基于鍋爐溫度場分布的風(fēng)量優(yōu)化控制

邢莉華

（梅山鋼鐵公司熱電廠，江蘇南京 210039）

前言

梅鋼熱電廠4#鍋爐為全燒煤氣鍋爐，主要燃燒高爐煤氣并摻燒少量焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。由于梅鋼未配有前置煤氣柜，煤氣壓力在4 kPa 至11 kPa，遠(yuǎn)超同行業(yè)鍋爐8 kPa左右的正常工況。燃料供應(yīng)工況跨度大，一方面導(dǎo)致鍋爐設(shè)備調(diào)整幅度大，一方面導(dǎo)致鍋爐配風(fēng)出現(xiàn)風(fēng)量過量或者不足的問題。過氧燃燒使煙氣排放量增大，冷端熱損失較大；缺氧燃燒造成未燃燒氣體熱損失增加，降低了鍋爐效率。由于爐膛溫度、爐膛壓力、蒸汽溫度、蒸汽壓力以及爐膛氧量等均為檢測結(jié)果參數(shù)，自控系統(tǒng)根據(jù)其檢測結(jié)果進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)，具有較大的滯后性。

為解決檢測參數(shù)滯后的問題，研究目前國內(nèi)外的常規(guī)解決方案，發(fā)現(xiàn)由于爐膛燃燒區(qū)域被稱為“測量盲區(qū)”，現(xiàn)有的各種測量儀表均無法適應(yīng)爐膛內(nèi)燃燒區(qū)域的高溫，因此無法獲得實(shí)時、有效的燃燒數(shù)據(jù)，對實(shí)時燃燒控制帶來較大的挑戰(zhàn)。采用激光檢測技術(shù)與溫度成像技術(shù)相結(jié)合的方法，可達(dá)到實(shí)時監(jiān)測鍋爐爐膛溫度場分布參數(shù)的目的[1]。充分利用溫度場分布參數(shù)，在自控系統(tǒng)內(nèi)建立風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫[2][3]。鍋爐升爐后，根據(jù)鍋爐需求，調(diào)用風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)來調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行快速微調(diào)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的鍋爐燃燒控制，從而有效提高鍋爐燃燒效率。

1 改進(jìn)前系統(tǒng)

改進(jìn)前的鍋爐風(fēng)量是由熱風(fēng)門和送風(fēng)機(jī)來控制。一般情況下熱風(fēng)門的開度為90%，正常運(yùn)行時不進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)操作員通過爐膛內(nèi)攝像頭觀察燃燒火焰有異常時，手動調(diào)整熱風(fēng)門開度，以達(dá)到火焰充分燃燒的目的。送風(fēng)機(jī)根據(jù)煙氣含氧量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，其中煤氣流量作為PID的前饋,見圖1。由于煙氣含氧量、煤氣流量等檢測點(diǎn)單一且精度不夠，同時控制送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量無法做到四個角的精準(zhǔn)配風(fēng)，因此造成燃燒不充分或是過氧燃燒的情況發(fā)生，同時燃燒火焰偏移，使?fàn)t膛內(nèi)受熱不均，縮短了鍋爐使用壽命。

圖1 改進(jìn)前風(fēng)量控制系統(tǒng)示意圖

2 改進(jìn)方案

2.1 方案概述

利用激光測量技術(shù)，即：使用氣體吸收光譜特性來測量每個激光路徑上氣體的溫度，再結(jié)合成像技術(shù)顯示爐膛溫度分布，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測鍋爐溫度分布的目的。在DCS 系統(tǒng)中利用所得到的爐膛內(nèi)溫度分布情況，建立風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)燃燒的自動控制。

2.2 爐膛內(nèi)溫度場建設(shè)

在鍋爐噴燃器上部、爐膛折焰角下方的水冷壁鰭片開孔上安裝6 對特殊的傳感器探頭，此傳感器探頭根據(jù)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)測量鍋爐內(nèi)氣體溫度。傳感器所測的氣體溫度，是激光所穿越的整個氣體介質(zhì)特性沿光路的積分，也就是氣體介質(zhì)特性沿光路的投影。然后利用反演算法和軟件從投影結(jié)果中進(jìn)行反演求解，獲得整個鍋爐爐膛內(nèi)氣體溫度場的分布，最后利用成像技術(shù)在操作站上進(jìn)行可視化顯示，可以使操作員更直觀地監(jiān)測爐膛內(nèi)火焰燃燒情況。

基于鍋爐溫度場分布測量得到的爐膛橫截面上各區(qū)域溫度實(shí)時信號參與控制，可使燃燒更充分，且燃燒火焰中心相對居中。當(dāng)出現(xiàn)燃燒不充分或火焰局部偏移，可調(diào)整燒嘴開度和送風(fēng)機(jī)出力偏置量，使得鍋爐完全燃燒且兩側(cè)熱偏差減少，提高鍋爐燃燒效率和整體可用率，同時減少了金屬受熱面蠕變壽命損失，延長了鍋爐金屬受熱面使用壽命，有利于鍋爐長期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 風(fēng)量優(yōu)化控制

采用激光測量技術(shù)，可以直觀監(jiān)測爐膛內(nèi)溫度場情況。根據(jù)其燃燒情況，操作員對燃燒進(jìn)行有效的調(diào)整。但由于現(xiàn)場設(shè)備的性能限制和人工調(diào)整的滯后性，溫度場沒能發(fā)揮其最佳作用，并增加了操作員的勞動強(qiáng)度。因此結(jié)合DCS 控制系統(tǒng)，建立燃燒優(yōu)化閉環(huán)控制系統(tǒng)。開發(fā)了一種風(fēng)量優(yōu)化控制技術(shù)，建立了風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫。根據(jù)鍋爐的需求，實(shí)時優(yōu)化鍋爐配風(fēng)，指導(dǎo)鍋爐燃燒調(diào)整，實(shí)現(xiàn)變工況下的各燒嘴的精確配風(fēng)、總風(fēng)量的快速調(diào)整，直接提高鍋爐運(yùn)行效率，降低鍋爐熱損失。

梅鋼熱電廠4#鍋爐甲、乙兩側(cè)配有送風(fēng)機(jī)，鍋爐前后墻的左、右、中各配置兩個燒嘴熱風(fēng)門，共12個熱風(fēng)門進(jìn)行風(fēng)量控制。為了能獲得更精準(zhǔn)的風(fēng)量控制，在事前校驗(yàn)送風(fēng)母管上各燒嘴熱風(fēng)門的壓力測點(diǎn)，并檢查執(zhí)行器的準(zhǔn)確度。

風(fēng)量需求模型是根據(jù)鍋爐需求來確定風(fēng)量，見圖2。首先在不同工況下，設(shè)定調(diào)門初始開度都為50%（0～100%），得到初始公式：

圖2 風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫建立流程圖

式中：F—鍋爐需求；

Q—風(fēng)量；

Ln—第n個燒嘴熱風(fēng)門；

n=1，......，12；

K—開度。

然后通過爐內(nèi)溫度場分布參數(shù)，按順時針方向檢測前后墻上中下總共12 個方位相應(yīng)范圍爐膛內(nèi)的燃燒情況，當(dāng)檢測到的燃燒溫度偏低（在程序內(nèi)事前設(shè)定好各個方位需達(dá)到的最低燃燒溫度），表明此范圍內(nèi)火焰燃燒不充分，調(diào)整相應(yīng)方位燒嘴熱風(fēng)門開度△K，加大送風(fēng)量，保證煤氣充分燃燒，提高爐膛溫度，同時保證其對應(yīng)方位的燒嘴熱風(fēng)門開度不變，得到調(diào)整后

式中：n=1，......，12；

Ln’（Kn’+△K）為調(diào)整燒嘴;

Ln”（Kn”）為調(diào)整燒嘴的對應(yīng)燒嘴。

重復(fù)上面的燒嘴開度調(diào)整步驟，直到12個方位的燃燒溫度都檢測到，充分燃燒3 min后，再次進(jìn)行12 個方位的燃燒溫度檢測，判斷調(diào)整的開度是否合適，是否達(dá)到燃燒需求，若沒有繼續(xù)調(diào)整，直到12個方位全部達(dá)到要求。

此時可以確定爐膛內(nèi)燃燒的溫度已達(dá)到需要的溫度，但燃燒火焰是否達(dá)到預(yù)期的燃燒火焰中心相對居中，并不確定。因此此時需要根據(jù)溫度場分布參數(shù)確定燃燒中心點(diǎn)，根據(jù)程序判斷燃燒是否居中，若沒有居中需調(diào)整偏移相對方向的燒嘴開度，燃燒3 min 后，再次檢測燃燒是否居中，若沒有居中重復(fù)調(diào)整過程，直到燃燒居中。最后得到公式：

式中：n=1，......，12；

Q*—最優(yōu)風(fēng)量；

K*—燒嘴熱風(fēng)門的最優(yōu)開度。

將鍋爐需求F 和對應(yīng)得到的最優(yōu)風(fēng)量Q*、燒嘴Ln 的最優(yōu)開度Kn*保存在程序內(nèi)，建立風(fēng)量需求數(shù)據(jù)庫。正常運(yùn)行時可先在風(fēng)量需求數(shù)據(jù)中調(diào)用已有的數(shù)據(jù)，再根據(jù)運(yùn)行實(shí)時情況進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，減少調(diào)整時間，提高程序響應(yīng)速度。

利用從風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫中得到的前、后墻各熱風(fēng)門燒嘴的開度和壓力估算總風(fēng)量，預(yù)測甲、乙側(cè)送風(fēng)機(jī)需送風(fēng)量大小，控制送風(fēng)機(jī)電流大小和執(zhí)行器開度。在降低鍋爐負(fù)荷時，快速減少總風(fēng)量，減少排煙損失；在增加鍋爐負(fù)荷時，快速增加總風(fēng)量，減少未燃燒氣體熱損失,見圖3。

圖3 基于鍋爐溫度場分布的風(fēng)量優(yōu)化控制示意圖

3 改進(jìn)效果

改進(jìn)后通過觀察可發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)火焰燃燒更加充分，燃燒火焰中心相對居中、均勻，不會產(chǎn)生嚴(yán)重偏移現(xiàn)象，鍋爐左右兩側(cè)氧氣含氧量得到了很好的控制（如圖4）。并且此方法在運(yùn)行的一段時間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐自動配風(fēng)燒爐，自動投入率達(dá)到90%以上，大大降低了操作員的勞動強(qiáng)度。同時降低了鍋爐排煙溫度9℃左右，減少了鍋爐熱損失，提高了鍋爐效率，見表1。

表1 改進(jìn)前后鍋爐排煙溫度 單位：℃

圖4 鍋爐左右兩側(cè)煙氣含氧量趨勢圖

4 結(jié)束語

通過使用先進(jìn)的激光測量技術(shù)，利用氣體分子的紅外吸收光譜特性實(shí)現(xiàn)各個激光測量路徑上的氣體溫度測量，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測鍋爐溫度場分布參數(shù)的目的。再結(jié)合DCS 控制系統(tǒng)，利用溫度場分布參數(shù)建立風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫。根據(jù)鍋爐的需求，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的熱風(fēng)門燒嘴開度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)量控制，提高鍋爐運(yùn)行效率，降低鍋爐熱損失。風(fēng)量需求模型數(shù)據(jù)庫的建立，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)鍋爐風(fēng)量優(yōu)化控制，同時幫助優(yōu)化氧量控制，達(dá)到燃燒優(yōu)化。保證了鍋爐安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。