基于虚拟DPU 的生物质锅炉仿真研究

刘锁清，王志伟，李军红

（1.山西大学 电力与建筑学院，太原 030000；2.山西大学 自动化与软件学院，太原 030000）

目前，电厂对真实DPU 技术的使用已经走向成熟，与之配套的具有极高仿真度的仿真系统成为电厂提升员工技能技术、优化本厂控制系统不可或缺的手段，同时，通讯技术和数据跨系统的升级，意味着将现场实时数据导入至仿真系统进行监视和操作模拟成为可能，在此背景下，开发应用虚拟DPU技术针对目标量身打造的仿真机系统成为各电厂的要求。我国是一个农业大国，每年可作为能源使用的秸秆、林木生物量可达7 亿吨左右，生物资源丰富，开发潜力十分巨大。我国生物质电厂运用广，分布在各小型城市以及农村，该型电厂生产规模小，人员数量不大且技术水平参差不齐，结合以上等因素，开发生物质电厂仿真模型极其重要[1]。

1 生物质燃烧发电原理与锅炉特性

本文以河南某生物质电厂为背景，根据该电厂实际情况开发一套锅炉的仿真系统。

生物质燃烧发电是利用生物质本身的化学能进行燃烧发电，属于可再生能源发电。河南某生物质电厂属于生物质火力发电，设计燃料主要为秸秆。其工作原理是将秸秆等生物质加工成粉状，通过上料系统送入锅炉，进行充分燃烧，使化学能转变成热能；锅炉内的水工质在各受热面内加热形成过热蒸汽，进入汽轮机并带动汽轮机旋转，使热能转换成机械能；被驱动的汽轮机发电组旋转，发电机将机械能变成电能。工作原理如图1 所示。

图1 生物质电厂锅炉原理图Fig.1 Schematic diagram of boiler in biomass power plant

生物质电厂的锅炉是层燃锅炉，带有振动炉排，采用直接燃烧技术。其主要系统有燃烧系统、风烟系统、汽水系统。燃烧系统是通过取料和上料系统给炉排铺料，使燃料在炉膛内充分燃烧；风烟系统由送风机和引风机以及尾部烟气管道组成，给炉膛提供充分的氧量并使炉膛处于微负压工作状态；汽水系统是保证整个电厂汽水热力系统形成一个良性循环。

2 基于虚拟DPU 的锅炉仿真架构

基于虚拟DPU 的生物质电厂锅炉仿真系统架构主要由仿真支撑环境系统、虚拟DPU 和通讯系统三大部分组成，如图2 所示。

图2 生物质电厂锅炉仿真系统Fig.2 Biomass power plant boiler simulation system

仿真支撑环境系统是用于仿真模型建设，使用Pssim 仿真支撑平台搭建仿真模型，实现对生物质电厂锅炉的操作控制和监视。生物质电厂锅炉仿真模型主要由风烟系统、汽水系统和燃烧系统组成。

虚拟DPU，即虚拟分散处理单元，负责人机交互界面和控制程序中的控制组态，在仿真支撑环境下的设备物理化模型和数字化模型，通过仿真设计达到控制策略的仿真功能，最后可以获得一个和仿真对象相同的效果。

通讯系统是用于仿真支撑环境系统与虚拟DPU 站控制系统信息传输，利用OPC 技术，使用Group 测点表建立仿真模型与控制逻辑的信息通讯联系，将控制逻辑信号反馈到仿真系统上，并将操作指令和状态传递给控制逻辑。

3 生物质电厂锅炉的影响因素

生物质电厂锅炉主要从燃烧系统、风烟系统、汽水系统方面来考虑建模。影响锅炉的因素有多种，且燃烧系统影响因素主要有设计成分和炉膛内燃烧，炉膛内燃烧主要的参数量有理论燃烧空气量和实际燃烧空气量、理论烟气量和实际烟气量以及过量空气系数等[2]。

3.1 设计成分因素

该型生物质电厂设计燃料有小麦秸秆、玉米秸秆、花生壳、林废混合燃料，单位量各成分对应比例为8∶22∶38∶32。分析其燃烧特性，可得数据如表1所示。

表1 燃料成分Tab.1 Fuel composition

由以上生物质燃料的成分表可知，相对于其他种类燃料，生物质燃料中含碳量少，水分含量大，发热量低；含氢较多，一般为3%～4%，生物质中的碳氢化合物，易挥发、燃点低、易引燃；生物质燃料燃烧热效率高，是燃煤机组热效率的2～3 倍。

3.2 炉膛内燃烧影响

生物质充分燃烧时需要有足够高的温度，合适的空气量和充裕的时间。而生物质燃烧过程则是生物质热转化过程中的物质平衡和能量平衡，也是仿真建模的重要依据。燃烧过程的物质平衡实际上考虑的是燃烧空气量和烟气量的计算。

3.2.1 理论燃烧空气量与实际燃烧空气量[3]

计算燃料的理论空气量，需要考虑燃料中可燃元素（C，H，S）完全燃烧时所需要的氧气量。由《生物质燃料直接燃烧过程特性的分析》提到公式：

1kg 收到基（用ar 表示）燃料充分燃烧需要消耗的氧气量：

1kg 收到基燃料燃烧所需要的理论空气（标准状态）量为

式中：V0为理论燃烧空气量（m3/kg）。

在实际燃烧过程中，实际燃烧空气量可以用以下公式简化计算：

式中：LHVar为实际燃料的收到基低位热值，kJ/kg［kJ/m3（标准状态）］。

在仿真建模时，考虑到生物质燃料种类比较多，且为了使仿真模型与电厂实际运行参数吻合度更高，所以在此公式基础上增加修正系数k：

3.2.2 理论烟气量与实际烟气量

理论烟气量由CO2、SO2、水蒸气及N2组成。

理论烟气量表达式为

在仿真建模过程中，考虑到电厂实际运行参数与理论参数还有偏差，为真实仿真模拟现场参数，因此实际烟气量需增加修正系数k：

3.2.3 过量空气系数

过量空气系数公式为

式中：V 为实际供给的空气量。

实际燃烧过程中，空气与燃料混合不充分，需要供给的空气量较理论空气量多，即α>1。在仿真模型中需修正的具体值可参考现场实际过量空气系数值。

4 生物质电厂锅炉的仿真建模

4.1 锅炉仿真系统

4.1.1 炉膛燃烧的算法

基于上述的燃烧系统的影响因素分析，建立燃烧系统仿真模型。利用Frotron 和C++Build 语言，编写生物质炉膛燃烧的算法，其部分算法代码如下：

4.1.2 建立模块算法

根据生物质炉膛燃烧的算法编译炉膛模块算法，其主要的参数如表2 所示。

表2 算法模型说明Tab.2 Description of algorithm model

4.1.3 锅炉系统的仿真建模

河南某生物质电厂锅炉仿真建模分为燃烧系统、风烟系统、汽水系统三大部分，本文以燃烧系统为例介绍锅炉仿真建模的方法。

燃烧系统由炉膛、振动炉排、风室组成。生物质燃料通过给料机由二次风送入炉膛内部，燃烧产生热量。携带热量的烟气扩散在炉膛和尾部烟道内，将热量传递至各受热面；给水经省煤器加热，在汽包内受热分离出饱和蒸汽进入各级过热器受热升温升压；振动炉排炉排间隔一定的周期进行一次振动，以使炉排上的物料向炉排后部排渣口移动使物料充分燃烧，且使燃烧后的炉渣排出振动炉排。炉排下部是风室，作为一次风的通风口。其流程如图3所示。

图3 燃烧系统流程Fig.3 Combustion system flow chart

在仿真支撑平台Pssim 软件内，根据系统流程图，建立锅炉燃烧仿真模型。如图4 所示，BLFUR 代表模块名，feeder、furnace、SH 是算法名，分别表示为给料机、炉膛、换热器。指令会从输入端（in）进入算法块，在算法块内计算至输出端（out），并作为下一个算法块的输入指令参与计算。

图4 锅炉燃烧仿真模型Fig.4 Boiler combustion simulation model

调整各系统参数值，使其符合该生物质电厂锅炉系统实际运行过程的参数值。

4.2 通讯系统

实现Pssim 与虚拟DPU 控制器之间的通讯，需要利用OPC 技术。安装OPC 程序，在Pssim 系统内生成opc 脚本，在脚本项添加group 点表。一方面，Pssim 通过opc 将数据传递给控制器，另一方面，控制器将虚拟DPU 控制器内的I/O 信号，通过opc 反馈回Pssim 模型中[4]。

Group 测点主要包含DCSID、MODID 以及测点ID。相对照的DCSID 负责界面测信号，MODID 负责仿真系统信号，测点ID 负责虚拟DPU 站内的组态信号。画面、组态、仿真系统制作过程中，相应得完成其测点表的整理工作。具体到每一个信号在各个系统都有信号对照，即模型侧、界面侧、控制器组态侧I/O 信号清单一一对照，如表3 所示。

表3 Group 测点Tab.3 Group point

4.3 结果

由于过程过于繁琐，这里不再展开详细叙述。以某生物质电厂锅炉燃烧过程为基本原理，建立相应的理论方程公式，并结合实际加以修正，基于该生物质电厂锅炉燃烧系统的影响因素分析，建立锅炉燃烧系统仿真模型。再基于虚拟DPU 技术设计制作仿真运行的界面和组态框架，运用通讯手段使仿真模型和虚拟DPU 控制器信息通讯。类似工作，完成风烟系统和汽水系统仿真模型搭建工作，那么该型生物质电厂锅炉仿真模型搭建完成。

此锅炉仿真模型是该生物质电厂仿真系统的一部分，调用点火前的工况，根据其实际操作规程和操作手册，在集控操作界面，进行点火以及炉膛升温升压工作，对照实际运行工况参数，进行调试，直至完全模拟实际运行的动态和参数，那么该型生物质电厂锅炉仿真系统制作完成。

5 结语

本文的研究对象为50 MW 生物质电厂，基于虚拟DPU 技术设计和开发了一套生物质电厂锅炉仿真模型，实现锅炉的全仿功能。并在该厂SIS 监控系统的加持下，将现场实时数据与仿真数据统一布置在同一平台，为下一步实时数据接入仿真系统做实验和规划准备，向更加智能、完善的智慧型电厂推进。