张东宁， 何庆良， 蔡正达， 杨尧盈

(昆明电器科学研究所，云南 昆明　650221)



生物质能气化发电自动控制系统研究

张东宁1， 何庆良1， 蔡正达2， 杨尧盈2

(昆明电器科学研究所，云南 昆明650221)

针对既定的生物质气化装置及生物质颗粒，根据生物质气化发电的原理，通过对气化过程主要影响因素的分析，从过程控制的角度，以PLC及后台计算机为监控核心，实现了生物质气化炉工艺流程的关键工艺参数采集和监控，以及锅炉侧联动控制，发电侧监控及并网控制。实际工程运行表明，该系统完全满足控制需求。

生物质;气化;监控;过程控制;并网控制

0　引　言

化石燃料的不可再生性和使用过程对环境的影响推动着新能源的发展，生物质能作为一种理想的可再生能源将逐步成为本世纪的重要能源之一。在生物质新能源利用领域，生物质气化发电是生物质能源清洁利用的一种重要方式，而在整个生物质气化发电系统中，生物质气化过程控制及发电自动控制技术又是系统能否稳定高效运行、原料能否高效、清洁利用的关键因素。本文就是在既定生物质能源装备的基础上，结合生物质气化发电工艺

需求，从生物质气化原理出发，针对影响气化特性的因素和燃气发电应用展开控制研究，并给出了生物质能气化发电系统气化环节的自动控制方法和发电机组并网控制等设计。

1　生物质气化装置及工艺流程

生物质气化是指生物质燃料在高温及缺氧条件下，发生热化学反应，产生可燃气体的热解过程。因气化装备类型、原料性质等条件的不同，生物质气化工艺流程、反应条件、反应过程也不尽相同。本文研究对象的生物质气化发电装置及工艺流程如图1所示。

图1　生物质气化发电装置及工艺流程图

本系统总体上可以划分为进料、热解气化反应、气体净化、气体处理四个环节，其中热解气化反应过程是最为关键的环节。气化炉是气化反应的主要设备，生物质在气化炉中完成了气化反应过程并转化为生物质燃气。具体流程是生物质原料首先通过螺旋给料机从分布板上方密相段进入气化炉，鼓风机连续制气的同时气化剂从底部经气体分布板进入流化床反应器，生物质原料与气化剂一边向上作混合运动，一边发生干燥、热解、氧化和还原等反应。其过程涉及的主要化学反应有：C+O2→CO2；C+CO2→2CO；C+H2O→CO+H2；CO+H2O→CO2+H2；C+2H2→CH4，CO+3H2→CH4+H20；产生了主要包括水蒸气、氢、二氧化碳、一氧化碳、甲烷4、焦油及其他可燃碳氢化合物的混合气体[6]。混合气体通过两级旋风分离器后，气体中携带的固体颗粒杂质和液滴，被有效分离排出，然后高温混合气体进入喷淋塔降温后，经再次清洗、过滤、除焦、气水分离后经安全水封进入储气罐，最后，在储气罐中被加压后的清洁气体通过安全阀门后进入内燃机内燃烧带动发电机发电。

2　生物质气化过程的主要影响因素

生物质气化反应复杂，气化机理研究较为困难，反应过程受到的影响因素较多，诸如：气化装置类型、生物质原料的化学成分、原料粒径、生物质与气化剂的比率、温度、时间、压力、气化介质、催化剂和添加剂等[1]。针对既定的气化装置及生物质颗粒，其影响因素主要为气化温度、时间、压力。在生物质气化过程中，气化温度是一个很重要的参数，温度的高低不但会影响产气的速

率，而且对物料反应过程中的吸放热等可逆反应也一定的影响，从而最终影响到气化产物分布、产品气的组成、产气率、热解气热值。此外，反应时间是决定二次反应过程的主要因素，一般温度大于700 ℃时，气化过程初始产物(挥发性物质)的二次裂解受停留时间的影响很大，在8 s左右，可接近完全分解，使气体产率明显增加，所以必须考虑停留时间对气化效果的影响。 压力方面，采用加压气化技术可以改善流化质量，压力增大，裂解反应加强，产生的焦油量和气相浓度都减小。所以，操作压力提高，一方面能提高生产能力，另一方面能减少带出物损失。

3　控制系统设计

3.1需求分析

实现生物质气化炉关键工艺参数采集、显示、目标参数设定，实现对被控设备运行状态检测、显示及自动控制。从控制层面提高能量转化效率及更好的满足内燃机对气体燃料品质的要求，使气化炉系统运行更安全、合理、节能、减耗；实现发电机自动并网控制及发电系统防孤岛运行控制。

3.2总体方案设计

本系统的应用主要侧重于模拟信号处理、逻辑控制及过程自动控制。为满足上述工艺需求，系统总体结构设计框图如图2所

图2　系统总体结构框图

示。燃气锅炉控制系统、发电机组控制系统、PLC监控系统、并网控制系统相互独立，又由后台计算机及PLC协调配合。监控核心PLC除通过通讯实时读取来自锅炉侧和发电机组的信息外，还自主实时采集气化环节关键参量温度、压力及其它环节非电量、电量、开关状态，并根据用电负荷统一调控整个气化环节。

3.3主要输入/输出信号分配设计

系统主要I/O、A/D、D/A信号分配如表1所示。另外，锅炉侧状态通过与锅炉侧通讯读取。

3.4并网控制及防孤岛运行设计

同期操作(或同期并列)：是将同步发电机投入到电力系统参加同期并列运行的操作，同期操作是借助于同期电压和同期装置实现的。本项目采取准同期的并网操作方式，可以分别实现发电机与母线及电网与母线两种并网操作。实际并网条件:电压差Δu≤±10%UN；频率差Δf≤±(0.05 Hz～0.25 Hz)；相位差δ≤δ(允许值)[2]。同期并网操作及发电机出口断路器操作电气原理图如图3，图4所示。

表1　信号分配表

图3　同期并网操作电气原理图

图4　同期并网操作电气原理图

在图3中，同期系统采用三相接线方式，设置四条同期电压小母线，即母线电压小母线TQMa’，待并系统电压小母线TQMa、TQMc和公用接地小母线YMb，同期开关1TK和同期开关2TK公用一个可抽出手柄。[2]当1TK打到“工作”位置时，同期装置从同期电压小母线TQMa、TQMc、YMb引入发电机的三相电压，从TQMa’、YMb引入母线的两相电压，当实际并网条件满足，由同期检查继电器TJJ发出合闸脉冲，短接下图4中1BTM与2BTM，启动断路器DL合闸线圈HC，完成发电机与母线的并网。当2TK打到“工作”位置时，同理，同期装置从同期电压小母线TQMa、TQMc、YMb引入母线的三相电压，从TQMa’、YMb引入电网的两相电压，当实际并网条件满足，完成电网与母线的并网。

随着分布式发电大规模接入电网,对配电网的继电保护配置、系统短路电流水平、配电自动化系统功能应用、电能质量、现场作业安全等的影响将会突显。由于分布式发电大多属于用户侧并网,出力与负荷就近平衡,存在孤岛效应问题。针对孤岛效应问题,国内外先后制定的并网技术标准,均规定并网发电装置必须具备防孤岛保护功能[3]。本生物质发电系统与电力系统的配电网并联运行，当系统由于某种原因发生异常而停电时，就存在孤岛运行。本项目的孤岛检测，从自身电源容量，成本及实现的容易程度，利用电网断电时，因发电机出力与负荷的不平衡及负荷阻抗突变引起发电机输出端电压、频率急变的被动式检测方法。其检测判据如下式(1)和式(2)：

(1)

(2)

3.5关键控制软件设计

图5　主程序框图

图6　子程序SBR0程序框图

图7　子程序SBR1程序框图

关键软件系统由主程序和子程序模块组成，如图5～图10所示。其中主程序模块是软件系统的主体部分，其主要任务是完成系统硬件自诊断和实现各子程序调用。子程序SBR0在首次扫描实现模拟量通道、PID参数初始化及目标值设定；子程序SBR1实现气化炉启动控制；子程序SBR2实现气化过程温度、压力控制；子程序SBR3实现气化炉停止控制；子程序SBR4实现系统运行过程中负荷波动控制。在这五个子程序中，最为核心的是子程序SBR2中的温度控制，因为温度是气化过程中最直接的重大影响因素，所以进一步给出气化过程温度调节控制工程设计动态结构图[5]如图11所示。

相关研究表明，当生物质被加热到160 ℃时开始释放挥发份，上升到200 ℃～250 ℃时开始发生热分解，达到400 ℃时反应加剧，随后热解、燃烧、还原反应相互交织，当达到800 ℃左右时，产气效率、气体成分、气体热值、气化效率总体最为理想[6]。所以本项目中温度的目标设定值定为750 ℃。本气化炉的反应温度是由进料量和配风量配合实现，所以为了较好的实现目标温度的动态控制，整体采取速度内环、温度外环，并引入温度变化率内环的三环调节结构。其中，温度变化速率内环的引入，是因为温度具有滞后惯性，当温度变化时，通过该环节调节器可进一步修正进料电机转速和配风机转速，当逼近目标值时波动能进一步减小，最终快速趋于稳定。

图8　子程序SBR2程序框图

4　工程应用

设计的自动控制系统已在昆明电研新能源科技开发有限公司承接的生物质燃气供热技改项目中成功投运，实现了气化过程温度(750 ℃±20 ℃)、压力(-500 Pa～-300 Pa)两个关键参数的稳定控制及与2T锅炉配ZS160生物气燃烧机的联锁控制。工程投运2年多来，运行良好。

图9　子程序SBR3程序框图

图10　子程序SBR4程序框图

图11　温度调节控制工程设计动态结构图

5　结束语

工程运行中的结果表明，针对既定的气化装置及其工艺需求基于PLC控制的生物质能气化发电自动控制系统完全满足设计需求，为生物质新能源的推广应用从控制角度提供了一种有益的思路、方法参考。

[1] 黎柴左. 生物质蓄热式气化工艺及主要关键基础问题研究[D].重庆:重庆大学动力工程学院，2012.

[2] 邹仉平. 实用电气二次回路200例[M].北京：中国电力出版社，2000.

[3] 冯炜,林海涛,张羽.配电网低压反孤岛装置设计原理及参数计算[J].电力系统自动化，2014,38(2):85-86.

[4] 王继东，张小静，杜旭浩，等.光伏发电与风力发电的并网技术标准[J].电力自动化设备，2011,30(11):1-2.

[5] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M].2版.北京：机械工业出版社，1992.

[6] 杨毅梅. 生物质气化过程数值计算[D].河北：河北工业大学，2011.

Research on the Automatic Control System for Power Generation through Biomass Gasification

ZHANG Dong-ning1, HE Qing-liang1, CAI Zheng-da2, YANG Yao-ying2

(Kunming Electrical Appliances Research Institute, Kunming Yunnan 650221, China)

In view of the selected biomass gasification device and biomass particles, in the principle of power generation through biomass gasification, based on the analysis of main factors affecting biomass gasification process, and from the perspective of process control, we use our PLC and background computer as monitoring core and realize acquisition and monitoring of key technological parameters for the processing flow of the biomass gasifier, as well as the boiler-side gang control, monitoring at the generating side and control of grid connection. Practical engineering operation shows that the system can completely meet control requirements.

biomass;gasification;monitoring;process control;control of grid connection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.029

TP23

A

1000-3886(2016)02-0095-05

张东宁(1970-)，男，云南昆明人，工程硕士，高级工程师，研究方向：工业电气自动化。

定稿日期: 2015-07-20