宣鋼全燃氣鍋爐燃燒優(yōu)化控制的創(chuàng)新與實踐

崔海濤

（河鋼集團宣鋼公司設(shè)備能源部，河北 張家口 075100）

宣鋼6#、7#、8#全燃氣鍋爐擔(dān)負著為汽輪鼓風(fēng)機和汽輪發(fā)電機提供動力蒸汽的任務(wù)。目前6#、7#、8#全燃氣鍋爐在燃燒過程中基本上都是手動操作，操作過程中會產(chǎn)生調(diào)節(jié)不及時，控制精度不高，配風(fēng)不合理，各類消耗高，蒸汽溫度及壓力控制不穩(wěn)定等問題。為合理配置資源，降低機組單耗，提高經(jīng)濟效益，決定對6#、7#、8#全燃氣鍋爐進行自動燃燒改造優(yōu)化[1]。

1 現(xiàn)狀分析

6#、7#、8#燃氣鍋爐控制系統(tǒng)除了給水回路實現(xiàn)了自動化外，其他各項回路都是手動操作控制的。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)氣量不足、壓力波動大、熱值變化快等不同工況。由于是手動操作控制，運行參數(shù)無法隨著工況的變化進行及時調(diào)整，進而使得鍋爐運行效率低下，能耗居高不下。

現(xiàn)有控制技術(shù)缺點如下：（1）水位/主汽溫度無法實現(xiàn)精準控制。（2）爐膛壓力控制兩臺風(fēng)機分開控制，在負荷變化較大時，需要手動干預(yù)，而且另一回路需要根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定好，對于操作經(jīng)驗不足的操作工，是有一定難度的[2]。

2 優(yōu)化控制的思路

（1）BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)技術(shù)原理。BCS作為最基本的測控儀表，它是相關(guān)燃燒裝置的連接點，通過集合安全控制、軟件測量、軟件接口、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多項先進技術(shù)，實現(xiàn)各種燃燒裝置高效地配合,從而使得設(shè)備運行更加安全穩(wěn)定、經(jīng)濟性高。

（2）燃燒現(xiàn)象與燃燒效率模型。燃燒作為物質(zhì)轉(zhuǎn)變成能量的重要方式,其效率直接影響著經(jīng)濟效益，而燃燒效率高低的重要影響因素就是其空氣量，具體如下圖所示。

圖1 空氣量與燃燒效率的關(guān)系

（3）BCS技術(shù)的理論依據(jù)。BCS技術(shù)的理論依據(jù)是通過優(yōu)化各種燃燒裝置的操作、工藝，實現(xiàn)燃燒效率η最大化。具體熱平衡方程式如下：Qr=Q1+Q2+Q3+Q5

燃燒效率η（%）=（Qr-Q3）/Qr；

熱效率ηf（%）=100-（Q2+Q3+Q5）%。

其中：Qr—1m3煤氣帶入燃燒裝置的熱量（KJ/m3）；Q1—燃燒裝置有效利用熱量（KJ/m3）；Q2—排出煙氣所帶走的熱量（KJ/m3）；Q3—氣體不完全燃燒熱損失（KJ/m3）；Q5—燃燒裝置的散熱損失（KJ/m3）；一般視為常數(shù)[1]。

通過上述公式可知，要提升燃燒效率，就要實施燃燒優(yōu)化。

3 優(yōu)化控制措施的實施

（1）優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)。通過燃燒控制和BCS算法的優(yōu)化模塊，實現(xiàn)燃氣鍋爐優(yōu)化燃燒控制，并利用空燃比優(yōu)化控制器和先進的智能軟伺服系統(tǒng)接口技術(shù)，使燃氣鍋爐達到最優(yōu)空燃比。

優(yōu)化模塊有三個初始化參數(shù)：EOP、SOP、TOP。這三個參數(shù)控制著優(yōu)化的精度、速度和穩(wěn)定性，優(yōu)化風(fēng)量增量和最合適風(fēng)燃比是該優(yōu)化模型的兩個輸出，輸出的結(jié)果使得系統(tǒng)能保持動態(tài)平衡。

圖2 BCS燃燒優(yōu)化技術(shù)模塊示意圖

圖3 燃氣鍋爐優(yōu)化燃燒控制示意圖

在煤氣壓力波動較大時，目前的控制回路無法精確穩(wěn)定地控制空氣、煤氣流量。而實現(xiàn)空氣量和煤氣量比例的合理調(diào)整，可以有效地抵抗外界干擾，促進燃氣鍋爐高效運行[2]。

最佳空燃比是通過空燃比優(yōu)化控制器的小幅度多頻次改變空燃比，監(jiān)控燃氣鍋爐運行情況，直至最佳。

（2）優(yōu)化汽包水位控制回路。汽包水位優(yōu)化控制原理為：通過汽包液位和汽水偏差的串聯(lián)作用，調(diào)節(jié)給水閥門開度，從而實現(xiàn)汽包水位的優(yōu)化調(diào)節(jié)。汽包液位設(shè)定器、汽包液位調(diào)節(jié)器、汽水偏差調(diào)節(jié)器是汽包水位控制回路里的三個重要器件，目標汽包液位會通過汽包液位設(shè)定器來確定，并將實際汽包液位和目標汽包液位值的差值，輸入給汽包液位調(diào)節(jié)器，汽包液位調(diào)節(jié)器根據(jù)差值生成汽水偏差補償值。汽水偏差調(diào)節(jié)器根據(jù)實際汽水偏差與目標汽水偏差的差值，控制主/旁路給水閥的開度。

圖4 汽包水位控制回路示意圖

汽包水位壞值處理，解決測量信號突然出現(xiàn)問題的情況發(fā)生。并且在常規(guī)的汽包水位三沖量控制的基礎(chǔ)上增加了負荷—水位模型和水位擾動觀測模型，使得水位控制點在合理范圍內(nèi)浮動。根據(jù)鍋爐負荷的情況改變目標汽包水位，實現(xiàn)負荷大小與汽包蒸汽容積大小同步浮動，而結(jié)合汽包水位的變化趨勢、幅度等，水位擾動觀測器模型輸出給水調(diào)整量，增強水位的穩(wěn)定性。

（3）優(yōu)化主汽溫度控制回路。主汽溫度優(yōu)化控制的核心部件為主汽溫度設(shè)定器和調(diào)節(jié)器。主汽溫度設(shè)定器設(shè)定目標主汽溫度值，主汽溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)實際主汽溫度值與目標主汽溫度值的差值，并結(jié)合氣溫智能控制補償值，調(diào)整減溫水閥的開度。

主汽溫度的變化趨勢是擾動觀測模型的輸入，通過調(diào)整減溫水，從而增強主汽溫度的精度和穩(wěn)定性。燃氣鍋爐燃燒運行強度的變化是高過溫度前饋算法的輸入，燃燒運行強度的變化使得煙溫變化，從而引起主汽溫度變化。

圖5 主汽溫度控制回路示意圖

（4）優(yōu)化爐膛壓力控制回路。爐膛壓力優(yōu)化控制的核心部件是爐膛壓力設(shè)定器和調(diào)節(jié)器。膛壓力設(shè)定器設(shè)定目標爐膛壓力值，爐膛壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)實際爐膛壓力值與目標爐膛壓力值的差值，并結(jié)合煤氣風(fēng)量前饋調(diào)節(jié)器的輸出值，調(diào)整引風(fēng)機的開度。

圖6 爐膛壓力控制回路示意圖

負壓測量處理是爐膛壓力控制的重點，通過對現(xiàn)場收集到的負壓測量數(shù)據(jù)進行算法處理，形成可用的測量值，同時將不可用的測量值刪除。同時，為了提升調(diào)節(jié)質(zhì)量，在負壓調(diào)節(jié)回路上加入前饋調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)在進爐煤氣/空氣發(fā)生量變化時促進引風(fēng)擋板改變，從而使得爐膛負壓更加穩(wěn)定。

（5）優(yōu)化送風(fēng)控制回路。基本風(fēng)量獲取模型的工作原理是根據(jù)送風(fēng)機電流測算總送風(fēng)量，為獲取控制切換風(fēng)量的基本目標值奠定基礎(chǔ)。風(fēng)量優(yōu)化模型的工作原理是通過優(yōu)化風(fēng)量實現(xiàn)節(jié)能效果。由于燃氣質(zhì)量的波動和燃燒效果的影響，等量燃氣的空氣用量是波動的，為了使得進爐燃氣充分燃燒，風(fēng)量應(yīng)隨著燃氣熱值等變化而變化。同時，當(dāng)燃燒完全時，鍋爐負荷會隨之上升，負荷控制回路就會相應(yīng)降低燃氣量控制點，從而又實現(xiàn)一次節(jié)能循環(huán)。動態(tài)風(fēng)煤比控制的是煤氣與空氣的比例，每次優(yōu)化結(jié)束后該值是隨著優(yōu)化過程而變化。氧含量修正模塊的作用是控制風(fēng)量的增減，它通過負荷計算得出目標氧含量值，并將實際測量值和目標氧含量值對比，從而控制風(fēng)量的增減。

圖7 送風(fēng)控制回路示意圖

（6）負荷控制回路。負荷控制系統(tǒng)中的主要有主汽壓力擾動觀測模型、煤氣量優(yōu)化模型、高熱值煤氣擾動模型和負荷智能控制算法四部分組成。主汽壓力擾動觀測模型以主汽壓力為輸入，通過分析主汽壓力變化趨勢，計算出調(diào)整燃氣量，從而確保負荷的穩(wěn)定性和燃氣閥位調(diào)節(jié)的快速性。煤氣量優(yōu)化模型針對的是煤氣種類多、熱值變化大的工況，使得用更少的燃氣來保證負荷。高熱值煤氣擾動模型針對的是不定時不定量的高熱值煤氣的工況，用于解決對于鍋爐運行的突發(fā)性干擾。

圖8 汽包水位對比圖

4 優(yōu)化措施實施效果

通過對手動控制方式和BCS優(yōu)化控制方式這模式下運行的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行收集，具體數(shù)據(jù)如下圖所示，通過對比可知，在BCS運行模式下，鍋爐運行平穩(wěn)性和經(jīng)濟性更好。

5 總結(jié)

通過6#、7#、8#燃氣鍋爐燃燒優(yōu)化控制的創(chuàng)新與實踐，實現(xiàn)了全自動優(yōu)化運行，提高鍋爐整體運行平穩(wěn)性，為實現(xiàn)公司節(jié)能減排、環(huán)保生產(chǎn)做出了貢獻。