鍋爐低負荷節能運行研究與應用

鄭磊 楊馥寧(中原油田普光分公司天然氣凈化廠，四川 達州 636156)

0 引言

鍋爐是提供熱能動力的重要設備，被廣大化工生產企業使用。但在實際生產中，特別是裝置內自產蒸汽可以滿足正常需求的情況下，動力站鍋爐負荷會持續下降。考慮到裝置批處理、汽驅機組啟停等因素，為保證蒸汽管網壓力，經常需要至少一臺鍋爐保持低負荷運行。

某動力站共有三臺75t/h中壓蒸汽鍋爐，其中A爐為燃油燃氣蒸汽鍋爐，B/C為燃氣鍋爐。三臺鍋爐向聯合裝置提供3.82MPa、410℃中壓蒸汽。

1 現狀

201 3 年動力站鍋爐低負荷運行工況下，鍋爐單位蒸汽平均耗氣量116.7方燃料氣/噸蒸汽，始終高于廠達標值110方燃料氣/噸蒸汽。2013年6至12月份，動力站鍋爐單位蒸汽耗氣量統計如下圖1所示。

圖1 2013年6-12月動力站鍋爐單位蒸汽耗氣量

2 原因分析

鍋爐燃燒放熱反應式如下:

根據反應式(1)，甲烷與氧氣按照1∶2反應，放出的熱量最多，被尾氣帶走的熱量最少，鍋爐熱效率達到最高。考慮到其他方面的影響，總結了以下5個影響蒸汽單耗的末端因素。

2.1 原料因素

動力站鍋爐用燃料氣為自產凈化氣，氣質指標優于國家二類氣指標，完全滿足商品氣質量要求，氣質穩定。鍋爐水通過除氧器加熱后進入鍋爐，爐水溫度穩定。因此認定為非要因。

2.2 煙氣排煙溫度

煙氣排煙溫度低表明鍋爐排煙損失小，但一般排煙溫度不得低于水的露點溫度，以免腐蝕爐體及煙囪。排煙溫度與鍋爐自身的技術水平和使用過程中的負荷率密切相關[1]，動力站鍋爐負荷受全廠蒸汽管網自產蒸汽量制約，屬于被動調整。排煙溫度受鍋爐負荷影響，因此認定為非要因。

2.3 爐體外表面散熱損失

爐體熱損失與保溫工藝措施和環境溫度相關，爐體表面溫度越接近環境溫度證明爐體散熱損失越小，根據現場調研發現，鍋爐保溫設施良好，環境溫度屬于不可控因素，因此認定為非要因。

2.4 鍋爐負荷低

理論上，鍋爐負荷越接近設計值，單位蒸汽耗氣量越低，而實際生產中，動力站鍋爐長期處于低負荷運行，因此負荷低是鍋爐單位蒸汽耗氣高的原因之一。但是在保證全廠正常生產的前提下，鍋爐負荷都是被動調整，因此認定為非要因。

2.5 燃料氣配風

受裝置非正常開停工、批處理(上游來氣量波動)、汽驅啟停等工況影響，動力站鍋爐負荷波動頻繁，需要及時準確的對風量、燃料氣量、鍋爐產氣量及爐膛壓力等參數進行調整。風量調整通過操作人員手動控制，由于煙氣中沒有CO分析儀，操作人員只能憑借經驗控制風量，為保證甲烷完全燃燒，風量都有一定裕度。因此，及時準確的控制燃料氣風量是影響單位蒸汽能耗的要因。

經現場實際統計，在燃料氣流量一定的情況下，煙氣中含氧量越高，鍋爐的單位蒸汽能耗越高。單位蒸汽能耗與煙氣含氧量的關系表如表1。

表1 單位蒸汽耗氣與煙氣氧含量變化關系表

3 改進措施及效果

3.1 在線監測煙氣中O2和CO含量

①預制CO傳感器配套法蘭，并安裝在煙氣合適位置；

②制作固定支架，檢驗合格后將CO傳感器、控制箱和氧量傳感器、控制箱裝入支架內；

③完成CO傳感器電纜鋪設調試；

④采集信號接入到燃燒管理及效率自動控制系統。

3.2 新增一套燃燒管理及效率自動控制系統(BMS-ET/HA系統)

增加一套BMS-ET/HA控制系統，根據在DCS系統上設定的鍋爐負荷(燃氣流量信號)、煙氣含氧量及CO含量、爐膛負壓在線監測結果實現對風量的自動調整功能[2]，完成鍋爐的爐膛負壓控制及含氧量控制。

(1)主蒸汽調節控制

根據現場鍋爐中壓蒸汽主汽壓力，實時監測燃料氣流量，對燃料氣調節閥進行自動調整，確保燃料氣供氣量隨著主蒸汽壓力波動而調整，使燃料氣的供氣量實時與中壓蒸汽壓力相適應，控制方式如圖2。

圖2 蒸汽調節控制圖

(2)煙氣氧含量控制

利用現場有的氧含量檢測設備并在煙箱合適的位置安裝CO在線監測裝置，實時監測煙氣氧含量和CO變化情況，對鼓風機頻率進行自動修正，調節送風量，確保進入爐膛的所有可燃物完全燃燒的同時，又最大限度地降低過剩空氣量，減少排煙損失熱量[3]，控制方式如圖3。

圖3 煙氣氧含量控制圖

(3)爐膛負壓控制

利用現場爐膛負壓傳感器，實時監測爐膛負壓情況，自動修正引風機變頻器輸出值，調節引風機引風量，將爐膛負壓恒定在設定值的范圍內，控制方式同煙氣氧含量控制。

(4)整體預測控制

在鍋爐燃燒控制過程中，通過燃料氣量控制、送風氣量控制和引風氣量控制三個子系統分別對三個調節變量(燃料量B、送風量V、引風量G)進行調節，以維持三個被調量(主蒸汽壓力、煙氣O2含量及CO含量、爐膛壓力)的穩定[4]。在鍋爐控制系統中，采用了一種多輸入量及多輸出量的整體預測控制，把燃料流量、煙氣O2含量及CO含量、爐膛負壓作為被控變量，把燃氣調節閥開度、送、引風機頻率作為控制變量，考慮被控變量的歷史變化趨勢，采用向后預測、多步局部優化的方式，使三個被控變量逐步趨近于目標值，控制方式如圖4。

(5)BMS-ET/HA系統與DCS系統鏈接

圖4 整體預測控制系統圖

燃燒管理及效率自動控制系統(BMS-ET/HA系統)與DCS系統輸入對接:把現場的爐膛溫度、爐膛壓力、天然氣壓力等參數通過1入2出的安全柵，一路進入DCS系統、一路進入BMS-ET/HA系統，兩個系統同時對現場的數據進行采集，互不干擾，如圖5。

圖5 BMS-ET/HA系統與DCS系統鏈接示意圖

3.3 改進效果

動力站自2014年8月開始落實改造措施，取得了顯著的效果，目前動力站75t/h鍋爐單位蒸汽耗氣量已降低至110方/噸蒸汽以下，如圖6所示。

圖6 2014年1～11月動力站鍋爐單位蒸汽耗氣量

4 結語

①對鍋爐低負荷工況下單位蒸汽能耗高的原因進行逐一分析，其中及時準確的控制燃料氣風量是影響單位蒸汽能耗的主要因素。

②通過煙氣O2和CO含量在線監控數據，利用燃燒管理及效率自動控制系統對鼓風機頻率進行自動修正，確保進入爐膛的所有可燃物完全燃燒的同時又最大限度地降低過剩空氣量，減少排煙損失，無論外界條件如何變化，燃燒器始終都處在最佳工作狀態，使燃燒效率和系統熱效率達到可能的最大值，降低單位蒸汽耗氣量。

③動力站鍋爐采用自動配風系統后，消除了人工調節存在的誤差和滯后性影響，即減少了工人的勞動強度，提高鍋爐效率，減少溫室氣體CO2排放量，對環境保護有著重要意義。

[1]王春昌.鍋爐漏風對排煙溫度及排煙損失的影響[J].熱力發電,2007，8:19－21.

[2]邱代林.鍋爐低負荷最佳運行參數的若干分析與研究[J].科技與創新，2014，1:16-17.

[3]陳志剛，毛富杰，張旭，王方.工業鍋爐低負荷工況節能分析與對策[J].應用能源技術，2011，9:22-25.

[4]鄒斌.變頻器在鍋爐控制系統中的應用與節能效果分析[J].新疆有色金屬，2004，4:34-35.