宣钢全燃气锅炉燃烧优化控制的创新与实践

2020-07-04崔海涛

中国金属通报 2020年4期

崔海涛

（河钢集团宣钢公司设备能源部，河北张家口 075100）

宣钢6#、7#、8#全燃气锅炉担负着为汽轮鼓风机和汽轮发电机提供动力蒸汽的任务。目前6#、7#、8#全燃气锅炉在燃烧过程中基本上都是手动操作，操作过程中会产生调节不及时，控制精度不高，配风不合理，各类消耗高，蒸汽温度及压力控制不稳定等问题。为合理配置资源，降低机组单耗，提高经济效益，决定对6#、7#、8#全燃气锅炉进行自动燃烧改造优化[1]。

1 现状分析

6#、7#、8#燃气锅炉控制系统除了给水回路实现了自动化外，其他各项回路都是手动操作控制的。在生产过程中，经常会出现气量不足、压力波动大、热值变化快等不同工况。由于是手动操作控制，运行参数无法随着工况的变化进行及时调整，进而使得锅炉运行效率低下，能耗居高不下。

现有控制技术缺点如下：（1）水位/主汽温度无法实现精准控制。（2）炉膛压力控制两台风机分开控制，在负荷变化较大时，需要手动干预，而且另一回路需要根据经验设定好，对于操作经验不足的操作工，是有一定难度的[2]。

2 优化控制的思路

（1）BCS优化控制系统技术原理。BCS作为最基本的测控仪表，它是相关燃烧装置的连接点，通过集合安全控制、软件测量、软件接口、数据统计等多项先进技术，实现各种燃烧装置高效地配合,从而使得设备运行更加安全稳定、经济性高。

（2）燃烧现象与燃烧效率模型。燃烧作为物质转变成能量的重要方式,其效率直接影响着经济效益，而燃烧效率高低的重要影响因素就是其空气量，具体如下图所示。

图1 空气量与燃烧效率的关系

（3）BCS技术的理论依据。BCS技术的理论依据是通过优化各种燃烧装置的操作、工艺，实现燃烧效率η最大化。具体热平衡方程式如下：Qr=Q1+Q2+Q3+Q5

燃烧效率η（%）=（Qr-Q3）/Qr；

热效率ηf（%）=100-（Q2+Q3+Q5）%。

其中：Qr—1m3煤气带入燃烧装置的热量（KJ/m3）；Q1—燃烧装置有效利用热量（KJ/m3）；Q2—排出烟气所带走的热量（KJ/m3）；Q3—气体不完全燃烧热损失（KJ/m3）；Q5—燃烧装置的散热损失（KJ/m3）；一般视为常数[1]。

通过上述公式可知，要提升燃烧效率，就要实施燃烧优化。

3 优化控制措施的实施

（1）优化燃烧控制系统。通过燃烧控制和BCS算法的优化模块，实现燃气锅炉优化燃烧控制，并利用空燃比优化控制器和先进的智能软伺服系统接口技术，使燃气锅炉达到最优空燃比。

优化模块有三个初始化参数：EOP、SOP、TOP。这三个参数控制着优化的精度、速度和稳定性，优化风量增量和最合适风燃比是该优化模型的两个输出，输出的结果使得系统能保持动态平衡。

图2 BCS燃烧优化技术模块示意图

图3 燃气锅炉优化燃烧控制示意图

在煤气压力波动较大时，目前的控制回路无法精确稳定地控制空气、煤气流量。而实现空气量和煤气量比例的合理调整，可以有效地抵抗外界干扰，促进燃气锅炉高效运行[2]。

最佳空燃比是通过空燃比优化控制器的小幅度多频次改变空燃比，监控燃气锅炉运行情况，直至最佳。

（2）优化汽包水位控制回路。汽包水位优化控制原理为：通过汽包液位和汽水偏差的串联作用，调节给水阀门开度，从而实现汽包水位的优化调节。汽包液位设定器、汽包液位调节器、汽水偏差调节器是汽包水位控制回路里的三个重要器件，目标汽包液位会通过汽包液位设定器来确定，并将实际汽包液位和目标汽包液位值的差值，输入给汽包液位调节器，汽包液位调节器根据差值生成汽水偏差补偿值。汽水偏差调节器根据实际汽水偏差与目标汽水偏差的差值，控制主/旁路给水阀的开度。

图4 汽包水位控制回路示意图

汽包水位坏值处理，解决测量信号突然出现问题的情况发生。并且在常规的汽包水位三冲量控制的基础上增加了负荷—水位模型和水位扰动观测模型，使得水位控制点在合理范围内浮动。根据锅炉负荷的情况改变目标汽包水位，实现负荷大小与汽包蒸汽容积大小同步浮动，而结合汽包水位的变化趋势、幅度等，水位扰动观测器模型输出给水调整量，增强水位的稳定性。

（3）优化主汽温度控制回路。主汽温度优化控制的核心部件为主汽温度设定器和调节器。主汽温度设定器设定目标主汽温度值，主汽温度调节器根据实际主汽温度值与目标主汽温度值的差值，并结合气温智能控制补偿值，调整减温水阀的开度。

主汽温度的变化趋势是扰动观测模型的输入，通过调整减温水，从而增强主汽温度的精度和稳定性。燃气锅炉燃烧运行强度的变化是高过温度前馈算法的输入，燃烧运行强度的变化使得烟温变化，从而引起主汽温度变化。

图5 主汽温度控制回路示意图

（4）优化炉膛压力控制回路。炉膛压力优化控制的核心部件是炉膛压力设定器和调节器。膛压力设定器设定目标炉膛压力值，炉膛压力调节器根据实际炉膛压力值与目标炉膛压力值的差值，并结合煤气风量前馈调节器的输出值，调整引风机的开度。

图6 炉膛压力控制回路示意图

负压测量处理是炉膛压力控制的重点，通过对现场收集到的负压测量数据进行算法处理，形成可用的测量值，同时将不可用的测量值删除。同时，为了提升调节质量，在负压调节回路上加入前馈调节器，可以实现在进炉煤气/空气发生量变化时促进引风挡板改变，从而使得炉膛负压更加稳定。

（5）优化送风控制回路。基本风量获取模型的工作原理是根据送风机电流测算总送风量，为获取控制切换风量的基本目标值奠定基础。风量优化模型的工作原理是通过优化风量实现节能效果。由于燃气质量的波动和燃烧效果的影响，等量燃气的空气用量是波动的，为了使得进炉燃气充分燃烧，风量应随着燃气热值等变化而变化。同时，当燃烧完全时，锅炉负荷会随之上升，负荷控制回路就会相应降低燃气量控制点，从而又实现一次节能循环。动态风煤比控制的是煤气与空气的比例，每次优化结束后该值是随着优化过程而变化。氧含量修正模块的作用是控制风量的增减，它通过负荷计算得出目标氧含量值，并将实际测量值和目标氧含量值对比，从而控制风量的增减。

图7 送风控制回路示意图

（6）负荷控制回路。负荷控制系统中的主要有主汽压力扰动观测模型、煤气量优化模型、高热值煤气扰动模型和负荷智能控制算法四部分组成。主汽压力扰动观测模型以主汽压力为输入，通过分析主汽压力变化趋势，计算出调整燃气量，从而确保负荷的稳定性和燃气阀位调节的快速性。煤气量优化模型针对的是煤气种类多、热值变化大的工况，使得用更少的燃气来保证负荷。高热值煤气扰动模型针对的是不定时不定量的高热值煤气的工况，用于解决对于锅炉运行的突发性干扰。