在完成相應(yīng)鍋爐操作后,關(guān)閉送引風(fēng)機,因果并不理想,經(jīng)常會發(fā)生誤報和漏報情況,無法真實反為燃料在爐膛內(nèi)不會產(chǎn)生內(nèi)爆事故,再次啟動后爐膛映料倉內(nèi)燃料流動情況,所以爐前料倉料位監(jiān)視手段內(nèi)燃料會得到再次利用,有利于提高燃料利用率。有待改進。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題停機外(防止因中國煤化工進水事故發(fā)在汽包與緊急疏水?dāng)U容器之間的同一根管道上設(shè)生),其他保護CNMHG系,即停機置了兩個電動門:電動疏水調(diào)節(jié)閥和緊急電動疏水閘不停爐、停爐不停機。PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION VoL 34 No 5 May 2013生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化李傳慶,等上述問題反映出直接將火電機組熱工保護相應(yīng)規(guī)優(yōu)勢,結(jié)合生物質(zhì)發(fā)電自身特點,開發(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(jié)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,制定本行業(yè)相關(guān)約束性和指導(dǎo)消耗過程的供應(yīng)鏈管理。由于燃料分布于電廠周邊地性規(guī)程規(guī)范。區(qū)而且種類較多,在收購、運輸方面都比較困難,作為7未來展望可再生資源受季節(jié)性影響燃料供給具有周期性,而且料廠存儲空間有限,燃料大量堆積會造成倉儲成本提通過分析常規(guī)火電站的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可知,無論高,如何將燃料控制在既能保證機組長周期運行對燃從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計還是從技術(shù)研發(fā)角度都還存在改進的料量的需求,又能保證倉儲在合理范圍內(nèi)是仍需研究必要和可能,主要包括以下幾個方面。的問題。另外,作為一類典型的分布式發(fā)電項目,MS①可以試點在輔助系統(tǒng)區(qū)域應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù),在不同廠址間的生產(chǎn)調(diào)度與管理信息在集團總部的信實現(xiàn)現(xiàn)場智能設(shè)備在控制室的集中管控。此類電站的息共享方面也具有重要現(xiàn)實意義,有助于完成對不同輔助系統(tǒng)非常簡單、輔助系統(tǒng)規(guī)模較小、區(qū)域分布較為廠址的各項指標的統(tǒng)計、分析決策以及資源的節(jié)約與集中、與機組運行非直接相關(guān),且現(xiàn)場大量儀表已經(jīng)采優(yōu)化配置。用智能化儀表設(shè)備,具備了使用現(xiàn)場總線的技術(shù)前提8結(jié)束語條件現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用將是實現(xiàn)全數(shù)字化生產(chǎn)監(jiān)控系生物發(fā)電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過近一年時間的運行表統(tǒng)的一項重要標志。明6;生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍廣、系統(tǒng)配置合理、關(guān)②熱工自動化水平有待進一步提升?，F(xiàn)有技術(shù)鍵參數(shù)可測、安全保護系統(tǒng)運行有效,基本滿足了運行基本滿足了運行人員需求,但與達到工程設(shè)計的理想人員對生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的一般性要求。同時,系統(tǒng)在運目標之間還存在較大差距,主要表現(xiàn)為:一方面,部分行期間也暴露了一些技術(shù)性間題?？偟膩碚f,生物發(fā)一次參數(shù)無法測量或無法準確測量,以至于一些重要電生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的熱工自動化水平有待進一步提高,的模擬量調(diào)節(jié)回路自動投入率低,如燃燒控制系統(tǒng)、蒸整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制以及信息化功能的深入開發(fā)存在汽溫度控制系統(tǒng)等;另一方面控制系統(tǒng)的功能不完善著巨大潛力。以及功能與工藝系統(tǒng)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)的幾點思考門,宏觀經(jīng)濟研處理“海量數(shù)據(jù)”,這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)再利用和數(shù)據(jù)深層次信2)商水芬,候振,胡訓(xùn)棟單縣龍基生物發(fā)電工程粘桿電廠設(shè)計研究[冂].山東電力技術(shù),2007(1):26-29息挖掘容易造成監(jiān)控系統(tǒng)采集與再處理兩類數(shù)據(jù)3]譚宗云,趙朝華生物質(zhì)能分布式發(fā)電技術(shù)及意義[門中國電流的嚴重不平衡。這也是自動化水平低的又一表現(xiàn)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?zhèn)鞑?2010(12):198在著較大的潛力,同時難度也非常大?？刂苾?yōu)化是以5]黃宗漢生物質(zhì)發(fā)電廠的設(shè)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(tǒng)的[6]蓋東飛,傅鈞300MW生物質(zhì)發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計特點[J水利電力機械,2006,28(12):97-99數(shù)學(xué)模型采用先進控制、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調(diào)試[],科或多目標優(yōu)化過程技信息,2009(7):705-706機組的控制優(yōu)化是一個系統(tǒng)工程80,與機組整8章素華自主創(chuàng)新熱工自動化技術(shù)的思考[中國電力企業(yè)管體自動化水平是密切相關(guān)的,在機組“底層”自動化水理:信息化版,2009(6):26-30平較低的情況下,無論多么優(yōu)秀的控制優(yōu)化方案都難9]花進火電廠優(yōu)化控制平臺及其應(yīng)用門J電力設(shè)備,200(4):以在實際工程中實施,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(tǒng)"( management [11]馬輝,劉CN GIS系統(tǒng)的探索information system,MS)平臺對全廠綜合性信息管理的實踐[J].高電壓技術(shù),2001(27):22-25《自動化儀表》第34卷第5期2013年5月