生物质直燃发电技术分析(计算机控制课程设计)华北电力大学.doc

课程设计(综合实验)报告（2012 - 2013 年度第 2 学期）名 称： 计算机控制技术与系统 题 目：生物质直燃发电技术分析 院 系： 自动化 班 级： 自动化1001 学 号： 201002020115 学生姓名： 李 念 指导教师： 赵文杰 设计周数： 1 成 绩： 日期： 2013 年 6 月 21 日计算机控制技术与系统课程设计任 务 书一目的与要求1通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二主要内容1数字控制算法分析设计；2现代控制理论算法分析设计3模糊控制理论算法分析设计4过程数字控制系统方案分析设计；5微机硬件应用接口电路设计；6微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8PLC应用控制方案分析与设计；9数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；10现场总线控制技术应用方案设计；11数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；12基于嵌入式处理器技术的应用方案设计；13计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计；14计算机控制系统差错控制技术分析设计；15计算机控制系统容错技术分析设计；16工程过程建模方法分析及设计。17.生物质发电及综合利用技术分析设计18.城市生活垃圾、工业有机废弃物发电及综合处理利用技术分析设计三进度计划序号设计内容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2013年6月17日2文献资料学习，根据所选题目进行方案设计2013年6月18日3与指导老师讨论设计内容修改设计方案2013年6月19日4撰写课程设计报告2013年6月20日5课程设计答辩2013年6月21日四设计成果要求1针对所选题目的国内外应用发展概述；2课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；3课程设计总结（或结论）以及参考文献；4要求设计报告规范完整。五考核方式计算机控制技术与系统课程设计成绩评定依据如下：1课程设计报告；2独立工作能力及设计过程的表现；3答辩时回答问题情况。成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、及格、不及格。学生姓名：指导教师：年 月 日二、设计正文 设计背景：人类对能源需求的不断扩大，化石燃料的日益枯竭、环境污染问题的突出、全球气候的异常变化日益严重，成为可再生能源开发和利用的主要推动力。在可再生能源中，生物质能最具有发展前景。因为，化石能源也是生物质能衍变而来的，都是利用太阳能将大自然中的CO2和H2O通过光合作用固定在植物上的碳氢化合物，成为自然界中重要的碳氢资源。我国生物质能极为丰富，现在每年农村中的生物质量约6.510 吨，到2010年将达到7.2610 吨，相当于510 吨标煤。生物质发电将是中国最大的环保项目，可有效解决秸秆等生物质焚烧造成的大气污染，减少温室气体排放，所以研究生物质直燃发电技术有重要的意义。目前生物质直燃发电厂在国内还处在发展初始阶段，根据可再生能源中长期发展规划确定的发展目标，到2010年生物质发电达到550万千瓦，到2020年生物质发电装机达到3000万千瓦。生物质直燃发电是生物质能利用的主要方式。国外的生物质直燃发电技术已经成熟并已于20世纪90年代投入商业运营。近年来，一些大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参与我国生物质发电产业的建设运营，已在全国建成投产了近20个生物质直燃发电项目，在建项目也有几十个。我国生物质发电产业的发展正在艰难探索中渐入佳境，前景广阔。总体方案的设计生物质燃烧电厂的流程图如图1所示，生物质原料从附近各个收集点运送至电站，经预处理(破碎、分选、压实)后存放到原料存贮仓库，仓库容积至少保证可以存放5天的发电原料量;然后由原料输送装置将预处理的生物质送入锅炉燃烧，通过锅炉换热，利用生物质燃烧后的热能把锅炉给水转化为蒸汽，为汽轮发电机组提供汽源进行发电。生物质燃烧后的灰渣落入出灰装置，由输灰机送到灰坑，进行灰渣处理。烟气经过处理系统后由烟囱排放入大气中，其蒸汽发电部分与常规的燃煤电厂的蒸汽发电部分基本相同。其中上料系统是指燃料从进电厂卸料至进入炉前料仓为止的整个系统，是生物质直燃电厂区别于常规燃煤电厂的最重要部分，它主要由卸料系统、储料系统、送料系统、事故上料、计量及辅助设施等部分组成。给料系统是指燃料自炉前料仓到进入炉膛为止的炉前给料系统。生物质锅炉是生物质直燃发电厂除上给料系统外的又一关键设备。与常规煤电锅炉不同，其结构和材质上要适合农林生物质燃料的特性，应具有抗腐蚀、受热面大等特点。烟气除尘装置是去除并回收燃烧烟气中的飞灰，是生物质直燃发电厂重要的环境保护装置。由于生物质直燃发电的燃料与常规燃煤电厂不同，草木灰与常规电厂的粉煤灰的性质不同，通常采用布袋除尘方式。汽轮发电机组与常规燃煤电厂所采用的机组相同。1.上料系统的设计：上料的主要过程为：由抓斗将成型的燃料包抓至水平链式输送机，再经V 型分配链式输送机运至分配小车输送机，通过分配小车输送机送至解包机，解包机解包后将燃料均匀散落至#2A/B 皮带，再经干燥段送至炉前料仓。其工艺流程如图2 所示。1.1上料段的控制方式上料段的控制可采用由DCS实现顺序控制，相比于传统的的PLC控制，采用DCS的方式增加了更多的逻辑判断，通过设计DCS的逻辑判断，可以实现料线冗余的功能，并且对故障能够及时作出反应，极大减轻了运行人员压力。新设计的流程中共有7 级运输装置（其中干燥段与#3 皮带可视为同一级），每一级分两条线，互为备用。设备分手、自动及故障三种运行方式。其中一级处于故障方式时，设备发出报警，另一条线负担全部任务，直至设备修缮完毕。各级运输机启动方式在投自动运行后，第一级水平输送链在接到下一级的的要料指令后，由抓斗装载料包，接收到料包后，即可启动。之后的第2 至第7 级启动条件为：收到下一级的要料指令和上一级运输机得到料包的指令。收到两项指令后，运输机以低速启动，直至本级装置收到料包后加速。干燥段输送机收到上一级#2A/B 皮带得到燃料的指令后即可启动。整个过程若手动控制停机则全部停机。以前三级运输机为例，其顺序控制SFC 图如图3 所示。1.2分配小车与解包机速度调节说明a) 分配小车在进料过程中工频运行（指令100%），速度和称重链匹配；b) 分配小车出料过程速度与相对应的喂料输送链速度匹配，分配小车速度指令是喂料输送链速度指令的1/3，分配小车速度不可人工调节；c) 喂料输送链启动速度自动设置为30%，启动后可人工调节；d) 分配小车出料过程中，如喂料输送链速度低于3%时，停分配小车，喂料输送链速度大于5%时，启动分配小车。解包机之后，若无需干燥，则直接将燃料送进炉前料仓。1.3解包机启停顺序解包机正常启动顺序为：首先启动主辊电机冷却风扇；再启动主辊电机和小破碎辊电机；主辊电机冷却风扇、主辊电机，小破碎辊电机启动延时10 秒启动上喂料辊电机和下喂料辊电机。上喂料辊电机和下喂料辊电机启动后，延时后启动喂料链板输送机，喂料链板启动后5s 内，出入口光电开关没有检测到物料，发出要料信号给分配小车输送机。停止顺序为：先停止停喂料机，再停上喂料辊、下喂料辊，随后停大辊、小破碎辊。解包机启停顺序SFC 图如图4 所示。2.生物质锅炉的设计：2.1受热面结构调整由于生物质电厂实际应用的燃料随机性较大，往往无法按理想的特性要求加以控制，因此，锅炉受热面设计布置宜尽量按较恶劣情况加以校核。炉膛应具有足够的高度和截面，通过延长燃料炉内停留时间保证燃尽率，较大的炉膛有效受热面积是控制燃烧循环回路温度的关键。过热器采用辐射屏式过热器和对流过热器相结合的布置方式。中温以上参数锅炉全部采用两级喷水减温器，这样能使锅炉在燃料大范围变化和负荷调节时保证主蒸汽参数。同时在局部高温段，过热器材质应优先考虑采用耐温耐腐蚀合金钢，保证过热器在极限工况下的安全。尾部受热面采用较大节距的顺列结构。同时校核燃料大水分情况下的烟气流速，控制好锅炉烟气阻力。尾部受热面有效面积应能避免因燃料高水分引起的排烟温度高的现象。同时尾部的吹灰装置应设置到位，并优先考虑采用脉冲式吹灰器。2.2燃料灰量及循环灰量控制为了尽量减少含灰量变化产生的不利影响，首先应控制收购的燃料的灰分，杜绝人为加沙加土。在运行上当燃料含灰量高时，一般采取放底渣的方式。当生物质燃料含灰量低，靠自身的灰量无法满足床料循环的要求时，则在运行中一般采取添加床料，所加床料成为循环物料的主体。在设计上采用可调式返料装置通过控制返料系统的循环灰量，保证物料循环系统的畅通，稳定炉膛温度2.3辅机的选择由于生物质燃料的灰量和水分的变化随季节性和地域的变化非常大，以及生物质燃料实际外带灰量较多，在实际运行中许多生物质电厂因引风机和除尘器选小导致锅炉出力不足、炉膛冒正压等问题。因此，选择一次风机、引风机、布袋除尘器等设备时应充分考虑裕量。3.除尘系统设计：分室离线布袋除尘器如图1所示，它是针对实际情况对常规布袋除尘器的改良，通过调整内部结构，以改变含尘烟气的流场分布，从而有助于改善清灰效果，降低运行阻力。其结构原理是烟气进出口布于同侧，由斜隔板分开。袋室由4个相同的分室构成，下部与灰斗相通，过滤后，烟气由离线阀控制进入上集箱排出。离线阀依次间隔关闭，当其中一个分室离线时，通人压缩空气反向喷吹，将集附于布袋上的尘饼吹落，掉人灰斗。全部滤袋投人使用时，袋室内气流分布均匀，即表示各滤袋所承受负荷相当。如果将其中部分滤袋分室离线后，关闭该分室离线阀，由于流动受阻，该区域烟气变得稀疏，空气反吹压阻降低，尘饼反向受力增大，易于脱落，同时流场扰动减小，更加有利于粉尘向灰斗沉降，避免二次卷吸。除尘器内烟气流速度量分布情况表明(如图4、图5)，除尘器的下部近壁速度较高，外侧滤袋负荷较大，运行环境较恶劣，阻力增加较快。粉尘比重小，流动性差，同时由于灰斗斜度尺寸受限，粉尘容易堆积在斜面上，难以排出。比较各过滤分室速度值，离线部分明显较低，为滤袋再生提供良好的气流环境。4.社会效益4.1促进新农村建设。生物质发电能有效带动农村生产模式和用能方式的转变,有助于社会主义新农村建设。发展生物质发电产业,能够有效增加农民收入、缩小城乡差距、转移农村剩余劳动力。据测算,装机容量为2.5万千瓦的生物质发电厂的年发电量可达1.5亿千瓦时,新增产值近亿元;年消耗农作物秸秆约20万吨,经过收集、加工、运输等环节,到厂平均成本约为300元/吨350元/吨,可为当地农民增加就业岗位1000余个,增加收入达到6000万元以上。另外,生物质发电产业对农业机械有着巨大的市场需求,这将大大促进我国农业机械化程度和农业现代化水平的提高。在生物质发电产业的推动下,传统的农业产业链将被延伸,形成新的产业链,进而促进农业与农村的进步。4.2生物质燃料燃尽后的产物以飞灰和灰渣的存在形式被收集利用, 这种灰分含有丰富的营养成分如钾、镁、磷和钙, 可用作高效农业肥。4.3替代化石能源。农作物秸秆是我国主要的生物质能资源之一。我国全国农作物秸秆年产生量约6亿吨,除部分作为造纸原料和畜牧饲料外,大约3亿吨可作为燃料使用,折合约15亿吨标准煤。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿吨,大约3亿吨可作为能源利用,折合约2亿吨标准煤。从能量效益的角度看,生物质发电是资源化开发利用农林剩余物的最有效方式之一,具有显著的社会效益和环保效益。在现有的技术水平下,农林生物质发电的农林剩余物燃烧效率可达90%以上,系统综合发电效率可达30%以上,如果采用热电联产方式,系统综合效率可达80 %以上,能量效益明显。相对于其他农林剩余物资源化利用方式,生物质直燃发电是利用方式最简单、热量利用最彻底的能源转化方式,具有较高的能量效益。我国目前每年废弃的农作物秸秆约有1 亿吨,折合标准煤5000 万吨,预计到2020 年,全国每年秸秆废弃量将达2 亿吨以上。生物质发电是用可再生能源替代传统能源的有效途径之一,对于构建稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系具有积极的作用。一个装机容量215 万千瓦的机组,一年消耗农林剩余物20 万吨,按热值计算,可替代标准煤约8 万吨。4.4改善生态环境。随着农民生活水平的提高和能源利用方式的转变,秸秆等农业废弃物带来的环保问题越来越突出。废弃的秸秆无法有效处理,被随意丢弃,严重影响了村容村貌。秸秆直接在田间焚烧带来的大气污染和消防安全问题更是危害巨大,甚至影响交通和人民群众的健康,这是长期以来普遍存在而又无法有效解决的难题。发展生物质发电项目,能够有效处理农林剩余物,减少温室气体排放,降低城乡大气污染,改善环境效果明显。据测算,运营一台215 万千瓦的生物质发电机组,与同类型火电机组相比,每年可减少二氧化碳排放约10 万吨。整个生物质发电系统的主要排放物是二氧化碳,其次是氮氧化物、硫氧化物以及粉尘。氮氧化物、硫氧化物以及粉尘的排放分别是化石燃料电厂排放标准的1/ 5 、1/ 10 和1/ 28 。生物质发电能够大量消耗农业、林业生产过程中产生的废弃物,其燃烧后形成的灰粉可以以肥料的形式还田,如每年燃烧后产生的约8000 吨灰粉可作为高品质的钾肥直接还田,因此,这是一个变废为宝的良性循环过程。同时,生物质发电还可以带动能源林产业的发展,有助于防止土壤沙化和水土流失,促进生态的良性循5.经济效益以一台12MW 机组为例, 工程投资约16000万元, 机组年发电量8500万kW# h, 按上网电价0. 585元/ kW h计算(生物质发电高于脱硫机组电价0.25元/kW h) , 销售收入可达5000 万元, 实现利润350万元。利用税后利润和折旧每年偿还贷款1200 万元,14年便可收回投资。6.促进生物质直燃发电产业发展的若干政策建议6.1做好资源调查和评价,编制发展规划。我国生物质资源丰富,但分布较分散,在收集、运输和储存方面存在困难。我们应通过深入调查和评估全国生物质能资源的整体情况,合理规划生物质能发电的站址和规模,与电网的建设和其他能源的发电方式相配合,做到因地制宜、多能互补、协调发展。根据区域总体规划及生物质能资源的分布特点,在资源评价和环境评估的基础上,结合当地电网情况和电网规划,制定生物质发电发展规划,从源头上避免恶性竞争,防止“一哄而上”。6.2加大财政投入和税收优惠力度。生物质发电是国家鼓励的资源综合利用方式,根据可再生能源法、国家鼓励的资源综合利用认定管理办法等有关规定,应尽快落实农林生物质发电增值税即征即退和所得税减免的优惠政策。在生物质发电发展的起步阶段,对生物质发电进行财政补贴,应对有关技术研发、设备制造等给予适当的企业所得税优惠。6.3调整上网电价。现行的上网定价政策难以支撑生物质发电厂的正常运营。要根据我国可再生能源法中“促进可再生能源开发利用和经济合理的原则”,按照我国价格法中“成本加合理利润”的基本原则,充分考虑有关法规要求,从保证农民利益和生物质发电行业基本生存能力的角度出发,适时调整生物质发电电价。6.4支持技术研究开发和设备制造。整合现有技术资源,完善技术和产业服务体系,加快人才培养,全面提高生物质发电技术创新能力和服务水平,促进生物质发电技术进步和产业发展。将生物质发电的科学研究、技术开发及产业化纳入国家各类科技发展规划中,在高技术产业化和重大装备扶持项目中安排有关专项,支持国内研究机构和企业在生物质发电核心技术方面提高创新能力,在引进国外先进技术的基础上,加强消化、吸收和再创造,尽快形成自主创新能力。这包括:加大对利用生物质发电锅炉岛技术和装备的科研投入,开展生物质燃料的收集、加工、储存、运输等相关设备的研发,提升生物质发电设备和辅助设备的制造能力;支持研究开发适合于生物质发电的燃料收储运装备,支持重点锅炉制造企业提升设备制造能力和工艺水平;支持生物质发电设备和辅助设备在国内的自主研究开发和制造。6.5 建立设备检测认证体系,制定技术标准和规范规程。研究生物质发电产业的技术标准和设备检测认证体系,按照相关法律、法规和技术标准对生物燃料锅炉等特种设备组织实施安全监察和检验检测工作;制定规范规程,加强项目管理,完善技术标准、检测和认证体系;严格市场准入制度,提高市场进入的技术和资金门槛,强化技术监督,优化产业结构。6.6推行绿色电力配额制度和认购制度。借鉴国外发达国家绿色电力配额制度的成功经验和做法,结合我国电力市场的实际情况,加快建立并不断完善我国的“绿色电