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220t/h煤气锅炉控制方案的优化
发布时间：2013-09-02 08:02 来源：未知
随着包钢钢铁产量的不断增加，所产生的高炉煤气和转炉煤气量远远超出轧钢加热炉的用气量，这就会产生大量的过剩煤气，如果按照过去的粗放型做法将多余的煤气进行放散，不仅会污染环境，而且还会造成大量的能源浪费，提高生产成本。为此，包钢公司将原来的两台220t/h燃煤高温高压锅炉改造为纯烧煤气锅炉。该锅炉主要以高，炉煤气作为燃料，这与一般的燃煤锅炉有所不同，工艺原理的不同也就导致了其自动检测与控制系统的特殊之处，特别是其燃烧控制系统与普通燃煤锅炉存在较大的差别。其控制系统采用美国FOXBORO公司的I/A series DCS系统，可实现汽包水位、汽包压力、过热蒸汽温度和燃烧的自动控制，不仅自动化程度高，而且燃烧控制效果更为理想，富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
1、工艺原理及主要控制系统
包钢热电厂220 t/h纯烧煤气锅炉工艺流程如图1所示，主要包括燃烧系统和汽水系统两大部分。煤气和空气按一定的比例进入炉膛燃烧室进行燃烧，燃烧所释放出的热量传递给蒸汽发生系统，产生的饱和蒸汽经汽包内的汽水分离器进行分离，分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热，分离出的饱和蒸汽经过过热器（包括一级过热器和二级过热器）后，被加热成符合规定温度和压力要求的过热蒸汽并汇集至蒸汽母管，然后经蒸汽管道送往汽轮机做功。与此同时，燃料燃烧所产生的高温烟气经过过热器后，还要经省煤器预热锅炉给水、空气预热器预热助燃空气和煤气预热器预热高炉煤气，最后经过除尘器除尘后再由引风机将其送至烟囱排人大气。
该锅炉的控制系统主要包括：
a．汽包水位控制系统。由于锅炉容量较大，为了有效克服虚假水位现象，采用三冲量控制系统。
b．过热蒸汽温度控制系统。为了将过热蒸汽出口温度维持在允许的范围之内，设置了两级过热器和两级减温装置，第一级过热器出口蒸汽温度控制采用串级控制系统，主被控变量为出口蒸汽温度，副被控变量为第一级减温水流量，以改善控制性能；第二级过热器出口蒸汽温度控制采用单回路控制系统，被控变量为第二级过热器出口蒸汽温度。
c．燃烧控制系统。该系统包括蒸汽压力控制、炉膛负压控制、空燃比控制及最佳烟气含氧量优化设定等。
由于该锅炉的燃料为高炉煤气，在煤气热值相对稳定的情况下，燃烧自动控制是比较容易实现的，这与燃煤锅炉有很大的区别。
2、DCS控制系统总体方案
该锅炉采用美国FOXBORO公司的I/A se-ries DCS控制系统，硬件系统总体结构如图2所示。本系统配置有一套工程师站(AW51)、两套操作员站( WP51)、一台打印机、一对冗余的控制器(CP60FT)、3对冗余的现场总线通信组件( FB110E)及相应的I/O组件等。过程控制站采用CP60FT容错控制处理机，可以实现数据采集、积算处理、模拟量控制，逻辑控制、顺序控制及报警等功能。
根据锅炉的测控点数及信号类型，并考虑一定的冗余比，整套DCS控制系统所需I/O组件见表l。
软件系统主要包括系统管理软件、操作员接口软件、控制处理机应用软件、功能块访问软件、设备监视软件、系统监视软件、历史数据库管理软件及报表软件等，主要完成数据采集、数字滤波、标度变换、控制计算、控制输出、参数显示、曲线显示、PID参数修改及报表打印等功能。
3、燃烧过程控制方案优化
锅炉燃烧控制的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量能适应蒸汽量变化的需要，同时还必须满足锅炉经济燃烧和安全生产的要求。为此，可将锅炉的燃烧控制任务分解为3个方面：
a．维持蒸汽压力恒定，这也就意味着燃料燃烧所放出的热量应与其输出的蒸汽所带走的热量对等，这需要根据蒸汽负荷变化适时调整燃料量的大小；
b．保证经济燃烧，即维持最佳的空燃比；
c．维持炉膛负压基本稳定，以保证安全、经济运行。
燃烧自动控制系统包括热负荷、送风量和引风量3个调节回路，系统设计的总原则是当负荷变化时，煤气量、送风量和引风量同步合理变化。
实现锅炉燃烧自动控制的关键问题是燃料的检测，具体包括燃料流量检测和燃料热值检测两个方面。对于燃煤锅炉而言，燃料的流量和热值的在线检测目前还很难实现，这也就导致燃煤锅炉燃烧自动控制系统稳定运行的前提条件并没有得到满足，燃烧自动控制系统不能投入正常运行。对于纯烧煤气锅炉，煤气流量检测技术及仪表已非常成熟，比如可采用孔板和流量变送器进行检测，而煤气热值的检测也有比较成熟的热值仪，目前存在的问题有：热值仪的价格比较高、日常维护量比较大。由于技术方面没有太大问题，所以，纯烧煤气锅炉的燃烧自动控制系统是能够投入正常运行的。
燃烧控制系统有多种方案，如串级比值控制系统、单交叉控制系统及双交叉限幅控制系统等，同时，也可在PID控制规律的基础上，将先进控制算法引入其中，以进一步改善控制品质。串级比值控制系统属于基本控制方案，其主被控变量为汽包压力，具体包括煤气量与空气量同步变化、煤气量先行空气量后行两种方案，而后者会在负荷增加时产生煤气燃烧不充分的现象。为此，可采用改进型的单交叉控制系统（图3）。当升负荷时，汽包压力减小，PC的输出信号因增大而被高选器HS选中，先加大空气量，后加大煤气量；相反，当降负荷时，汽包压力增大，PC的输出信号因减小而被低选器LS选中，先减小煤气量，后减小空气量。这两种情况下的燃烧均较为充分，但在提负荷或降负荷时，会因过剩空气系数的增大而使燃烧效率降低。
为了解决上述问题，可以采用双交叉限幅控制系统（图4），HLM和LLM分别为高限限幅器和低限限幅器。该系统以汽包压力为主被控变量，煤气量和空气量为副被控变量，两个并列的副回路可实现逻辑比值功能，使空燃比在动态或静态情况下都可维持在最佳值附近。
空燃比的最佳值是随着煤气热值的变化而变化的，故需根据煤气热值实时修正空燃比的最佳值。在实际应用中，一般根据烟气含氧量去校正空燃比，而烟气含氧量的最优值又与锅炉的负荷有关，所以，应根据锅炉负荷校正烟气含氧量调节器的设定值，再由烟气含氧量调节器的输出信号去校正空燃比，这就使锅炉燃烧过程在不同负荷下始终处于最佳空燃比状态，进而实现燃烧过程的最优化控制。该方案在I/A series DCS系统中是很容易实现的。
4、结束语
锅炉燃烧自动控制一直是业内关注的重点，对于笔者所述的220t/h纯烧煤气锅炉，由于其工艺的特殊性及I/A series DCS系统的成功应用，为燃烧自动控制和优化控制提供了必要的条件。目前，影响该系统运行质量的主要因素是煤气压力和煤气热值的波动，而检测与控制技术本身没有太大问题。对于优化控制，除了以上所述方案之外，还可把软测量技术和数据融合技术应用于烟气含氧量测量，通过机理分析建立烟气含氧量软测量模型，用其取代传统的氧量计，进而实现燃烧优化控制，同时还可应用于设备故障诊断等领域。这种方法具有测量成本低、精度高、可靠性高及维护方便等优点，富通新能源不但生产销售生物质锅炉，而且还大量销售生物质锅炉燃烧专用的生物质颗粒燃料，生物质颗粒燃料主要由木屑颗粒机压制生产而成。
