180 t/h全燃?xì)忮仩t優(yōu)化燃燒控制實(shí)踐

閆海斌

（河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司設(shè)備能源部，河北張家口 075100）

1 概況

河鋼宣鋼8#180 t/h 全燃?xì)忮仩t擔(dān)負(fù)著為汽輪鼓風(fēng)機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)提供動力蒸汽的任務(wù)。鍋爐額定蒸發(fā)量180 t/h,主蒸汽溫度435±5℃,主蒸汽壓力3.43±0.1 MPa。鍋爐采用四層煤氣噴燃布置，第一、第二層使用焦?fàn)t煤氣，第一至第四層燃用高爐煤氣，每層煤氣及配比二次風(fēng)調(diào)節(jié)閥均設(shè)計(jì)為自動、手動調(diào)節(jié)功能。實(shí)際操作過程中，基本以手動操作為主，操作過程中會因調(diào)節(jié)不及時(shí)，控制精度不高，配風(fēng)不合理等問題，造成蒸汽參數(shù)控制不穩(wěn)定。為合理配置資源，降低煤氣綜合單耗，決定對8#全燃?xì)忮仩t進(jìn)行自動燃燒優(yōu)化改造，將煤氣燃燒、負(fù)荷控制、汽包液位、引送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)等主要控制回路實(shí)現(xiàn)全自動控制。改造后，鍋爐汽水調(diào)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)全自動控制，鍋爐運(yùn)行工況安全、平穩(wěn)，主要運(yùn)行參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高了鍋爐綜合熱效率及使用壽命，煙氣檢測污染物指標(biāo)明顯下降，并將8#鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)在其它5臺中壓鍋爐上進(jìn)行推廣應(yīng)用，使公司節(jié)能減排工作邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

2 項(xiàng)目簡介

通過對8#180 t/h 全燃?xì)忮仩t現(xiàn)有控制系統(tǒng)分析，控制系統(tǒng)采用ABB AC800F 系統(tǒng)，支持OPC 通訊功能，目前除高壓給水主回路實(shí)現(xiàn)自動控制外，其余回路均為手動控制，在煤氣壓力等外部工況頻繁波動時(shí)，導(dǎo)致鍋爐各運(yùn)行參數(shù)均出現(xiàn)大范圍波動、控制不穩(wěn)定現(xiàn)象，鍋爐運(yùn)行主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、汽包液位、減溫水量等主要參數(shù)波動范圍±20%，給鍋爐安全運(yùn)行造成了一定影響，降低了鍋爐熱效率。

現(xiàn)有控制系統(tǒng)運(yùn)行缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)外網(wǎng)煤氣壓力出現(xiàn)波動時(shí)，煤氣調(diào)節(jié)閥時(shí)而開大時(shí)而關(guān)小，相對應(yīng)的二次風(fēng)配比調(diào)節(jié)不及時(shí)，爐膛內(nèi)溫度變化大，鍋爐負(fù)荷不穩(wěn)定，效率低；

（2）汽包液位控制采用傳統(tǒng)的三沖量控制，控制精度不高。汽包液位控制方式采用了一個(gè)手動和一個(gè)自動控制方式，在自動調(diào)節(jié)達(dá)到極限的情況下需要手動進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)相對滯后；

（3）主蒸汽溫度采用兩級減溫水串級控制，受主汽溫度變化影響，減溫水量波動范圍大，對主蒸汽溫度調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性造成很大影響；

（4）根據(jù)爐膛負(fù)壓分別對兩臺引風(fēng)機(jī)、兩臺送風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，在負(fù)荷變化較大時(shí)，需要手動干預(yù)，而且另一回路需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定好，對于操作經(jīng)驗(yàn)不足的操作工，調(diào)節(jié)難度大。

3 詳細(xì)技術(shù)方案

3.1 項(xiàng)目改造總體思路

煤氣綜合單耗是衡量鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，降低煤氣使用量，提高鍋爐熱效率是目前研究的課題。全燃?xì)忮仩t利用BCS 優(yōu)化控制理念，經(jīng)過對燃?xì)忮仩t燃燒控制，爐膛負(fù)壓控制，主汽參數(shù)控制，汽包液位及引送風(fēng)機(jī)配風(fēng)等控制方式，使鍋爐達(dá)到全自動運(yùn)行，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均在有效控制范圍內(nèi)，煤氣燃料充分燃燒，各類熱損失降至最低，實(shí)現(xiàn)鍋爐經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

3.2 BCS控制原理

鍋爐BCS 控制系統(tǒng)是對各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行全自動集中監(jiān)控，對鍋爐啟動和停止進(jìn)行程序控制，通過數(shù)據(jù)處理、分析判斷、優(yōu)化調(diào)整，狀態(tài)監(jiān)控，使鍋爐實(shí)現(xiàn)全自動協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的。由于鍋爐入爐煤氣燃料是最不穩(wěn)定的變量，使與之配比的風(fēng)量始終處于動態(tài)調(diào)整過程，BCS 控制的核心是在一定的蒸汽負(fù)荷下尋求最少的煤氣用量，并核算最佳的空氣配比量，加強(qiáng)對空氣過剩系數(shù)的控制，來進(jìn)一步降低鍋爐煤氣單耗，實(shí)現(xiàn)汽水系統(tǒng)快速無擾動調(diào)節(jié)，增強(qiáng)鍋爐節(jié)能降耗效果。圖1為BCS控制與各種燃燒裝置示意圖。

圖1 BCS控制與各種燃燒裝置示意圖

3.3 BCS優(yōu)化控制技術(shù)

在現(xiàn)有燃燒裝置的工藝條件下，為使鍋爐有效利用熱量達(dá)到最大，需將排煙損失、不完全燃燒損失、散熱損失降至最小。因此，通過BCS 優(yōu)化控制技術(shù)降低各部分熱損失，優(yōu)化鍋爐燃燒控制方案，來提高鍋爐燃燒效率。

4 方案實(shí)施

在鍋爐現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，利用I/O 接口，采用實(shí)時(shí)采集、記錄、監(jiān)視、操作控制對象，并增設(shè)BCS 優(yōu)化控制模塊，使BCS 控制系統(tǒng)與鍋爐原控制系統(tǒng)進(jìn)行對接，完成BCS 燃燒優(yōu)化系統(tǒng)與原DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。完成現(xiàn)場硬件改造工作，安裝主蒸汽壓力、溫度、流量,給水流量,汽包液位,爐膛負(fù)壓等儀表，并保證基本測量儀表的準(zhǔn)確性。BCS 要求額定負(fù)荷下所用調(diào)節(jié)閥及擋板的死區(qū)小于2.5%，引、送風(fēng)機(jī)風(fēng)門擋板開度小于65%，引、送風(fēng)機(jī)變頻器開度小于85%，并保證足夠的調(diào)節(jié)余量。支持故障診斷與預(yù)警技術(shù)、智能語音報(bào)警方案，改造后主要控制回路均實(shí)現(xiàn)全自動優(yōu)化運(yùn)行，達(dá)到鍋爐節(jié)能高效運(yùn)行方案。圖2 為BCS燃燒優(yōu)化技術(shù)模塊示意圖

圖2 BCS燃燒優(yōu)化技術(shù)模塊示意圖

4.1 BCS優(yōu)化燃燒

鍋爐優(yōu)化燃燒控制是在安全燃燒的前提下，通過自動燃燒達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管壓力，保持主蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性。自動燃燒通過BCS 優(yōu)化燃燒控制模塊來實(shí)現(xiàn)，最佳空燃比通過空燃比優(yōu)化控制器來實(shí)現(xiàn)。在入爐煤氣壓力不穩(wěn)定時(shí)，先模擬改變空燃比，觀測爐膛溫度及爐內(nèi)火焰的變化，再對改變空燃比數(shù)值進(jìn)行修正，達(dá)到最佳燃燒效果。運(yùn)用靈活的煤風(fēng)配比方案，使煤風(fēng)配比具有很強(qiáng)的抗干擾能力，消除煤氣壓力波動的影響，最大可控制煤氣壓力5 kPa 波動范圍的影響，使鍋爐運(yùn)行達(dá)到最佳控制效果。

4.2 蒸汽負(fù)荷控制

蒸汽負(fù)荷控制是一個(gè)復(fù)雜的熱力過程，為使蒸汽負(fù)荷控制穩(wěn)定，在燃燒工況改變時(shí)，通過提前測算主蒸汽參數(shù)的變化趨勢改變煤氣量，來保持吸熱和放熱的平衡。煤氣調(diào)節(jié)量優(yōu)化模型是入爐煤氣量變化大時(shí)，因不定時(shí)不定量的高熱值煤氣對鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生的突發(fā)性干擾，使燃料發(fā)生變化，造成鍋爐負(fù)荷時(shí)而升高、時(shí)而降低，根據(jù)高爐、焦?fàn)t煤氣壓力來調(diào)整各層煤氣閥門的開度以保證其經(jīng)濟(jì)燃燒，必要時(shí)做出關(guān)閥指令。

4.3 汽包液位控制

汽包液位采用三沖量串級調(diào)節(jié)，根據(jù)主給水流量、汽包液位和蒸汽流量來調(diào)節(jié)主、副給水調(diào)節(jié)閥的開度，保持鍋爐汽包液位的穩(wěn)定性。運(yùn)行中根據(jù)液位實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，輸出汽水偏差來調(diào)整主給水和副給水的電調(diào)閥門的開度。并在常規(guī)汽包液位三沖量控制的基礎(chǔ)上增加了負(fù)荷—液位模型和液位擾動觀測模型，實(shí)現(xiàn)液位控制為實(shí)時(shí)控制，正常偏差水平為±50 mm。圖3 為汽包液位控制示意圖。

圖3 汽包液位控制示意圖

4.4 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)

主蒸汽溫度調(diào)節(jié)是根據(jù)鍋爐集汽集箱和減溫器出口蒸汽溫度來調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥的開度。當(dāng)集汽集箱出口蒸汽溫度降低時(shí)，自動減少減溫水量，反之增加減溫水量，并保持主蒸汽溫度的恒定。由于鍋爐集汽集箱出口溫度、煙氣溫度發(fā)生變化時(shí)，主蒸汽溫度的變化會很大，因此，需通過對煙氣溫度的監(jiān)測提前對減溫水進(jìn)行預(yù)判調(diào)整，使主蒸汽溫度穩(wěn)定在435±5 ℃的范圍內(nèi)，提高主蒸汽溫度的控制精度。圖4為主蒸汽溫度控制示意圖。

圖4 主蒸汽溫度控制示意圖

4.5 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)

爐膛負(fù)壓保護(hù)是運(yùn)行中防止?fàn)t膛爆燃的一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口擋板開度，保持爐膛在-50～-100 Pa 微負(fù)壓狀態(tài)，保證鍋爐安全燃燒。當(dāng)兩臺引風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，需對兩臺引風(fēng)機(jī)進(jìn)行分別控制，設(shè)定主路調(diào)節(jié)與副路調(diào)節(jié)，保持其調(diào)節(jié)的有效性。爐膛負(fù)壓控制重點(diǎn)是要對測量的壞值進(jìn)行處理，并對偏差大的壞值進(jìn)行剔除，在負(fù)壓發(fā)生變化時(shí)，提前給引風(fēng)擋板一個(gè)趨勢調(diào)節(jié)量，來緩沖負(fù)壓變化大對鍋爐運(yùn)行的影響，以保證爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定性。圖5為爐膛負(fù)壓控制回路示意圖。

圖5 爐膛負(fù)壓控制回路示意圖

4.6 引、送風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

引、送風(fēng)機(jī)基本風(fēng)量的獲取是通過檢測引送風(fēng)機(jī)電流值來計(jì)算總送風(fēng)量，為調(diào)節(jié)入爐風(fēng)量做好準(zhǔn)備。當(dāng)入爐煤氣壓力發(fā)生波動時(shí)，對應(yīng)的空氣量也發(fā)生變化，一路引送風(fēng)機(jī)處于副調(diào)節(jié)，另一路處于主調(diào)節(jié)范圍，防止兩路同時(shí)動作，出現(xiàn)調(diào)節(jié)過量問題，最佳調(diào)節(jié)方式是煤氣量與空氣量達(dá)到最佳空燃比，讓煤氣充分完全燃燒，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定提高。

以上6 大控制系統(tǒng)實(shí)施后，在BCS 系統(tǒng)中又增加了智能語音報(bào)警、通訊故障自動切換、安全限幅與控制聯(lián)鎖、儀表故障自動處理和故障診斷等幾大功能，使控制系統(tǒng)更加完善，進(jìn)一步保障了鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 實(shí)施效果

通過對8#180 t/h 全燃?xì)忮仩t燃燒優(yōu)化技術(shù)改造，鍋爐燃燒及負(fù)荷控制、汽包液位、爐膛負(fù)壓、引送風(fēng)機(jī)控制等主要控制系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行，鍋爐燃燒過程中的主要控制參數(shù)均可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)定并自動控制，達(dá)到預(yù)期控制要求。

2017 年11 月15 日，8#鍋爐完成了分步調(diào)試進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行期間對手動控制及自動控制運(yùn)行進(jìn)行比較，并對兩個(gè)運(yùn)行階段數(shù)據(jù)匯總整理，見表1。

表1 8#鍋爐運(yùn)行參數(shù)

鍋爐節(jié)能率測算：

第一階段(986.11-966.26) ÷ 986.11×100%=2.01%；

第二階段(1021.11-1008.28)÷1021.11×100%=1.25%。

通過數(shù)據(jù)分析可以看出BCS 控制比DCS 控制方式更為優(yōu)越、可靠，主要運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定、安全，同等條件下，鍋爐綜合煤氣單耗兩個(gè)階段分別下降20 m3/t和13 m3/t，節(jié)能率分別為2.01%和1.25%，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高，并且BCS 安全控制技術(shù)，能夠及時(shí)診斷及預(yù)警鍋爐故障，保障了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

8#180 t/h 全燃?xì)忮仩t優(yōu)化控制改造后，可實(shí)現(xiàn)鍋爐全自動優(yōu)化運(yùn)行，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，單臺鍋爐綜合單耗下降，節(jié)能效果顯著。全燃?xì)忮仩t整體運(yùn)行工況更加平穩(wěn)，消除了煤氣壓力影響，鍋爐熱效率顯著提高。