多燃料（生物质/ 天然气）互补的热电联产系统灵活蒸汽供应技术研究

1. 多燃料互补热电联产系统建模与特性分析

1.1 系统结构与工艺流程描述

多燃料互补热电联产系统由生物质处理单元、天然气供应模块、双燃料锅炉 / 燃气轮机机组、蒸汽轮机发电单元及蒸汽分配网络构成。生物质经破碎、干燥后进入气化炉或直接燃烧炉，产生高温烟气；天然气通过加压调质后接入燃烧器，与生物质烟气混合或独立燃烧。热能通过余热锅炉生成蒸汽驱动汽轮机发电，同时抽汽或排汽供应工业热用户。系统采用并联或串联燃料路径设计，支持生物质与天然气按 0-100% 比例灵活切换或混合燃烧，蒸汽管网配备压力-温度传感器实时反馈负荷需求，形成“燃料输入 - 热能转换 - 蒸汽输出”的闭环流程。

1.2 多燃料互补运行特性分析

生物质燃料具有高挥发分、低热值（ 14-18MJ/kg ）及季节性供应波动特性，而天然气热值稳定（ 35-40MJ/m³ ）、响应迅速但成本受市场影响显著。仿真表明：当生物质掺混比达 60% 时，系统热效率提升至 85% ，但蒸汽出力响应延迟增加 40% ；燃料切换过程中，主蒸汽压力波动幅度与切换速度呈负相关，需通过预燃室温度缓冲控制抑制扰动。在变负荷工况下，生物质燃料占比每提高 10% ，排烟温度下降 15-20^cC ，但飞灰含碳量上升，需优化配风比降低未燃尽损失。动态模型验证了天然气快速补燃可补偿生物质热惯性，实现蒸汽流量土 :5% 范围内的稳定输出。

2. 灵活蒸汽供应关键技术研究

2.1 燃料互补协同优化策略

基于蒸汽负荷预测模型（ARIMA 算法），建立以经济性和环保性（ CO₂ 排放约束）为双目标的动态规划模型。采用混合整数线性规划（MILP）求解最优燃料配比，例如在天然气价格峰值期切换 70% 生物质燃料，降低运行成本23%_⨀ 。针对生物质含水率波动（ 15-30% ），设计鲁棒优化策略，通过模糊 PID控制器调整气化炉氧燃比，维持蒸汽参数偏差 ⩽2% 。开发燃料快速切换逻辑：当蒸汽需求骤增时，天然气燃烧器在 20 秒内提升负荷至 90% ，同步启动生物质给料加速，避免蒸汽压力骤降。

2.2 蒸汽侧灵活调节技术

集成变压式蒸汽蓄热器（容积比 1:0.3），在负荷低谷期蓄存高压饱和蒸汽（ 1.5MPa ），高峰期释汽增压至管网，缓冲负荷波动率达 40% 。提出多级抽汽自适应策略：低压缸抽汽比例随外部热需求动态调整（ 10-30% 范围），结合补汽式调节阀快速响应流量变化（响应时间 <15 s）。建立蒸汽压力 - 流量解耦控制模型，通过前馈补偿消除燃料热值扰动对主汽温度的影响（控制精度±3℃）。安全边界设定为蒸汽压力波动限值 ±0.5MPa ，超限时触发天然气辅助燃烧器紧急补燃。

2.3 智能控制与调度系统设计

构建基于模型预测控制（MPC）的“燃料 - 蒸汽”协同框架，以 15 分钟为周期滚动优化。核心层集成实时数据（燃料热值、蒸汽流量、电网电价）与LSTM 负荷预测模块，决策层输出燃料阀门开度、蓄热器充放指令及抽汽调节量。人机界面（HMI）可视化显示多燃料占比热力图、蒸汽供需平衡曲线及碳排放强度指标，支持远程设定负荷优先级（如保电模式 / 保汽模式）。OPC 协议实现与 DCS 系统数据互通，故障诊断模块实时监测气化炉结焦、蒸汽过热度异常等风险。

3. 系统性能仿真与案例分析

3.1 仿真平台构建与模型验证

基于 EBSILON Professional 15 平台构建系统热力循环模型，集成生物质气化（Gibbs 反应器）与天然气燃烧（绝热火焰温度计算）模块，设置蒸汽轮机三级抽汽（ 1.2MPa/0.8MPa/0.3MPa ）。动态模型通过 MATLAB/Simulink 耦合，以 OPC 协议实时传输燃料阀位信号至蒸汽管网。模型验证采用某 75 MW 热电项目运行数据：在生物质掺混率 40% 工况下，主蒸汽流量设计值 120t/h ，仿真值 118.5 t/h（误差 1.25% ）；排烟温度实测值 与仿真值 138℃吻合（偏差 <3% ）。关键参数标定包括气化炉碳转化率（ 0.82-0.88 ）和汽机内效率（ 82.5% ），确保变工况仿真可靠性。

3.2 灵活蒸汽供应场景仿真分析

设定三类典型负荷场景：蒸汽需求峰谷差达 60% （高峰 90t/h ，低谷 36 Δ_t/Δ h），采用 " 生物质基荷 + 天然气调峰 " 策略。仿真显示：蓄热器释汽补偿 40% 负荷波动，蒸汽压力波动控制在 ±0.15MPa 内；燃料成本较纯天然气模式降低34%。

冬季生物质含水率升至 28% ，蒸汽需求增加 20% 。鲁棒优化策略自动提升天然气占比至 50% ，维持系统效率 581% ，碳排放强度降至 0.18t-CO₂/MWh （较燃煤基准下降 62% ）。

模拟造纸厂蒸汽需求阶跃上升（ 30t/h⟶60t/h/5min) 。MPC 控制器在 45秒内完成天然气补燃（出力 +35% ）与抽汽比例调整，蒸汽过热度偏差 ⩽8% ，

避免工艺中断。

综合表明：多燃料互补使蒸汽供应稳定性（压力波动率 <2.5% ）提升 50% 年运行成本节约 19-27% 。

3.3 案例研究与应用潜力评估

选取山东某生物质园区实施案例分析：系统装机容量 2×30MW ，年生物质消耗量 15 万吨（秸秆 / 木屑），天然气应急备用。实际运行数据验证：灵活性：蒸汽负荷跟踪误差 <4.8% ，燃料切换耗时 ^<3 分钟；经济性：利用低价生物质（200 元/ 吨）替代 35% 天然气（3.2 元 /m³ ），年燃料成本节省超2600 万元；环保性：生物质碳中和技术路径使年净减排 CO₂ 8.5 万吨。技术推广潜力集中于食品加工、纺织印染等蒸汽需求波动 >40% 的行业，在生物质资源丰富区（年储量 >5 万吨 / 县）投资回收期 <6 年。需突破瓶颈包括：生物质预处理成本控制（目标 <80 元/ 吨）和蒸汽蓄热器小型化（容积效率提升至0.95）。

结论

本研究证实多燃料互补热电联产系统通过生物质与天然气的协同优化，显著提升蒸汽供应灵活性。关键技术包括：动态特性优化：生物质基荷（掺混比40-60% ）与天然气调峰结合，降低燃料成本 34% ，系统热效率达 85% ；灵活调节技术：蒸汽蓄热器缓冲 40% 负荷波动，MPC 控制实现蒸汽压力偏差 ±0.15 MPa、响应时间 <45 秒；综合效益显著：山东案例显示年节约成本 2600 万元，CO₂ 减排率 62% ，投资回收期 <6 年。推广需突破生物质预处理成本（目标 <80 元 / 吨）及蓄热装置小型化瓶颈。该技术适用于蒸汽需求波动大的工业场景，对能源转型与碳中和目标实现具有工程价值。

参考文献

[1] 王建国， 李志强， 张涛， 等. 生物质与天然气混燃热电联产系统动态特性研究 [J]. 中国电机工程学报，2022, 42(5): 1689-1698.

[2]International Energy Agency.  Combined Heat and Power Technology Report[R]. Paris: IEA Publications, 2021: 45-52.