180 t/h全燃氣鍋爐優化燃燒控制實踐

閆海斌

（河北鋼鐵集團宣鋼公司設備能源部，河北張家口 075100）

1 概況

河鋼宣鋼8#180 t/h 全燃氣鍋爐擔負著為汽輪鼓風機和汽輪發電機提供動力蒸汽的任務。鍋爐額定蒸發量180 t/h,主蒸汽溫度435±5℃,主蒸汽壓力3.43±0.1 MPa。鍋爐采用四層煤氣噴燃布置，第一、第二層使用焦爐煤氣，第一至第四層燃用高爐煤氣，每層煤氣及配比二次風調節閥均設計為自動、手動調節功能。實際操作過程中，基本以手動操作為主，操作過程中會因調節不及時，控制精度不高，配風不合理等問題，造成蒸汽參數控制不穩定。為合理配置資源，降低煤氣綜合單耗，決定對8#全燃氣鍋爐進行自動燃燒優化改造，將煤氣燃燒、負荷控制、汽包液位、引送風機調節等主要控制回路實現全自動控制。改造后，鍋爐汽水調節全部實現全自動控制，鍋爐運行工況安全、平穩，主要運行參數均在標準范圍內，提高了鍋爐綜合熱效率及使用壽命，煙氣檢測污染物指標明顯下降，并將8#鍋爐的運行經驗在其它5臺中壓鍋爐上進行推廣應用，使公司節能減排工作邁出堅實的一步。

2 項目簡介

通過對8#180 t/h 全燃氣鍋爐現有控制系統分析，控制系統采用ABB AC800F 系統，支持OPC 通訊功能，目前除高壓給水主回路實現自動控制外，其余回路均為手動控制，在煤氣壓力等外部工況頻繁波動時，導致鍋爐各運行參數均出現大范圍波動、控制不穩定現象，鍋爐運行主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、爐膛負壓、汽包液位、減溫水量等主要參數波動范圍±20%，給鍋爐安全運行造成了一定影響，降低了鍋爐熱效率。

現有控制系統運行缺點：

（1）當外網煤氣壓力出現波動時，煤氣調節閥時而開大時而關小，相對應的二次風配比調節不及時，爐膛內溫度變化大，鍋爐負荷不穩定，效率低；

（2）汽包液位控制采用傳統的三沖量控制，控制精度不高。汽包液位控制方式采用了一個手動和一個自動控制方式，在自動調節達到極限的情況下需要手動進行干預調節，調節相對滯后；

（3）主蒸汽溫度采用兩級減溫水串級控制，受主汽溫度變化影響，減溫水量波動范圍大，對主蒸汽溫度調節準確性造成很大影響；

（4）根據爐膛負壓分別對兩臺引風機、兩臺送風機進行控制，在負荷變化較大時，需要手動干預，而且另一回路需根據經驗值設定好，對于操作經驗不足的操作工，調節難度大。

3 詳細技術方案

3.1 項目改造總體思路

煤氣綜合單耗是衡量鍋爐經濟運行的一項重要技術指標，降低煤氣使用量，提高鍋爐熱效率是目前研究的課題。全燃氣鍋爐利用BCS 優化控制理念，經過對燃氣鍋爐燃燒控制，爐膛負壓控制，主汽參數控制，汽包液位及引送風機配風等控制方式，使鍋爐達到全自動運行，各項經濟技術指標均在有效控制范圍內，煤氣燃料充分燃燒，各類熱損失降至最低，實現鍋爐經濟安全運行。

3.2 BCS控制原理

鍋爐BCS 控制系統是對各狀態參數進行全自動集中監控，對鍋爐啟動和停止進行程序控制，通過數據處理、分析判斷、優化調整，狀態監控，使鍋爐實現全自動協調優化控制，從而達到經濟運行目的。由于鍋爐入爐煤氣燃料是最不穩定的變量，使與之配比的風量始終處于動態調整過程，BCS 控制的核心是在一定的蒸汽負荷下尋求最少的煤氣用量，并核算最佳的空氣配比量，加強對空氣過剩系數的控制，來進一步降低鍋爐煤氣單耗，實現汽水系統快速無擾動調節，增強鍋爐節能降耗效果。圖1為BCS控制與各種燃燒裝置示意圖。

圖1 BCS控制與各種燃燒裝置示意圖

3.3 BCS優化控制技術

在現有燃燒裝置的工藝條件下，為使鍋爐有效利用熱量達到最大，需將排煙損失、不完全燃燒損失、散熱損失降至最小。因此，通過BCS 優化控制技術降低各部分熱損失，優化鍋爐燃燒控制方案，來提高鍋爐燃燒效率。

4 方案實施

在鍋爐現有控制系統中，利用I/O 接口，采用實時采集、記錄、監視、操作控制對象，并增設BCS 優化控制模塊，使BCS 控制系統與鍋爐原控制系統進行對接，完成BCS 燃燒優化系統與原DCS 系統的數據交換。完成現場硬件改造工作，安裝主蒸汽壓力、溫度、流量,給水流量,汽包液位,爐膛負壓等儀表，并保證基本測量儀表的準確性。BCS 要求額定負荷下所用調節閥及擋板的死區小于2.5%，引、送風機風門擋板開度小于65%，引、送風機變頻器開度小于85%，并保證足夠的調節余量。支持故障診斷與預警技術、智能語音報警方案，改造后主要控制回路均實現全自動優化運行，達到鍋爐節能高效運行方案。圖2 為BCS燃燒優化技術模塊示意圖

圖2 BCS燃燒優化技術模塊示意圖

4.1 BCS優化燃燒

鍋爐優化燃燒控制是在安全燃燒的前提下，通過自動燃燒達到穩定蒸汽母管壓力，保持主蒸汽參數的穩定性。自動燃燒通過BCS 優化燃燒控制模塊來實現，最佳空燃比通過空燃比優化控制器來實現。在入爐煤氣壓力不穩定時，先模擬改變空燃比，觀測爐膛溫度及爐內火焰的變化，再對改變空燃比數值進行修正，達到最佳燃燒效果。運用靈活的煤風配比方案，使煤風配比具有很強的抗干擾能力，消除煤氣壓力波動的影響，最大可控制煤氣壓力5 kPa 波動范圍的影響，使鍋爐運行達到最佳控制效果。

4.2 蒸汽負荷控制

蒸汽負荷控制是一個復雜的熱力過程，為使蒸汽負荷控制穩定，在燃燒工況改變時，通過提前測算主蒸汽參數的變化趨勢改變煤氣量，來保持吸熱和放熱的平衡。煤氣調節量優化模型是入爐煤氣量變化大時，因不定時不定量的高熱值煤氣對鍋爐運行產生的突發性干擾，使燃料發生變化，造成鍋爐負荷時而升高、時而降低，根據高爐、焦爐煤氣壓力來調整各層煤氣閥門的開度以保證其經濟燃燒，必要時做出關閥指令。

4.3 汽包液位控制

汽包液位采用三沖量串級調節，根據主給水流量、汽包液位和蒸汽流量來調節主、副給水調節閥的開度，保持鍋爐汽包液位的穩定性。運行中根據液位實際值與設定值的偏差，輸出汽水偏差來調整主給水和副給水的電調閥門的開度。并在常規汽包液位三沖量控制的基礎上增加了負荷—液位模型和液位擾動觀測模型，實現液位控制為實時控制，正常偏差水平為±50 mm。圖3 為汽包液位控制示意圖。

圖3 汽包液位控制示意圖

4.4 主蒸汽溫度控制系統

主蒸汽溫度調節是根據鍋爐集汽集箱和減溫器出口蒸汽溫度來調節減溫水調節閥的開度。當集汽集箱出口蒸汽溫度降低時，自動減少減溫水量，反之增加減溫水量，并保持主蒸汽溫度的恒定。由于鍋爐集汽集箱出口溫度、煙氣溫度發生變化時，主蒸汽溫度的變化會很大，因此，需通過對煙氣溫度的監測提前對減溫水進行預判調整，使主蒸汽溫度穩定在435±5 ℃的范圍內，提高主蒸汽溫度的控制精度。圖4為主蒸汽溫度控制示意圖。

圖4 主蒸汽溫度控制示意圖

4.5 爐膛負壓控制系統

爐膛負壓保護是運行中防止爐膛爆燃的一個重要運行參數，通過調節引風機入口擋板開度，保持爐膛在-50～-100 Pa 微負壓狀態，保證鍋爐安全燃燒。當兩臺引風機同時運行時，需對兩臺引風機進行分別控制，設定主路調節與副路調節，保持其調節的有效性。爐膛負壓控制重點是要對測量的壞值進行處理，并對偏差大的壞值進行剔除，在負壓發生變化時，提前給引風擋板一個趨勢調節量，來緩沖負壓變化大對鍋爐運行的影響，以保證爐膛負壓的穩定性。圖5為爐膛負壓控制回路示意圖。

圖5 爐膛負壓控制回路示意圖

4.6 引、送風機控制系統

引、送風機基本風量的獲取是通過檢測引送風機電流值來計算總送風量，為調節入爐風量做好準備。當入爐煤氣壓力發生波動時，對應的空氣量也發生變化，一路引送風機處于副調節，另一路處于主調節范圍，防止兩路同時動作，出現調節過量問題，最佳調節方式是煤氣量與空氣量達到最佳空燃比，讓煤氣充分完全燃燒，鍋爐負荷穩定提高。

以上6 大控制系統實施后，在BCS 系統中又增加了智能語音報警、通訊故障自動切換、安全限幅與控制聯鎖、儀表故障自動處理和故障診斷等幾大功能，使控制系統更加完善，進一步保障了鍋爐安全、穩定、經濟運行。

5 實施效果

通過對8#180 t/h 全燃氣鍋爐燃燒優化技術改造，鍋爐燃燒及負荷控制、汽包液位、爐膛負壓、引送風機控制等主要控制系統均實現全自動運行，鍋爐燃燒過程中的主要控制參數均可根據現場實際工況進行設定并自動控制，達到預期控制要求。

2017 年11 月15 日，8#鍋爐完成了分步調試進行試運行，試運行期間對手動控制及自動控制運行進行比較，并對兩個運行階段數據匯總整理，見表1。

表1 8#鍋爐運行參數

鍋爐節能率測算：

第一階段(986.11-966.26) ÷ 986.11×100%=2.01%；

第二階段(1021.11-1008.28)÷1021.11×100%=1.25%。

通過數據分析可以看出BCS 控制比DCS 控制方式更為優越、可靠，主要運行參數穩定、安全，同等條件下，鍋爐綜合煤氣單耗兩個階段分別下降20 m3/t和13 m3/t，節能率分別為2.01%和1.25%，運行經濟性高，并且BCS 安全控制技術，能夠及時診斷及預警鍋爐故障，保障了鍋爐的安全穩定運行。

6 結束語

8#180 t/h 全燃氣鍋爐優化控制改造后，可實現鍋爐全自動優化運行，降低了操作人員的勞動強度，單臺鍋爐綜合單耗下降，節能效果顯著。全燃氣鍋爐整體運行工況更加平穩，消除了煤氣壓力影響，鍋爐熱效率顯著提高。