刁呈振

（河鋼宣鋼設(shè)備能源）

摘要：本文以河鋼宣鋼8#180t/h燃?xì)忮仩t為例，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)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(dǎo)致鍋爐在現(xiàn)有手動操作模式下各主要運(yùn)行參數(shù)控制不平穩(wěn)，無法遠(yuǎn)程在線分析。

新技術(shù)的應(yīng)用立足于現(xiàn)有的測控儀表，增加1套BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)及其相關(guān)配套裝置，在OPC橋梁功能的支持下，使優(yōu)化系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)無縫整合到一起。采用先進(jìn)的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的BCS控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)8#180t/h燃?xì)忮仩t的全自動控制及遠(yuǎn)程在線分析，使鍋爐運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：全燃?xì)忮仩t；自動燃燒：遠(yuǎn)程在線分析

1  河鋼宣鋼8#鍋爐原狀況

1.1鍋爐參數(shù)

8#燃?xì)忮仩t采用四層四角噴燃，燃料使用高爐煤氣(高爐煤氣進(jìn)鍋爐前混入部分轉(zhuǎn)爐煤氣)，同時(shí)還摻燒焦?fàn)t煤氣。1-4層燃用高爐煤氣，1-2層燃用焦?fàn)t煤氣，每層的高爐煤氣、配風(fēng)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)有同操調(diào)節(jié)功能，焦?fàn)t煤氣調(diào)節(jié)閥只能單個(gè)調(diào)節(jié)。鍋爐額定主蒸汽負(fù)荷180t/h,額定主蒸汽溫度440℃ ,額定主蒸汽壓力3.43MPa。煤氣調(diào)整方式按照優(yōu)先級采用以下幾種方式混合調(diào)整:按主汽壓力調(diào)整、按調(diào)度指令調(diào)整、按煤氣總管壓力調(diào)整。鍋爐運(yùn)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(fù)壓波動范圍-300～-90Pa，汽包水位波動范圍-90～70mm。

控制系統(tǒng)采用ABB AC800F (V9. 1)系統(tǒng)，支持OPC通訊，原 DCS組態(tài)設(shè)計(jì)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(chǎn)穩(wěn)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(dǎo)致鍋爐在現(xiàn)有手動操作模式下各主要運(yùn)行參數(shù)控制不平穩(wěn)，從而降低了鍋爐和汽機(jī)效率，造成能源消耗增高。

1.2原有控制技術(shù)缺點(diǎn)

1.2.1水位的控制采用傳統(tǒng)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(jì)量偏差很大。

1.2.3爐膛壓力控制兩臺風(fēng)機(jī)分開控制，需要手動干預(yù)，技術(shù)難度大。

1.2.4未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測分析

圖1  改造前主汽壓力變化趨勢圖

2  自動燃燒及遠(yuǎn)程在線分析改造的技術(shù)思路

基于BCS優(yōu)化控制節(jié)能技術(shù)，立足于現(xiàn)有的測控儀表，通過BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)對燃?xì)忮仩t燃燒優(yōu)化控制，通過優(yōu)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(fēng)控制回路、空燃比優(yōu)化控制等手段，使燃?xì)忮仩t實(shí)現(xiàn)自動控制，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足燃?xì)忮仩t的運(yùn)行指標(biāo)，并通過優(yōu)化空燃比，使得煤氣既可以充分燃燒，又不至于風(fēng)量過大，減小排煙損失，實(shí)現(xiàn)鍋爐的節(jié)能降耗。

2.1 BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)技術(shù)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(jìn)的軟測量技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)與大系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)、安全控制技術(shù)、先進(jìn)的軟件接口技術(shù)及科學(xué)的運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘、處理與統(tǒng)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)燃燒裝置及多燃燒裝置系統(tǒng)的全自動協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，從而達(dá)到其安全運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的所有目標(biāo)。下圖為BCS技術(shù)與各種燃燒裝置的關(guān)系圖。

圖2  BCS技術(shù)與燃燒裝置的關(guān)系圖

實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒的目標(biāo)有兩個(gè)，在一定的負(fù)荷下尋找更少量的煤氣用量，針對當(dāng)前的煤氣量尋找最合適的空氣量來提高燃燒效率已進(jìn)一步降低煤氣消耗。

2.2燃燒現(xiàn)象與燃燒效率模型

各種燃燒一般都伴隨著熱量的產(chǎn)生，甚至包括化學(xué)燃燒。燃燒是物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化過程，燃燒效率的高低代表著物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化程度的高低，或者說它直接體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的高低。

從各種燃燒裝置的實(shí)際運(yùn)行都不難知道，其燃燒效率與空氣量的關(guān)系可用下圖燃燒效率曲線表達(dá):

圖3  燃燒效率曲線

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

η=f (k)

2.3 BCS技術(shù)的理論根據(jù)

BCS技術(shù)立足于各種燃燒裝置現(xiàn)有的工藝、設(shè)備、操作條件下，通過實(shí)施優(yōu)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(shù)。

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(xiàng)損失最小，而Q2、Q3兩項(xiàng)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(guān)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(shí)施燃燒優(yōu)化提高燃燒效率，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線分析。

2.4技術(shù)方案

2.4.1 基于8#180t/h燃?xì)忮仩t現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)狀、現(xiàn)場儀表和自動裝置等設(shè)備設(shè)施，在現(xiàn)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(yōu)化控制系統(tǒng)及其相關(guān)配套裝置，在OPC橋梁功能的支持下，使優(yōu)化系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)無縫整合到一起。采用先進(jìn)的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的BCS控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)8#180t/h燃?xì)忮仩t的全自動優(yōu)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(fēng)控制回路、送風(fēng)控制回路均實(shí)現(xiàn)全自動優(yōu)化運(yùn)行。

圖4  BCS系統(tǒng)配置圖

2.4.2 優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)

燃?xì)忮仩t優(yōu)化燃燒控制技術(shù)可通過BCS優(yōu)化算法模塊和優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，采用先進(jìn)的智能軟伺服系統(tǒng)接口技術(shù)，最佳空燃比可通過空燃比優(yōu)化控制器實(shí)現(xiàn)。

尋找最佳空燃比的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法是運(yùn)用空燃比優(yōu)化控制器先試著小幅度改變空燃比，再根據(jù)燃?xì)忮仩t運(yùn)行情況判定燃燒效果是否改進(jìn)，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(fù)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(diào)節(jié)為汽包液位調(diào)節(jié)汽水偏差，副調(diào)節(jié)為汽水偏差調(diào)節(jié)給水閥門開度。通過汽包液位設(shè)定器設(shè)定需要控制的汽包液位，根據(jù)實(shí)際汽包液位和汽包液位設(shè)定值的偏差，通過汽包液位調(diào)節(jié)器，輸出汽水偏差補(bǔ)償值；汽水偏差調(diào)節(jié)器的設(shè)定值由汽包液位調(diào)節(jié)器的輸出和燃燒因素前饋補(bǔ)償器的輸出兩部份組成，汽水偏差調(diào)節(jié)器根據(jù)由汽水偏差計(jì)算器計(jì)算出的實(shí)際汽水偏差與汽水偏差的設(shè)定值的偏差，調(diào)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(shè)定值通過主汽溫度設(shè)定器設(shè)定，主汽溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)主汽溫度測量儀表得到的實(shí)際主汽溫度值與主汽溫度設(shè)定值之間的偏差，與根據(jù)氣溫智能控制補(bǔ)償?shù)妮敵龉餐{(diào)整減溫水閥門的開度。

擾動觀測模型，是根據(jù)主汽溫度的變化趨勢提前改變減溫水，提高主汽溫度的穩(wěn)定性和控制精度。高過溫度前饋算法，則由于燃?xì)忮仩t燃燒運(yùn)行強(qiáng)度的變化，煙溫會隨之變化，進(jìn)而影響主汽溫度，所以采用煙氣溫度的變化對于減溫水進(jìn)行提前動作。

2.4.5爐膛壓力控制回路

爐膛壓力設(shè)定值通過爐膛壓力設(shè)定器設(shè)定，爐膛壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)爐膛壓力測量儀表得到的實(shí)際爐膛壓力值與爐膛壓力設(shè)定值之間的偏差，與煤氣風(fēng)量前饋調(diào)節(jié)器的輸出共同調(diào)整引風(fēng)機(jī)的開度。

爐膛壓力控制重點(diǎn)是要對負(fù)壓測量處理，即對于多負(fù)壓測量的現(xiàn)場經(jīng)過處理進(jìn)入算法，處理成可用的測量值，同時(shí)對于壞掉的測量值進(jìn)行剔除。在負(fù)壓調(diào)節(jié)回路上增加一前饋調(diào)節(jié)器用于改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，前饋調(diào)節(jié)解決的是當(dāng)進(jìn)爐煤氣、空氣發(fā)生量變化時(shí)提前給引風(fēng)擋板一個(gè)改變量，以保證爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。

2.4.6送風(fēng)控制回路

基本風(fēng)量獲取模型需要根據(jù)實(shí)時(shí)的送風(fēng)機(jī)電流計(jì)算總送風(fēng)量，為控制切換風(fēng)量的基本目標(biāo)值的獲取做好準(zhǔn)備。

風(fēng)量優(yōu)化模型是出于燃?xì)赓|(zhì)量的頻繁波動以及燃燒效果的影響，造成在該點(diǎn)與等量燃?xì)庀鄬?yīng)的空氣量的不固定性，它應(yīng)根據(jù)燃?xì)鉄嶂档茸兓兓罱K目標(biāo)是讓所配風(fēng)量能讓進(jìn)爐燃?xì)馔耆紵?dāng)燃燒最完全時(shí)，會造成鍋爐負(fù)荷有所上升，負(fù)荷控制回路就會相應(yīng)降低燃?xì)饬靠刂泣c(diǎn)，這樣就完成了又一次的優(yōu)化節(jié)能。

動態(tài)風(fēng)煤比指的是煤氣與空氣之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，每次優(yōu)化結(jié)束后該值是變化的。氧含量修正模塊主要是根據(jù)負(fù)荷獲得氧含量的目標(biāo)值（該目標(biāo)值是動態(tài)變化的），用實(shí)際測量值和目標(biāo)值進(jìn)行比較，獲得需要增加或減少風(fēng)量的增量。

2.4.7負(fù)荷控制回路

煤氣量調(diào)節(jié)器根據(jù)煤氣量設(shè)定器與煤氣量測量儀表測得的實(shí)際煤氣量的偏差，調(diào)整煤氣閥門開度。其中煤氣量設(shè)定器的輸出是由煤氣基本量、主汽壓力調(diào)整煤氣量、煤氣總管壓力調(diào)整煤氣量的和。主汽壓力調(diào)整煤氣量根據(jù)主汽壓力設(shè)定值與主汽壓力測量值的偏差進(jìn)行調(diào)整；煤氣總管壓力調(diào)整煤氣量根據(jù)煤氣總管壓力設(shè)定值和煤氣總管壓力測量值的偏差進(jìn)行調(diào)整。

負(fù)荷控制系統(tǒng)中的主汽壓力擾動觀測模型，通過計(jì)算主汽壓力變化趨勢來提前調(diào)整燃?xì)饬浚员ＷC負(fù)荷的穩(wěn)定，并提高燃?xì)忾y位調(diào)節(jié)的快速性。燃?xì)饬績?yōu)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?xì)饬縼肀ＷC負(fù)荷的可能性。高熱值煤氣擾動模型則主要處理不定時(shí)不定量的高熱值煤氣對于鍋爐運(yùn)行的突發(fā)性干擾。最后，高氣/焦氣壓力保護(hù)根據(jù)煤氣壓力控制要求下限調(diào)整各層煤氣閥門的開度保證安全燃燒，并在做出是否關(guān)閉某層的指令。

2.4.8鍋爐安全運(yùn)行控制功能

為保障鍋爐安全運(yùn)行，在BCS系統(tǒng)中增加了遠(yuǎn)程在線故障診斷功能，專業(yè)技術(shù)人員可以從電腦、手機(jī)等終端設(shè)備查看鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，并且在出現(xiàn)問題時(shí)可以在線分析、調(diào)試鍋爐程序。

圖5  操作（DCS與BCS切換）界面

3  應(yīng)用效果

運(yùn)行效果測試采取72小時(shí)對72小時(shí)共進(jìn)行2輪的形式進(jìn)行，即先以DCS手動控制方式測試72小時(shí)，并收集運(yùn)行過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。然后切換到BCS優(yōu)化控制方式測試72小時(shí)，收集運(yùn)行過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以上方式進(jìn)行2輪。運(yùn)行數(shù)據(jù)以現(xiàn)場運(yùn)行人員記錄的生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。經(jīng)運(yùn)行測試，機(jī)組節(jié)能效果顯著，節(jié)能率為1.48%。

3.1 第一輪測試期間數(shù)據(jù)

表 1 測試期間生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)記錄

通過對第一輪測試期間生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)記錄分析，BCS優(yōu)化控制方式相對DCS手動控制方式節(jié)能率為1.52%。

3.2 第二輪測試期間數(shù)據(jù)

生產(chǎn)數(shù)據(jù)原始記錄如下：

表 2 測試期間生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)記錄

通過對第二輪測試期間生產(chǎn)報(bào)表數(shù)據(jù)記錄分析，BCS優(yōu)化控制方式相對DCS手動控制方式節(jié)能率為1.43%， BCS優(yōu)化控制節(jié)能效果顯著。

3.3 燃燒優(yōu)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(yōu)化控制方式相對于DCS人工控制方式鍋爐整體運(yùn)行工況更加平穩(wěn)，使得鍋爐熱效率提高，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線檢測分析。