刁呈振

（河鋼宣鋼設備能源）

摘要：本文以河鋼宣鋼8#180t/h燃氣鍋爐為例，現有的控制系統除給水回路投用自動外，其余回路均是手動控制，外部工況的頻繁波動導致鍋爐在現有手動操作模式下各主要運行參數控制不平穩，無法遠程在線分析。

新技術的應用立足于現有的測控儀表，增加1套BCS優化控制系統及其相關配套裝置，在OPC橋梁功能的支持下，使優化系統與PLC系統無縫整合到一起。采用先進的軟測量技術、多變量解耦技術、過程優化控制技術、故障診斷與容錯控制技術的BCS控制系統來實現8#180t/h燃氣鍋爐的全自動控制及遠程在線分析，使鍋爐運行更加安全、穩定、經濟。

關鍵詞：全燃氣鍋爐；自動燃燒：遠程在線分析

1  河鋼宣鋼8#鍋爐原狀況

1.1鍋爐參數

8#燃氣鍋爐采用四層四角噴燃，燃料使用高爐煤氣(高爐煤氣進鍋爐前混入部分轉爐煤氣)，同時還摻燒焦爐煤氣。1-4層燃用高爐煤氣，1-2層燃用焦爐煤氣，每層的高爐煤氣、配風調節閥設計有同操調節功能，焦爐煤氣調節閥只能單個調節。鍋爐額定主蒸汽負荷180t/h,額定主蒸汽溫度440℃ ,額定主蒸汽壓力3.43MPa。煤氣調整方式按照優先級采用以下幾種方式混合調整:按主汽壓力調整、按調度指令調整、按煤氣總管壓力調整。鍋爐運行主蒸汽壓力波動范圍2.9～3.7MPa，主蒸汽溫度波動范圍420～463 ℃，爐膛負壓波動范圍-300～-90Pa，汽包水位波動范圍-90～70mm。

控制系統采用ABB AC800F (V9. 1)系統，支持OPC通訊，原 DCS組態設計有自動控制程序，除給水回路投用自動外，其余回路均是手動控制。影響生產穩定的主要因素是煤氣不足、熱值變化，高爐煤氣壓力波動大，高爐煤氣壓力波動范圍5～17KPa，外部工況的頻繁波動導致鍋爐在現有手動操作模式下各主要運行參數控制不平穩，從而降低了鍋爐和汽機效率，造成能源消耗增高。

1.2原有控制技術缺點

1.2.1水位的控制采用傳統的三沖量控制方式，沒有考慮燃燒的因素，控制精度不高，也沒有考慮燃燒因素的影響。

1.2.2主汽溫度的控制采用溫度水量的串級控制方式，水量的計量偏差很大。

1.2.3爐膛壓力控制兩臺風機分開控制，需要手動干預，技術難度大。

1.2.4未實現遠程在線監測分析

圖1  改造前主汽壓力變化趨勢圖

2  自動燃燒及遠程在線分析改造的技術思路

基于BCS優化控制節能技術，立足于現有的測控儀表，通過BCS優化控制系統對燃氣鍋爐燃燒優化控制，通過優化汽包給水控制回路、主汽壓力控制回路、爐膛壓力控制回路、送風控制回路、空燃比優化控制等手段，使燃氣鍋爐實現自動控制，各項技術指標滿足燃氣鍋爐的運行指標，并通過優化空燃比，使得煤氣既可以充分燃燒，又不至于風量過大，減小排煙損失，實現鍋爐的節能降耗。

2.1 BCS優化控制系統技術原理

BCS是立足于各種燃燒裝置最基本的測控儀表，采用先進的軟測量技術、過程優化控制技術與大系統協調優化技術、安全控制技術、先進的軟件接口技術及科學的運行數據挖掘、處理與統計技術來實現燃燒裝置及多燃燒裝置系統的全自動協調優化控制，從而達到其安全運行、穩定運行和經濟運行的所有目標。下圖為BCS技術與各種燃燒裝置的關系圖。

圖2  BCS技術與燃燒裝置的關系圖

實現經濟燃燒的目標有兩個，在一定的負荷下尋找更少量的煤氣用量，針對當前的煤氣量尋找最合適的空氣量來提高燃燒效率已進一步降低煤氣消耗。

2.2燃燒現象與燃燒效率模型

各種燃燒一般都伴隨著熱量的產生，甚至包括化學燃燒。燃燒是物質與能量的轉化過程，燃燒效率的高低代表著物質與能量的轉化程度的高低，或者說它直接體現了經濟效益的高低。

從各種燃燒裝置的實際運行都不難知道，其燃燒效率與空氣量的關系可用下圖燃燒效率曲線表達:

圖3  燃燒效率曲線

燃燒效率η是空燃比k的上單峰函數，這是我們在燃燒過程搞優化控制的工藝依據，可記為:

η=f (k)

2.3 BCS技術的理論根據

BCS技術立足于各種燃燒裝置現有的工藝、設備、操作條件下，通過實施優化控制來使其燃燒效率η最大。能量平衡與熱量平衡

     氣體燃料的熱平衡方程式如下:

         Qr=Q1+Q2+Q3+Q5

         燃燒效率η(%)=(Qr-Q3)/Qr

         熱效率η_f（%) =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。

如果想使燃燒裝置熱效率η_f最大，我們必須讓Q2、Q3、 Q5三項損失最小，而Q2、Q3兩項占了燃燒裝置熱損失的絕大部分份額并與燃燒效果有著密不可分的因果關系。很顯然如果空氣過量會造成Q2增大，空氣欠量會使Q3增大。

通過實施燃燒優化提高燃燒效率，并且實現遠程在線分析。

2.4技術方案

2.4.1 基于8#180t/h燃氣鍋爐現有的DCS控制系統現狀、現場儀表和自動裝置等設備設施，在現有儀表和自動裝置不存在瓶頸因素的情況下，增加1套BCS優化控制系統及其相關配套裝置，在OPC橋梁功能的支持下，使優化系統與PLC系統無縫整合到一起。采用先進的軟測量技術、多變量解耦技術、過程優化控制技術、故障診斷與容錯控制技術的BCS控制系統來實現8#180t/h燃氣鍋爐的全自動優化控制。改造后將將煤氣控制回路、汽包水位控制回路、減溫水控制回路、引風控制回路、送風控制回路均實現全自動優化運行。

圖4  BCS系統配置圖

2.4.2 優化燃燒控制系統

燃氣鍋爐優化燃燒控制技術可通過BCS優化算法模塊和優化燃燒控制系統模塊設計實現，采用先進的智能軟伺服系統接口技術，最佳空燃比可通過空燃比優化控制器實現。

尋找最佳空燃比的技術實現方法是運用空燃比優化控制器先試著小幅度改變空燃比，再根據燃氣鍋爐運行情況判定燃燒效果是否改進，直至最佳。如果改變后效果較差，則試著反方向改變空燃比并重復上面步驟，直至最佳。

2.4.3 汽包水位控制回路

給水控制回路采用串級控制方式，主調節為汽包液位調節汽水偏差，副調節為汽水偏差調節給水閥門開度。通過汽包液位設定器設定需要控制的汽包液位，根據實際汽包液位和汽包液位設定值的偏差，通過汽包液位調節器，輸出汽水偏差補償值；汽水偏差調節器的設定值由汽包液位調節器的輸出和燃燒因素前饋補償器的輸出兩部份組成，汽水偏差調節器根據由汽水偏差計算器計算出的實際汽水偏差與汽水偏差的設定值的偏差，調整主給水和旁路給水的閥門開度。

2.4.4主汽溫度控制回路

主汽溫度控制回路是主汽溫度的設定值通過主汽溫度設定器設定，主汽溫度調節器根據主汽溫度測量儀表得到的實際主汽溫度值與主汽溫度設定值之間的偏差，與根據氣溫智能控制補償的輸出共同調整減溫水閥門的開度。

擾動觀測模型，是根據主汽溫度的變化趨勢提前改變減溫水，提高主汽溫度的穩定性和控制精度。高過溫度前饋算法，則由于燃氣鍋爐燃燒運行強度的變化，煙溫會隨之變化，進而影響主汽溫度，所以采用煙氣溫度的變化對于減溫水進行提前動作。

2.4.5爐膛壓力控制回路

爐膛壓力設定值通過爐膛壓力設定器設定，爐膛壓力調節器根據爐膛壓力測量儀表得到的實際爐膛壓力值與爐膛壓力設定值之間的偏差，與煤氣風量前饋調節器的輸出共同調整引風機的開度。

爐膛壓力控制重點是要對負壓測量處理，即對于多負壓測量的現場經過處理進入算法，處理成可用的測量值，同時對于壞掉的測量值進行剔除。在負壓調節回路上增加一前饋調節器用于改善調節品質，前饋調節解決的是當進爐煤氣、空氣發生量變化時提前給引風擋板一個改變量，以保證爐膛負壓的穩定。

2.4.6送風控制回路

基本風量獲取模型需要根據實時的送風機電流計算總送風量，為控制切換風量的基本目標值的獲取做好準備。

風量優化模型是出于燃氣質量的頻繁波動以及燃燒效果的影響，造成在該點與等量燃氣相對應的空氣量的不固定性，它應根據燃氣熱值等變化而變化，最終目標是讓所配風量能讓進爐燃氣完全燃燒，當燃燒最完全時，會造成鍋爐負荷有所上升，負荷控制回路就會相應降低燃氣量控制點，這樣就完成了又一次的優化節能。

動態風煤比指的是煤氣與空氣之間的關聯關系，每次優化結束后該值是變化的。氧含量修正模塊主要是根據負荷獲得氧含量的目標值（該目標值是動態變化的），用實際測量值和目標值進行比較，獲得需要增加或減少風量的增量。

2.4.7負荷控制回路

煤氣量調節器根據煤氣量設定器與煤氣量測量儀表測得的實際煤氣量的偏差，調整煤氣閥門開度。其中煤氣量設定器的輸出是由煤氣基本量、主汽壓力調整煤氣量、煤氣總管壓力調整煤氣量的和。主汽壓力調整煤氣量根據主汽壓力設定值與主汽壓力測量值的偏差進行調整；煤氣總管壓力調整煤氣量根據煤氣總管壓力設定值和煤氣總管壓力測量值的偏差進行調整。

負荷控制系統中的主汽壓力擾動觀測模型，通過計算主汽壓力變化趨勢來提前調整燃氣量，以保證負荷的穩定，并提高燃氣閥位調節的快速性。燃氣量優化模型，是為因煤氣種類多、熱值變化大，而提供了一種尋找用更少燃氣量來保證負荷的可能性。高熱值煤氣擾動模型則主要處理不定時不定量的高熱值煤氣對于鍋爐運行的突發性干擾。最后，高氣/焦氣壓力保護根據煤氣壓力控制要求下限調整各層煤氣閥門的開度保證安全燃燒，并在做出是否關閉某層的指令。

2.4.8鍋爐安全運行控制功能

為保障鍋爐安全運行，在BCS系統中增加了遠程在線故障診斷功能，專業技術人員可以從電腦、手機等終端設備查看鍋爐運行狀態，并且在出現問題時可以在線分析、調試鍋爐程序。

圖5  操作（DCS與BCS切換）界面

3  應用效果

運行效果測試采取72小時對72小時共進行2輪的形式進行，即先以DCS手動控制方式測試72小時，并收集運行過程中的生產數據。然后切換到BCS優化控制方式測試72小時，收集運行過程中的生產數據，以上方式進行2輪。運行數據以現場運行人員記錄的生產報表數據為準。經運行測試，機組節能效果顯著，節能率為1.48%。

3.1 第一輪測試期間數據

表 1 測試期間生產報表數據記錄

通過對第一輪測試期間生產報表數據記錄分析，BCS優化控制方式相對DCS手動控制方式節能率為1.52%。

3.2 第二輪測試期間數據

生產數據原始記錄如下：

表 2 測試期間生產報表數據記錄

通過對第二輪測試期間生產報表數據記錄分析，BCS優化控制方式相對DCS手動控制方式節能率為1.43%， BCS優化控制節能效果顯著。

3.3 燃燒優化控制前后對比圖

圖6  第二輪汽包水位對比圖

圖7  第一輪主汽溫度對比圖

BCS優化控制方式相對于DCS人工控制方式鍋爐整體運行工況更加平穩，使得鍋爐熱效率提高，并實現了遠程在線檢測分析。