田立强

1.前言

目前，我国发电利用的能源以煤炭、石油及天然气等不可再生的化石能源为主。化石能源资源的有限性及其开发利用引起的环境污染和温室气体排放，对其广泛应用产生了严重的制约作用。生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%。我国每年农作物秸秆资源量约占生物质能源资源量的一半。我国农作物秸秆的年产量在7亿吨左右。除了用作工业原来、畜牧饲料以外，可以作为能源使用的在3.5亿吨左右。秸秆是一种很好的清洁可再生能源，每两吨秸秆的热值就相当于一吨标准煤，而且其平均含硫量只有3.8‰，而煤的平均含硫量约达1％。在生物质的再生利用过程中，排放的CO2 与生物质再生时吸收的CO2 达到碳平衡，具有CO2零排放的作用，对缓解和最终解决温室效应问题将具有重要贡献。秸秆发电是秸秆优化利用的最主要形式之一。随着《可再生能源法》和《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》等的出台，秸秆发电备受关注，目前秸秆发电呈快速增长趋势。

生物质直燃发电，根据燃料种类不同，燃料上料系统一般也不相同，主要分为灰色秸秆和黄色秸秆两大类。棉花秸秆、树枝、木材下脚料等密度较大的木本类植物属于灰色秸秆，需破碎加工后输送至炉膛内燃烧；玉米、小麦等草本类植物属于黄色秸秆，因其体积大、重量轻、密度小，为满足锅炉燃烧发热量，保证单位时间内的上料量，需要打捆至规定的体积和重量后输送至炉膛内燃烧.

本文结合中节能生物质热电工程实例来探讨秸秆发电的控制方案.

2.工程概况

中节能生物质热电工程配套自备热电厂为两台12MW凝汽式汽轮发电机组，配两台次高温次高压生物质燃料锅炉。秸秆锅炉为次高温次高压、自然循环、全钢炉架、燃烧秸秆、振动炉排、汽包炉、全封闭布置，点火方式：锅炉点火采用整体燃烧器。本期工程的设计燃料：玉米和小麦秸秆。

3.控制室设计的简洁化

3.1机组控制方式

采用炉、机、电集中控制方式，设一个集中控制室。集中控制室、工程师室及电子设备间布置在除氧间B、C框架的8m运转层上。

在集中控制室内实现机组的锅炉、汽轮机、发电机和除氧给水系统的运行监控，设置机组后备盘和操作台。机组后备盘上设置热工信号、炉膛火焰电视、汽包水位电视、全厂工业电视等。操作台上设置DCS操作员站及DEH操作员站，LCD、键盘和鼠标以及机组危急操作开关设备等。其中危急操作开关设备包括:交、直流润滑油泵, 真空破坏门、汽包事故放水门、手动停机、停炉、发电机解列以及遥控复置热工信号的解除与确认按钮等硬接线操作设施。另外，集中控制室内还布置有运行记录打印机、火灾报警控制盘等。

集控室内后备盘的布置按炉、机、电顺序呈“一”字形布置。

集控室左方设交接班室，右方设有工程师室，电子设备间与电气继电器室合并设置在一个房间。

集控室、工程师室、电子设备间下设电缆夹层。

汽机设置就地开机盘，汽机的启停主要在集控室内加之少量就地配合来完成。

锅炉侧与汽机侧的变送器按照测点位置及测点性质相对集中布置在就地设置的保温箱保护箱内或取样架上。箱架的布置位置应便于检修且美观。

3.2机组控制水平

本工程DCS系统采用浙江中控技术有限公司生产的分散控制系统。其功能分为数据采集(DAS)、模拟量控制(MCS)、顺序控制(SCS)、电气控制系统（ECS）等子系统，运行人员在集控室通过本系统即可实现对机组运行参数的监视和所属设备的控制。

机组能在少量就地操作和巡检配合下在单元控制室内实现启停，并能在单元控制室实现机组的运行工况监视和调整，停机和事故处理。

4.DCS系统设计

本工程DCS功能分为数据采集和处理系统(DAS)、锅炉和汽机模拟量控制系统(MCS)、锅炉和汽机得辅机顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、电气监控系统（ECS）、汽轮机控制系统（DEH）等子系统，运行人员在集控室通过本系统即可实现对机组运行参数的监视和所属设备的控制。吹灰程控、循环水泵房、公用水泵房、秸秆输送系统及化学水处理等辅助系统的控制也纳入DCS。机组能在少量就地操作和巡检配合下在单元控制室内实现启停，并能在单元控制室实现机组的运行工况监视和调整及停机和事故处理。

               
分散控制系统组态图

控制系统为开放式系统，采用星形拓扑网络结构，各操作站、控制器通过冗余多口交换机实现网络连接，网络互为热备用，实现无扰切换，并完成节点间所有数据通讯传输，网络结构便于扩展。本工程共设置6套现场过程控制站，包括4套DCS操作员站(包括操作台)（OPU）、1套DEH操作员站和1套DCS工程师站（ENG）。吹灰程控、循环水泵房、公用水泵房及秸秆输送系统等纳入DCS并在集控室操作员站进行监控，综合考虑化水系统与主体系统的联络以及空间布置，将化水系统操作员站设置在就地化学补给水处理室。每一个操作员站都是冗余通讯总线上的一个点，每个操作员站都有独立的冗余通讯处理模件，分别与冗余的通讯总线相连。工程师站通过通讯总线，既可调出系统内任一分散处理单元（DPU）的系统组态信息和有关数据，还可使需方人员将组态数据从工程师站上下载到各分散处理单元和操作员站。

本工程单元机组共设置8对分散处理单元（DPU），分散布置于9面DCS机柜内，每个分散处理单元（DPU）均具有两个冗余网络接口（RJ45）直接介入以太网。分散处理模件均冗余配置，一旦某个工作的处理器模件发生故障，系统能自动地以无扰方式，快速切换至与其冗余的处理器模件，并在操作员站报警。当故障处理器修复后，系统自动进行状态拷贝并使其处于冗余运行方式。DCS系统的通讯使用8个16口的交换器（Switch Hub）分成3个网络；集控室内电子设备间配置2对交换器组成网络A，化水补给水处理车间配置2个交换器组成网络B，集控室及化学补给水处理室合用1对交换器组成网络C；A、B网络组成互为冗余的控制网，C网络组成单独的操作网，秸秆输送系统设置1台远程I/O站通过光缆接入网络A，以上的网络配置大大增强了控制网络的驱动能力及控制系统的安全性。

5.主要控制系统功能

5.1分散控制系统（DCS）

5.1.1数据采集系统（DAS）

数据采集系统是整台机组在启动、停止、正常运行和事故工况下的主要监视手段。通过LCD显示和打印机等人——机接口装置向运行人员提供各种实时参数或经过处理的信息以指导运行操作。其主要功能有：

·工艺过程变量的扫描和处理。过程变量包括一次参数、二次参数（计算值）以及设备运行状态。对过程变量的处理包括正确性判断，数字滤波、非线性校正、工程单位转换等。

·显示。包括操作显示、成组显示、棒状图显示、模拟图显示、趋势图显示、报警显示等。

·制表打印。包括定时制表、请求打印、事故追忆打印、事故顺序记录（SOE）等。

·历史数据存储和检索。

·性能计算。包括机组热耗、锅炉效率、汽机效率等计算

5.1.2模拟量控制系统（MCS）

模拟量控制系统或称闭环控制系统，是机组最重要的控制系统之一，该系统完成单元机组及辅机系统的模拟量自动调节控制，它将锅炉-汽机-发电机作为一个单元整体进行协调控制，使锅炉和汽机同时响应控制要求，确保机组快速满足负荷变化，并保持稳定运行,其中协调控制系统包括:炉跟机、机跟炉、机炉协调和机炉手动四种运行方式，其中以机跟炉和机炉手动为主，满足机组各种运行工况的要求。同时该系统还包括单参数回路的自动调节任务。

本工程的模拟量控制系统主要包括以下项目：

    · 机组协调主控系统

    · 送风控制

    · 炉膛压力控制

    · 燃料控制

    · 给水控制

    · 过热蒸汽温度控制

    · 汽封压力控制

    · 除氧器压力控制

    · 除氧器水位控制

    · 凝汽器水位控制

· 高、低加水位控制

5.1.3顺序控制系统（SCS）

顺序控制即开环逻辑控制，是机组主要控制系统之一。其任务是按照各设备的启停运行要求及运行状态，经逻辑判断发出操作指令，对机组主要设备组或子组进行顺序启停。同时该系统根据工艺系统要求实施联锁与保护。

本期工程顺序控制以子组级自动化水平为主,同时具备 手动、自动以及驱动级的各种运行操作模式,主要顺控子组如下：

   · 送风机系统

   · 引风机系统

   · 空预器系统

   · 秸杆燃烧系统

   · 秸杆输送系统

   · 汽机润滑油系统

   · 凝结水泵系统

   · 凝汽器真空系统

   · 高、低加系统

   · 除氧器系统

   · 汽机轴封系统

   · 汽机疏水系统

   · 电动给水泵系统

   · 循环水泵系统

5.1.4炉膛安全监控系统（FSSS）

锅炉安全监控系统是机组重要的控制保护系统之一。它连续监视锅炉在各种运行工况下的状态，随时进行逻辑判断，并在异常工况下发出报警、相关辅机启、停及停炉指令。它通过一系列的联锁条件，按照预定的逻辑顺序对有关设备进行控制。

FSSS主要包括炉膛安全保护系统部分：

炉膛安全保护系统：主要包括MFT、炉膛压力、水位监视、炉膛吹扫、火焰监视等功能；

其主要功能有：

         · 炉膛吹扫

         · 火焰检测

· 灭火保护

         · 炉膛压力保护

         · 主燃料跳闸（MFT）

5.1.5电气监控系统（ECS）

电气监控系统由信号监测、逻辑控制、出口继电器转换部分组成。控制系统能够对所有的电气设备实现安全可靠的软手操，同时提供必要的顺序控制及闭锁功能。闭锁功能经常有效，且操作人员无法人工切除，以保证电气系统安全可靠运行。监控系统主要包括：

·发电机变压器组

·发电机励磁系统

·高压厂用电源

·低压厂用电源

·不停电电源系统

·直流系统及380V厂用电系统等系统的监控

·自动准同期装置（ASS）

·自动励磁调节器（AVR）

·厂用电快速切换装置等采用独立于DCS系统的专用装置

·可接收DCS远方投入/退出等信号

5.1.6燃料输送系统

燃料输送系统由卸料系统、储料系统、上料系统组成。输料系统采用DCS控制和就地两种控制方式，带式输送机与分配带联锁控制，系统内设备均设联锁保护。本系统采用全厂闭路电视系统进行监控。

5.1.7化学水程控系统

本工程化学水处理控制系统纳入DCS。控制站、调试终端及操作员工作站布置于锅炉补给水处理控制室，运行人员通过键盘或鼠标在LCD上即可实现对整个系统的监控。化学水处理控制系统作为DCS的一个子站与DCS相连，该系统应留有与汽水取样系统的冗余以太网通讯接口。加药系统配有独立的控制柜，为全自动运行，留有冗余的以太网接口。控制方式采用程控、遥控及就地操作相结合的方式，并能相互切换。

5.2报警系统

报警功能由下列两种手段来实现：

· 分散控制系统的LCD报警，适用于全部报警信号，并可通过打印机打印出其报警时间、性质和报警恢复时间。

· 常规报警，在辅盘上设置一定数量的常规报警窗口，用于重要信号报警，包括热控装置故障报警，电源故障及机组重要参数越限等。

5.3保护系统

保护系统的功能是从机组整体出发，使炉、机、电及各辅机之间相互配合，及时处理异常工况或用闭锁条件限制异常工况发生，避免不正常状态的扩大和预防误操作，保证人身与设备的安全。

本工程设置下列保护项目

   · 主燃料跳闸保护——包括在FSSS中

   · 汽机危急遮断系统（ETS）

   · 各重要辅机保护（由SCS实现）

为确保保护装置正确、可靠地动作，对影响机组安全运行的重要讯号采用三取二或串、并联逻辑，其接点信号取自专用的就地仪表。

5.4辅助车间的控制系统

吹灰程控、循环水泵房、公用水泵房、秸秆输送系统及化学水处理等系统的控制均纳入DCS，在集中控制室进行统一监控。

5.5 循环水控制系统的功能

循环水控制系统包括循环水泵及其进出口阀门的控制。

5.6 吹灰程控系统的功能

吹灰程控系统主要功能:包括：吹灰蒸汽系统压力控制、各类吹灰器进、退程序控制等。

6.结论

DCS控制系统是为生产工艺服务的，一方面为运行和管理人员提供准确、详细的信息；另一方面要为操作人员提供快捷、简便的操作途径，并根据现场的各种测点保证设备的安全经济运行。在生物质发电项目中，采用DCS系统进行控制，可充分利用计算机控制的优点，调用各种信息资源，达到资源共享，分类分析的功能。为提高设备的运转率、节约资源、保护环境，更多更好的发电提供了更可靠的保障。

参考文献：

 [1]秸秆发电控制及检测研究，周四维，火电厂热工自动化

[2]《小型火力发电厂设计规范》,GB 50049-2011

[3]火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定，      GB/T 5182-2004

[4]DCS在锅炉控制系统中的应用[J].应用能源技术. 贾胜海等2003

[5]火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定,(DLGJ116—93)

[6]火电厂热工自动化,2006.（4）

[7]中国广播网：我国第一个黄色秸秆生物质发电项目并网发电