一、生物質直燃發電的基本原理

生物質能發電主要有兩條工藝技術路線，即氣化發電和直接燃燒發電，其系統構成和工藝過程有很大的差別。氣化發電由于工藝過程復雜,難以適應大規模應用，主要用于較小規模的發電項目。生物質直接燃燒發電則是目前實現規模化應用唯一現實的途徑，也是本文討論的重點。

生物質直燃發電的基本原理是由生物質鍋爐利用生物質直接燃燒后的熱能產生蒸汽，再利用蒸汽推動汽輪機發電系統進行發電，在原理上與燃煤鍋爐火力發電十分類似。通常燃燒發電系統的構成包括生物質原料收集系統、預處理系統、儲存系統、熱利用系統和煙氣處理系統。

生物質燃燒電廠的流程圖如圖1所示，生物質原料從附近各個收集點運送至電站，經預處理(破碎、分選、壓實)后存放到原料存貯倉庫，倉庫容積至少保證可以存放5天的發電原料量;然后由原料輸送裝置將預處理的生物質送入鍋爐燃燒，通過鍋爐換熱，利用生物質燃燒后的熱能把鍋爐給水轉化為蒸汽，為汽輪發電機組提供汽源進行發電。生物質燃燒后的灰渣落入出灰裝置，由輸灰機送到灰坑，進行灰渣處理。煙氣經過處理系統后由煙囪排放入大氣中，其蒸汽發電部分與常規的燃煤電廠的蒸汽發電部分基本相同。

 

二、鍋爐設備簡介

本文以內蒙古西方能源有限公司生物質熱電(2×12MW)新建工程為例，介紹生物質直燃發電鍋爐的燃燒控制。

該生物質熱電廠鍋爐型式為單爐排橫梁式正轉鏈條角管式鍋爐，全膜式壁結構，固態排渣。

鍋爐采用單鍋筒，橫向布置于爐頂前部;爐膛水冷壁分成4個流程，分別為前墻水冷壁、兩側前水冷壁、兩側后水冷壁、隔墻水冷壁。爐膛出口的水平煙道中和尾部煙道中，將過熱器分成三級，第一級為高溫過熱器，第二級第三級為低溫過熱器。減溫型式為噴水減溫。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預熱器。鍋爐排渣分別經設在每臺鍋爐兩側的冷渣機冷卻后連續排至渣斗，定時排入設在渣斗下的倉泵或發送器，通過正壓氣力輸送系統輸送至灰渣倉。

上料及給料系統、燃燒系統是生物質直燃發電廠與常規火電廠在工藝系統上的最大區別。本工程鍋爐采用木材點火。鍋爐給料分為上下兩層爐前給料，上層給料量約為鍋爐所需燃料量的2/3，下層給料量約為鍋爐所需燃料量的1/3。本工程一臺爐設置1個儲料倉，9臺螺旋給料機，上層6臺，下層3臺，每臺出力為1～3t/h。鍋爐主要參數及燃料成分如表1、表2所示。

 

 

三、生物質直燃發電鍋爐燃燒控制。

3.1 燃料調節系統

為了保證機組滿足負荷需求，燃料調節系統的任務是為達到此目的提供合適的燃料，維持鍋爐安全經濟燃燒。

協調控制系統機理基于直接能量平衡(DEB)控制。鍋爐燃料量的測量采用傳統的熱量信號測量方法。鍋爐側主汽壓力調節器經多平衡輸出環節去控制爐前給料變頻電動機螺旋輸送機，通過控制9臺爐前給料變頻電動機螺旋輸送機的開度維持所需的沙柳料的進料量，沙柳料進料量的控制實現自平衡無擾手動/自動切換，每臺爐前給料變頻電動機螺旋輸送機設有M/A控制站，確保系統安全可靠。

當爐前給料變頻電動機螺旋輸送機的M/A站處于手動狀態時，該臺爐前給料變頻電動機螺旋輸送機的開度反饋到多輸出平衡環節，使該臺爐前給料變頻電動機螺旋輸送機經手動控制后，總的反饋信號最終等于爐前給料變頻電動機螺旋輸送機的開度，實現自平衡無擾手/自動切換。

燃料和風量之間設有交叉控制，增負荷先增風再增燃料，減負荷先減燃料后減風量。

3.2 送風自動調節系統

送風調節系統的任務是供給爐膛內燃燒的燃料以合適的風量，保證燃料的合理經濟燃燒。其控制機理是通過調節系統控制兩臺送風機風門的開度，改變進入爐內的總風量。

3.2.1 風量信號的測量與處理

在甲、乙爐膛前風道上裝設風量測量裝置，經溫度補償計算后作為進入鍋爐的總風量信號。

3.2.2 煙氣氧量信號

氧量信號采用雙支氧化鋯進行測量。煙氣中的氧量客觀地反映了鍋爐燃料量和空氣量之間的匹配平衡關系。由于進入爐內風量變化到鍋爐尾部氧量信號的反映需要較長的時間，而且是一個變化的動態過程，故需對氧量的測量信號進行補償，系統中是以積分器實現其氧量信號的動態補償。

煙氣中含氧量的大小與負荷有關，負荷變化時，最佳含氧量也隨之變化，故系統中取代表蒸汽負荷經過函數 修正的值作為氧量調節的定值，經氧量調節器始終維持煙氣氧量為最佳值，從而有效地保證燃燒的經濟性。

3.2.3 風量控制

(1)一次風量調節系統

總風量調節系統發出的一次風量指令作為一次風量調節系統的給定值，與一次風量的測量值一起送入PID中進行運算，運算結果去調節一次風機進口風門，以調節送入爐膛的一次風量。一次風量測量值是在考慮了溫度修正和壓力修正后才送入PID中進行運算的。一次風量指令在進行處理時，需要考慮燃料的特性及負荷變化情況。燃料特性不同時，助燃空氣量會有所不同。同時，負荷變化時一次風量占總風量的比例也會發生變化。由于一次風對鍋爐床溫具有調節作用，故在構造一次風量調節系統時也考慮了床溫修正。如果床溫偏高，在一定范圍內可減少一次風量;如果床溫偏低，在一定范圍內可增大一次風量。由于床溫主要靠燃料供給量及返料來調節，一次風量不作為調節床溫的主要手段，故在一次風量調節系統中床溫信號僅作為修正信號。

(2)二次風量調節系統

二次風量調節系統采用串級調節系統。煙氣含氧量測量值與給定值一起送入主調中進行PID運算，運算結果與總風量調節系統發出的二次風量指令一起進行函數處理后作為副調的給定值，與二次風量測量值進行PID運算，運算結果分為兩路作為上部二次風流量和下部二次風流量的調節指令。由于燃料量變化到煙氣含氧量變化需要一段時間，故在二次風量調節系統中直接對燃料量進行處理，把其結果作為前饋信號加到調節輸出中，以提高調節系統的快速響應性。在對給料量進行處理的 函數中，考慮了負荷指令及一次風量等因素，其運算結果直接疊加到PID運算的輸出上。

3.2.4 引風(爐膛負壓)調節系統

爐膛壓力控制系統的任務是通過調節引風機進口風門的開度，與送風系統相配合，使鍋爐壓力保持在允許范圍內。

為提高系統的可靠性，爐膛壓力采用三個變送器優選值。為控制小幅度高頻偏差信號引起引風機風門的頻繁變化調節，模塊設有死區限值器進行處理。為改善爐膛壓力的動態響應特性，系統中比例引入送風量指令信號進行前饋控制。此外，在發生燃料跳閘，由于滅火爐膛壓力此時將有大幅度的下降，容易引發內爆事故，為了防止由此引起的爐膛內爆事故的發生，控制系統中除設計了與送風指令成比例的前饋信號，通過加法器控制引風機風門，此外，還考慮了較為有效的超弛控制策略。當發生鍋爐燃料跳閘時，斜坡發生器立即投入運行，產生一個可調的上升斜坡信號，通過加法器快速降低引風機轉速，減少抽出的煙氣量，經過一定的延時時間后，斜坡信號自動下降，直到為零，使引風機風門恢復正常運行。為防止爐膛壓力變化過大，系統中還設計了方向閉鎖控制，當爐膛壓力過高時，自動閉鎖引風機進口風門的進一步關小。當爐膛壓力過低時，自動閉鎖引風機進口風門進一步開大。

當爐膛壓力變送器故障或風門位置偏大時，發信號報警。

當執行機構均處于非自動狀態時，引風調節系統切跟蹤，相應地切送風自動控制為跟蹤狀態。

當下列條件滿足時，系統可投入自動。

1)爐膛負壓偏差不大

2)輸出端無故障

3)輸入端無故障

4)無MFT

3.3 報警和聯鎖

(1)當三個爐膛壓力變送器中有一個故障時，自動切換為二選一，并發出報警;一個以上故障時，系統不允許投自動并發出報警。

(2)爐膛的防內爆外爆控制一直是大型鍋爐設計控制方案時需要考慮的問題，控制系統應作周密的考慮。當鍋爐發生MFT時，爐內壓力將會產生瞬間的急劇降落，此時通過設定的函數發生器產生一個斜坡信號，去降低引風機風門，經預定的時間后再恢復正常的控制。

(3)在一定工況下，控制系統能直接閉鎖引風機控制。爐膛壓力低至極限時，閉鎖引風量增大;爐膛壓力高至定值時，閉鎖引風量減小。

(4)引風機跳閘，保持檔板位置不變。

(5)MFT動作時，引風機風門開度關小，并切手動。

(6)吸風自動切手動時，送風自動退出至手動。