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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-072-04中圖分類號：TP273

★ 軒福杰，史春方，侯偉軍，劉宓（杭州和利時自動化有限公司，山東濟(jì)南250100）

摘要：隨著國家新發(fā)展理念的提出，創(chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展已成為目前各企業(yè)發(fā)展的重要方向和重要機(jī)遇。鋼鐵企業(yè)作為社會支柱企業(yè)之一，是能源消耗重點(diǎn)企業(yè)，近些年也一直不斷地在提升效率，積極建設(shè)節(jié)能減排項(xiàng)目，如近年來出現(xiàn)的大量煤氣發(fā)電機(jī)組，就是充分利用鋼鐵廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量的副產(chǎn)的氣體燃料進(jìn)行燃燒發(fā)電，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、能源高效綜合利用，而且對鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本降低、能源轉(zhuǎn)換也具有非常重要的意義。鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)的氣體主要包括高爐煤氣（簡稱BFG）、焦?fàn)t煤氣（簡稱COG）和轉(zhuǎn)爐煤氣（簡稱LDG），用這些可燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒發(fā)電就需要煤氣鍋爐，燃?xì)忮仩t與燃煤鍋爐相比最大優(yōu)勢就是升降負(fù)荷快、設(shè)備少（無制粉、除渣等設(shè)備）、維護(hù)方便、操作靈活等，但同樣也有其劣勢，就是存在燃燒不穩(wěn)定（煤氣不穩(wěn)定）、操作頻繁、負(fù)荷波動大等問題。結(jié)合以上優(yōu)劣勢，文章提出了一種基于和利時DCS的煤氣鍋爐負(fù)荷優(yōu)化及機(jī)爐協(xié)調(diào)的控制方案，該方案能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢降低其劣勢，并通過應(yīng)用驗(yàn)證取得了一定成果。

關(guān)鍵詞：煤氣鍋爐；機(jī)爐協(xié)調(diào)；和利時DCS；優(yōu)化控制

本文主要以鋼鐵企業(yè)中煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷控制為研究對象，針對煤氣鍋爐在燃燒過程中因煤氣的壓力及流量波動大導(dǎo)致的鍋爐燃燒不穩(wěn)定、機(jī)組負(fù)荷波動頻繁、操作人員勞動強(qiáng)度大、煤氣利用率降低等問題進(jìn)行了分析研究，提出了一種基于和利時DCS的煤氣鍋爐負(fù)荷優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案，并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該方案可以大幅度地提高煤氣鍋爐燃燒及負(fù)荷穩(wěn)定性，提升了每方煤氣發(fā)電率，同時大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。

1 煤氣鍋爐優(yōu)點(diǎn)

如上所述，煤氣鍋爐主要以鋼鐵廠在生產(chǎn)過程中的富余可燃?xì)怏w為燃料，這與常規(guī)燃煤鍋爐相比有很多的優(yōu)勢，燃?xì)庵蟹蹓m和氮硫含量低，不但減少了煙氣中污染環(huán)境的成分，對爐膛、流管束的腐蝕和對傳熱效率的影響也大幅度降低，從而提高了鍋爐整體熱效率。燃?xì)忮仩t粉塵少可以選用較高的熱負(fù)荷，從而可以縮小爐膛的體積，并且燃料不需用額外的存儲加工設(shè)備，也不需要吹灰、除塵、除渣等附屬設(shè)備，極大減少了前期建設(shè)和后期維護(hù)成本。燃?xì)忮仩t因燃?xì)獾娜紵磻?yīng)時間短，使得熱負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力非常靈活，也是其相對燃煤鍋爐最大的優(yōu)點(diǎn)^[1]?；谝陨系倪@些優(yōu)點(diǎn)，近些年來鋼廠建立的燃?xì)忮仩t機(jī)組的容量和壓力等級也在不斷提高，以實(shí)現(xiàn)能源深度充分利用，使鋼鐵企業(yè)達(dá)到降低生產(chǎn)成本、節(jié)能減排及提升企業(yè)綜合效益的目的。

2 煤氣鍋爐負(fù)荷常規(guī)控制問題

煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但目前一些鋼廠在建設(shè)煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組時，因空間或成本等限制未進(jìn)行儲氣柜的規(guī)劃建設(shè)，這就導(dǎo)致煤氣因鋼鐵生產(chǎn)過程非連續(xù)的特點(diǎn)而壓力和流量也是隨之波動，在煤氣鍋爐燃燒過程中會因此帶來燃燒不穩(wěn)定、機(jī)組負(fù)荷波動大、操作頻繁等一系列問題，使得燃?xì)忮仩t效率無法達(dá)到最優(yōu)，且對生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性造成很大影響。要解決此問題就需要了解煤氣鍋爐的燃燒特點(diǎn)，煤氣鍋爐的燃燒器多為分層布置，單面爐墻布置或前后爐墻對沖布置的較多，每個燃燒器由三個煤氣調(diào)節(jié)閥控制，調(diào)節(jié)閥門開度控制各部分的進(jìn)煤氣量，最終實(shí)現(xiàn)控制鍋爐負(fù)荷。

與煤粉爐燃燒器類似，每個燃燒器的進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)需要操作多個煤氣閥，為盡量減少操作次數(shù)，采用邏輯層操集中控制的方式，每次操作層操手操器實(shí)現(xiàn)多個閥門同步動作。以上是基于純手動控制的方式，也有些現(xiàn)場采用了常規(guī)簡單PID控制，參照煤粉爐調(diào)節(jié)主蒸汽流量或壓力，當(dāng)出現(xiàn)煤氣壓力較大波動時，會需要手動頻繁操作或者出現(xiàn)PID自動無法快速調(diào)節(jié)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終導(dǎo)致鍋爐燃燒運(yùn)行波動較大、負(fù)荷不穩(wěn)定、操作人員工作強(qiáng)度大等問題，甚至有操作不及時或誤操作導(dǎo)致停爐的情況。

3 負(fù)荷優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案

針對以上問題，我們以黑龍江某鋼廠新建設(shè)145t/h超高溫超高壓煤氣鍋爐（13.7MPa/571℃）配置40MW中間一次再熱凝汽式汽輪機(jī)和40MW發(fā)電機(jī)組為研究對象，設(shè)計了一種負(fù)荷優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案，下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。如圖1所示鍋爐燃燒器分為上下兩層，均布置在前墻，上層燃燒器是焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣共用，下層燃燒器只有高爐煤氣使用。上層燃燒器焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣各配置三個流量調(diào)節(jié)閥，下層高爐煤氣配置三個流量調(diào)節(jié)閥。本鍋爐的燃?xì)庖愿郀t煤氣為主（流量0～150KNm3/h，壓力0～25KPa），焦?fàn)t煤氣摻燒（流量0～15KNm3/h，壓力0～10KPa）。

圖1 煤氣鍋爐燃?xì)忾y及燃燒器布置圖

如上文所述，煤氣鍋爐雖然響應(yīng)負(fù)荷變化快，但沒有穩(wěn)定的燃?xì)猓瑢?dǎo)致負(fù)荷波動頻繁。針對以上問題本文采用的負(fù)荷控制方案如下，燃煤鍋爐的機(jī)組協(xié)調(diào)模式常規(guī)以鍋爐主控調(diào)節(jié)主蒸汽壓力、汽機(jī)主控調(diào)節(jié)發(fā)電負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制模式，但煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組與之不同，結(jié)合煤氣鍋爐的特點(diǎn)，主體思路以鍋爐主控調(diào)整機(jī)組發(fā)電負(fù)荷、以汽機(jī)主控調(diào)節(jié)主蒸汽壓力為主的協(xié)調(diào)控制方式運(yùn)行。利用煤氣鍋爐反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，快速調(diào)節(jié)因煤氣壓力和流量的波動對負(fù)荷帶來的影響，汽機(jī)控制運(yùn)行在定壓或滑壓模式以保證最高運(yùn)行效率^[2]。

焦?fàn)t煤氣調(diào)節(jié)閥通過PID控制主要調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣流量保持穩(wěn)定流量，以保證機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定。

高爐煤氣調(diào)節(jié)分為上下兩層，兩層均設(shè)置了單獨(dú)層操手操器，用于調(diào)節(jié)高爐煤氣流量，但控制方式分為兩種，即流量控制模式和負(fù)荷控制模式，控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 負(fù)荷優(yōu)化控制邏輯框圖

流量控制模式，以控制高爐煤氣流量為主，通過PID調(diào)整上下兩層高爐煤氣層操調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)整。此種控制方式主要用于廠內(nèi)集中調(diào)度，在其他地方對高爐煤氣有需求，可以根據(jù)調(diào)度指令快速調(diào)整流量使用量，滿足廠內(nèi)生產(chǎn)需求。此種模式下焦?fàn)t煤氣流量單獨(dú)控制，與高爐煤氣調(diào)節(jié)互不干擾。汽機(jī)DEH投入閥控或者壓控，發(fā)電負(fù)荷與燃料量隨動，以煤氣量廠內(nèi)統(tǒng)一調(diào)度為控制目標(biāo)。

負(fù)荷控制模式，通過串級PID控制實(shí)現(xiàn)，主調(diào)調(diào)節(jié)發(fā)電負(fù)荷，副調(diào)調(diào)節(jié)總?cè)剂狭?。機(jī)組發(fā)電負(fù)荷調(diào)整不主動對焦?fàn)t煤氣量進(jìn)行調(diào)整，主要通過調(diào)整高爐煤氣流量來實(shí)現(xiàn)發(fā)電負(fù)荷的穩(wěn)定和升降調(diào)整，焦?fàn)t煤氣作為燃料量被動參與負(fù)荷調(diào)整。高爐煤氣因壓力波動導(dǎo)致的流量波動由高爐煤氣流量PID來進(jìn)行調(diào)節(jié)，升降負(fù)荷時則由負(fù)荷PID輸出的總?cè)剂狭磕繕?biāo)控制高爐煤氣流量增減實(shí)現(xiàn)。

焦?fàn)t煤氣主要以摻燒為主，通過PID控制保持穩(wěn)定流量，當(dāng)焦?fàn)t煤氣壓力波動較大時或焦?fàn)t煤氣流量目標(biāo)設(shè)定值調(diào)整時，通過負(fù)荷PID的燃料量指令調(diào)節(jié)高爐煤氣流量來維持需求的總?cè)剂狭?，也就是通過高爐煤氣量的調(diào)整來適應(yīng)焦煤煤氣的流量變化。其中負(fù)荷PID的計算輸出的總?cè)剂现噶顬楦郀t煤氣流量指令與折算后焦?fàn)t煤氣流量的和（折算主要以高爐煤氣熱值為基礎(chǔ)，計算焦?fàn)t煤氣熱值除以高爐煤氣熱值比，通過熱值折算將焦?fàn)t煤氣流量換算為高爐煤氣流量），負(fù)荷不變情況下，當(dāng)折算后焦?fàn)t煤氣流量波動，就會間接體現(xiàn)為高爐煤氣流量的指令的變化，然后通過調(diào)節(jié)高爐流量實(shí)現(xiàn)總?cè)剂狭糠€(wěn)定。在負(fù)荷模式下，汽機(jī)DEH運(yùn)行方式為壓控方式，維持機(jī)前主蒸汽壓力在額定壓力，保持機(jī)組的高效率運(yùn)行^[3]。

當(dāng)然簡單的串級PID還是無法滿足目前這種煤氣波動大的問題，例如5分鐘煤氣壓力波動達(dá)到15KPa，對煤氣流量影響大于10KNm3/h的情況。通過對多個現(xiàn)場的研究總結(jié)和測試，我們在結(jié)合傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上采用了許多優(yōu)化手段，如采用了專家PID及相關(guān)參數(shù)根據(jù)工況進(jìn)行改變，同時引入煤氣壓力和汽包壓力的微分前饋提前調(diào)節(jié)，最關(guān)鍵的是采用和利時DCS的自定義功能塊功能，設(shè)計了煤耗統(tǒng)計分析優(yōu)化功能塊，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)定統(tǒng)計一段時間內(nèi)的平均負(fù)荷煤耗值，并經(jīng)過汽包壓力、氧量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化煤耗，通過優(yōu)化后煤耗值和當(dāng)前負(fù)荷需求值得乘積作為負(fù)荷PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，避免負(fù)荷PID因?yàn)楣r波動大輸出過調(diào)的燃料指令，可以實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)整負(fù)荷的工況下快速準(zhǔn)確調(diào)整燃料量目標(biāo)值的目的，調(diào)整過程快速而平穩(wěn)。另外煤氣鍋爐與常規(guī)煤粉爐不同的地方就是風(fēng)系統(tǒng)，因燃料是煤氣，一旦煤氣量變化對爐膛負(fù)壓和送風(fēng)量都會產(chǎn)生影響，這就需要將高爐煤氣和焦?fàn)t的體積流量作為前饋控制引入到引風(fēng)負(fù)壓調(diào)節(jié)PID的回路中，高爐和焦?fàn)t折算后的流量作為送風(fēng)氧量引入到調(diào)節(jié)PID回路的前饋中，這樣才能降低煤氣壓力和流量波動對燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

4  優(yōu)化協(xié)調(diào)控制應(yīng)用效果

經(jīng)過多次的調(diào)試和運(yùn)行測試，上述的負(fù)荷優(yōu)化控制方案在項(xiàng)目現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用，并取得了一定的效果，大幅度地提高了煤氣鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性，不僅降低了操作人員的操作頻率，也提升了煤氣發(fā)電效率。手、自動操作對比趨勢如圖3、4所示。

對手、自動操作的歷史數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)偏差計算的方式進(jìn)行統(tǒng)計分析，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)電負(fù)荷手動控制時波動標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.42，采用本文優(yōu)化控制方案后波動標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.31，波動幅度下降26%，主蒸汽溫度波動幅度下降68%，發(fā)電平均煤耗下降達(dá)到0.7%。

圖3 煤氣鍋爐負(fù)荷手動控制趨勢圖（綠色）

圖4 煤氣鍋爐負(fù)荷優(yōu)化自動控制趨勢圖（綠色）

5 結(jié)束語

本文所述的煤氣鍋爐負(fù)荷優(yōu)化控制方案在現(xiàn)場應(yīng)用中雖然取得了一定的效果，得到了用戶的認(rèn)可，但仍有可調(diào)整優(yōu)化空間，例如負(fù)荷模式下對焦?fàn)t煤氣的被動調(diào)整是否可以改為主動方式等方面。筆者希望該方案能在后續(xù)的方案研究應(yīng)用中得到進(jìn)一步提升，并能為其他煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組的控制應(yīng)用提供一些參考。

作者簡介：

軒福杰（1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過程自動化與燃燒優(yōu)化。

史春方（1986-），男，吉林長春人，中級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過程自動化與燃燒優(yōu)化。

侯偉軍（1981-），男，河北石家莊人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過程自動化與燃燒優(yōu)化。

劉  宓（1986-），女，河南洛陽人，初級工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過程自動化與技術(shù)管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝百東, 王艷紅. 鋼鐵廠煤氣及蒸汽發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用[J]. 冶金動力, 2013 (4). 42 - 44.

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[3] 文群英. 熱工自動控制系統(tǒng) (第三版 ) [M]. 北京: 中國電力出版社, 2019.

摘自《自動化博覽》2023年3月刊