文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-072-04中圖分類(lèi)號：TP273

★ 軒福杰，史春方，侯偉軍，劉宓（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，山東濟南250100）

摘要：隨著(zhù)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遇。鋼鐵企業(yè)作為社會(huì )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，積極建設節能減排項目，如近年來(lái)出現的大量煤氣發(fā)電機組，就是充分利用鋼鐵廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)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)現了節能減排、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(jiǎn)稱(chēng)BFG）、焦爐煤氣（簡(jiǎn)稱(chēng)COG）和轉爐煤氣（簡(jiǎn)稱(chēng)LDG），用這些可燃氣體進(jìn)行燃燒發(fā)電就需要煤氣鍋爐，燃氣鍋爐與燃煤鍋爐相比最大優(yōu)勢就是升降負荷快、設備少（無(wú)制粉、除渣等設備）、維護方便、操作靈活等，但同樣也有其劣勢，就是存在燃燒不穩定（煤氣不穩定）、操作頻繁、負荷波動(dòng)大等問(wèn)題。結合以上優(yōu)劣勢，文章提出了一種基于和利時(shí)DCS的煤氣鍋爐負荷優(yōu)化及機爐協(xié)調的控制方案，該方案能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢降低其劣勢，并通過(guò)應用驗證取得了一定成果。

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

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

1 煤氣鍋爐優(yōu)點(diǎn)

如上所述，煤氣鍋爐主要以鋼鐵廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中的富余可燃氣體為燃料，這與常規燃煤鍋爐相比有很多的優(yōu)勢，燃氣中粉塵和氮硫含量低，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。燃氣鍋爐粉塵少可以選用較高的熱負荷，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備，也不需要吹灰、除塵、除渣等附屬設備，極大減少了前期建設和后期維護成本。燃氣鍋爐因燃氣的燃燒反應時(shí)間短，使得熱負荷適應性強，負荷調節能力非常靈活，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(lái)鋼廠(chǎng)建立的燃氣鍋爐機組的容量和壓力等級也在不斷提高，以實(shí)現能源深度充分利用，使鋼鐵企業(yè)達到降低生產(chǎn)成本、節能減排及提升企業(yè)綜合效益的目的。

2 煤氣鍋爐負荷常規控制問(wèn)題

煤氣鍋爐發(fā)電機組雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但目前一些鋼廠(chǎng)在建設煤氣鍋爐發(fā)電機組時(shí)，因空間或成本等限制未進(jìn)行儲氣柜的規劃建設，這就導致煤氣因鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程非連續的特點(diǎn)而壓力和流量也是隨之波動(dòng)，在煤氣鍋爐燃燒過(guò)程中會(huì )因此帶來(lái)燃燒不穩定、機組負荷波動(dòng)大、操作頻繁等一系列問(wèn)題，使得燃氣鍋爐效率無(wú)法達到最優(yōu)，且對生產(chǎn)運行穩定性造成很大影響。要解決此問(wèn)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(gè)燃燒器由三個(gè)煤氣調節閥控制，調節閥門(mén)開(kāi)度控制各部分的進(jìn)煤氣量，最終實(shí)現控制鍋爐負荷。

與煤粉爐燃燒器類(lèi)似，每個(gè)燃燒器的進(jìn)氣量的調節需要操作多個(gè)煤氣閥，為盡量減少操作次數，采用邏輯層操集中控制的方式，每次操作層操手操器實(shí)現多個(gè)閥門(mén)同步動(dòng)作。以上是基于純手動(dòng)控制的方式，也有些現場(chǎng)采用了常規簡(jiǎn)單PID控制，參照煤粉爐調節主蒸汽流量或壓力，當出現煤氣壓力較大波動(dòng)時(shí)，會(huì )需要手動(dòng)頻繁操作或者出現PID自動(dòng)無(wú)法快速調節恢復到穩定狀態(tài)，最終導致鍋爐燃燒運行波動(dòng)較大、負荷不穩定、操作人員工作強度大等問(wèn)題，甚至有操作不及時(shí)或誤操作導致停爐的情況。

3 負荷優(yōu)化協(xié)調控制方案

針對以上問(wèn)題，我們以黑龍江某鋼廠(chǎng)新建設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和40MW發(fā)電機組為研究對象，設計了一種負荷優(yōu)化協(xié)調控制方案，下文進(jìn)行詳細介紹。如圖1所示鍋爐燃燒器分為上下兩層，均布置在前墻，上層燃燒器是焦爐煤氣和高爐煤氣共用，下層燃燒器只有高爐煤氣使用。上層燃燒器焦爐煤氣和高爐煤氣各配置三個(gè)流量調節閥，下層高爐煤氣配置三個(gè)流量調節閥。本鍋爐的燃氣以高爐煤氣為主（流量0～150KNm3/h，壓力0～25KPa），焦爐煤氣摻燒（流量0～15KNm3/h，壓力0～10KPa）。

圖1 煤氣鍋爐燃氣閥及燃燒器布置圖

如上文所述，煤氣鍋爐雖然響應負荷變化快，但沒(méi)有穩定的燃氣，導致負荷波動(dòng)頻繁。針對以上問(wèn)題本文采用的負荷控制方案如下，燃煤鍋爐的機組協(xié)調模式常規以鍋爐主控調節主蒸汽壓力、汽機主控調節發(fā)電負荷的協(xié)調控制模式，但煤氣鍋爐發(fā)電機組與之不同，結合煤氣鍋爐的特點(diǎn)，主體思路以鍋爐主控調整機組發(fā)電負荷、以汽機主控調節主蒸汽壓力為主的協(xié)調控制方式運行。利用煤氣鍋爐反應速度快的特點(diǎn)，快速調節因煤氣壓力和流量的波動(dòng)對負荷帶來(lái)的影響，汽機控制運行在定壓或滑壓模式以保證最高運行效率^[2]。

焦爐煤氣調節閥通過(guò)PID控制主要調節焦爐煤氣流量保持穩定流量，以保證機組負荷穩定。

高爐煤氣調節分為上下兩層，兩層均設置了單獨層操手操器，用于調節高爐煤氣流量，但控制方式分為兩種，即流量控制模式和負荷控制模式，控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 負荷優(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(guò)PID調整上下兩層高爐煤氣層操調節實(shí)現流量的調整。此種控制方式主要用于廠(chǎng)內集中調度，在其他地方對高爐煤氣有需求，可以根據調度指令快速調整流量使用量，滿(mǎn)足廠(chǎng)內生產(chǎn)需求。此種模式下焦爐煤氣流量單獨控制，與高爐煤氣調節互不干擾。汽機DEH投入閥控或者壓控，發(fā)電負荷與燃料量隨動(dòng)，以煤氣量廠(chǎng)內統一調度為控制目標。

負荷控制模式，通過(guò)串級PID控制實(shí)現，主調調節發(fā)電負荷，副調調節總燃料量。機組發(fā)電負荷調整不主動(dòng)對焦爐煤氣量進(jìn)行調整，主要通過(guò)調整高爐煤氣流量來(lái)實(shí)現發(fā)電負荷的穩定和升降調整，焦爐煤氣作為燃料量被動(dòng)參與負荷調整。高爐煤氣因壓力波動(dòng)導致的流量波動(dòng)由高爐煤氣流量PID來(lái)進(jìn)行調節，升降負荷時(shí)則由負荷PID輸出的總燃料量目標控制高爐煤氣流量增減實(shí)現。

焦爐煤氣主要以摻燒為主，通過(guò)PID控制保持穩定流量，當焦爐煤氣壓力波動(dòng)較大時(shí)或焦爐煤氣流量目標設定值調整時(shí)，通過(guò)負荷PID的燃料量指令調節高爐煤氣流量來(lái)維持需求的總燃料量，也就是通過(guò)高爐煤氣量的調整來(lái)適應焦煤煤氣的流量變化。其中負荷PID的計算輸出的總燃料指令為高爐煤氣流量指令與折算后焦爐煤氣流量的和（折算主要以高爐煤氣熱值為基礎，計算焦爐煤氣熱值除以高爐煤氣熱值比，通過(guò)熱值折算將焦爐煤氣流量換算為高爐煤氣流量），負荷不變情況下，當折算后焦爐煤氣流量波動(dòng)，就會(huì )間接體現為高爐煤氣流量的指令的變化，然后通過(guò)調節高爐流量實(shí)現總燃料量穩定。在負荷模式下，汽機DEH運行方式為壓控方式，維持機前主蒸汽壓力在額定壓力，保持機組的高效率運行^[3]。

當然簡(jiǎn)單的串級PID還是無(wú)法滿(mǎn)足目前這種煤氣波動(dòng)大的問(wèn)題，例如5分鐘煤氣壓力波動(dòng)達到15KPa，對煤氣流量影響大于10KNm3/h的情況。通過(guò)對多個(gè)現場(chǎng)的研究總結和測試，我們在結合傳統PID控制基礎上采用了許多優(yōu)化手段，如采用了專(zhuān)家PID及相關(guān)參數根據工況進(jìn)行改變，同時(shí)引入煤氣壓力和汽包壓力的微分前饋提前調節，最關(guān)鍵的是采用和利時(shí)DCS的自定義功能塊功能，設計了煤耗統計分析優(yōu)化功能塊，可以根據參數設定統計一段時(shí)間內的平均負荷煤耗值，并經(jīng)過(guò)汽包壓力、氧量等參數進(jìn)行優(yōu)化煤耗，通過(guò)優(yōu)化后煤耗值和當前負荷需求值得乘積作為負荷PID調節的基礎，避免負荷PID因為工況波動(dòng)大輸出過(guò)調的燃料指令，可以實(shí)現大范圍調整負荷的工況下快速準確調整燃料量目標值的目的，調整過(guò)程快速而平穩。另外煤氣鍋爐與常規煤粉爐不同的地方就是風(fēng)系統，因燃料是煤氣，一旦煤氣量變化對爐膛負壓和送風(fēng)量都會(huì )產(chǎn)生影響，這就需要將高爐煤氣和焦爐的體積流量作為前饋控制引入到引風(fēng)負壓調節PID的回路中，高爐和焦爐折算后的流量作為送風(fēng)氧量引入到調節PID回路的前饋中，這樣才能降低煤氣壓力和流量波動(dòng)對燃燒系統產(chǎn)生的影響。

4  優(yōu)化協(xié)調控制應用效果

經(jīng)過(guò)多次的調試和運行測試，上述的負荷優(yōu)化控制方案在項目現場(chǎng)得到了成功的應用，并取得了一定的效果，大幅度地提高了煤氣鍋爐的運行穩定性，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(dòng)操作對比趨勢如圖3、4所示。

對手、自動(dòng)操作的歷史數據采用標準偏差計算的方式進(jìn)行統計分析，我們發(fā)現發(fā)電負荷手動(dòng)控制時(shí)波動(dòng)標準偏差是0.42，采用本文優(yōu)化控制方案后波動(dòng)標準偏差是0.31，波動(dòng)幅度下降26%，主蒸汽溫度波動(dòng)幅度下降68%，發(fā)電平均煤耗下降達到0.7%。

圖3 煤氣鍋爐負荷手動(dòng)控制趨勢圖（綠色）

圖4 煤氣鍋爐負荷優(yōu)化自動(dòng)控制趨勢圖（綠色）

5 結束語(yǔ)

本文所述的煤氣鍋爐負荷優(yōu)化控制方案在現場(chǎng)應用中雖然取得了一定的效果，得到了用戶(hù)的認可，但仍有可調整優(yōu)化空間，例如負荷模式下對焦爐煤氣的被動(dòng)調整是否可以改為主動(dòng)方式等方面。筆者希望該方案能在后續的方案研究應用中得到進(jìn)一步提升，并能為其他煤氣鍋爐發(fā)電機組的控制應用提供一些參考。

作者簡(jiǎn)介：

軒福杰（1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化與燃燒優(yōu)化。

史春方（1986-），男，吉林長(cháng)春人，中級工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)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，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化與燃燒優(yōu)化。

劉  宓（1986-），女，河南洛陽(yáng)人，初級工程師，碩士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化與技術(shù)管理。

參考文獻：

[1] 祝百東, 王艷紅. 鋼鐵廠(chǎng)煤氣及蒸汽發(fā)電技術(shù)的應用[J]. 冶金動(dòng)力, 2013 (4). 42 - 44.

[2] 白志剛. 自動(dòng)調節系統解析與PID整定[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年3月刊