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文獻標識碼：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，山東濟南250100）

摘要：隨著國家新發展理念的提出，創新發展、綠色發展已成為目前各企業發展的重要方向和重要機遇。鋼鐵企業作為社會支柱企業之一，是能源消耗重點企業，近些年也一直不斷地在提升效率，積極建設節能減排項目，如近年來出現的大量煤氣發電機組，就是充分利用鋼鐵廠在生產過程中產生的大量的副產的氣體燃料進行燃燒發電，不僅實現了節能減排、能源高效綜合利用，而且對鋼鐵企業的生產成本降低、能源轉換也具有非常重要的意義。鋼鐵企業副產的氣體主要包括高爐煤氣（簡稱BFG）、焦爐煤氣（簡稱COG）和轉爐煤氣（簡稱LDG），用這些可燃氣體進行燃燒發電就需要煤氣鍋爐，燃氣鍋爐與燃煤鍋爐相比最大優勢就是升降負荷快、設備少（無制粉、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、負荷波動大等問題。結合以上優劣勢，文章提出了一種基于和利時DCS的煤氣鍋爐負荷優化及機爐協調的控制方案，該方案能夠充分發揮其優勢降低其劣勢，并通過應用驗證取得了一定成果。

關鍵詞：煤氣鍋爐；機爐協調；和利時DCS；優化控制

本文主要以鋼鐵企業中煤氣鍋爐發電機組的負荷控制為研究對象，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致的鍋爐燃燒不穩定、機組負荷波動頻繁、操作人員勞動強度大、煤氣利用率降低等問題進行了分析研究，提出了一種基于和利時DCS的煤氣鍋爐負荷優化協調控制方案，并通過實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，提升了每方煤氣發電率，同時大大減輕了操作人員的勞動強度。

1 煤氣鍋爐優點

如上所述，煤氣鍋爐主要以鋼鐵廠在生產過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勢，燃氣中粉塵和氮硫含量低，不但減少了煙氣中污染環境的成分，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點^[1]。基于以上的這些優點，近些年來鋼廠建立的燃氣鍋爐機組的容量和壓力等級也在不斷提高，以實現能源深度充分利用，使鋼鐵企業達到降低生產成本、節能減排及提升企業綜合效益的目的。

2 煤氣鍋爐負荷常規控制問題

煤氣鍋爐發電機組雖有眾多優點，但目前一些鋼廠在建設煤氣鍋爐發電機組時，因空間或成本等限制未進行儲氣柜的規劃建設，這就導致煤氣因鋼鐵生產過程非連續的特點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定、機組負荷波動大、操作頻繁等一系列問題，使得燃氣鍋爐效率無法達到最優，且對生產運行穩定性造成很大影響。要解決此問題就需要了解煤氣鍋爐的燃燒特點，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節閥控制，調節閥門開度控制各部分的進煤氣量，最終實現控制鍋爐負荷。

與煤粉爐燃燒器類似，每個燃燒器的進氣量的調節需要操作多個煤氣閥，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現多個閥門同步動作。以上是基于純手動控制的方式，也有些現場采用了常規簡單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時，會需要手動頻繁操作或者出現PID自動無法快速調節恢復到穩定狀態，最終導致鍋爐燃燒運行波動較大、負荷不穩定、操作人員工作強度大等問題，甚至有操作不及時或誤操作導致停爐的情況。

3 負荷優化協調控制方案

針對以上問題，我們以黑龍江某鋼廠新建設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發電機組為研究對象，設計了一種負荷優化協調控制方案，下文進行詳細介紹。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流量調節閥，下層高爐煤氣配置三個流量調節閥。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，但沒有穩定的燃氣，導致負荷波動頻繁。針對以上問題本文采用的負荷控制方案如下，燃煤鍋爐的機組協調模式常規以鍋爐主控調節主蒸汽壓力、汽機主控調節發電負荷的協調控制模式，但煤氣鍋爐發電機組與之不同，結合煤氣鍋爐的特點，主體思路以鍋爐主控調整機組發電負荷、以汽機主控調節主蒸汽壓力為主的協調控制方式運行。利用煤氣鍋爐反應速度快的特點，快速調節因煤氣壓力和流量的波動對負荷帶來的影響，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調整上下兩層高爐煤氣層操調節實現流量的調整。此種控制方式主要用于廠內集中調度，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，滿足廠內生產需求。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，發電負荷與燃料量隨動，以煤氣量廠內統一調度為控制目標。

負荷控制模式，通過串級PID控制實現，主調調節發電負荷，副調調節總燃料量。機組發電負荷調整不主動對焦爐煤氣量進行調整，主要通過調整高爐煤氣流量來實現發電負荷的穩定和升降調整，焦爐煤氣作為燃料量被動參與負荷調整。高爐煤氣因壓力波動導致的流量波動由高爐煤氣流量PID來進行調節，升降負荷時則由負荷PID輸出的總燃料量目標控制高爐煤氣流量增減實現。

焦爐煤氣主要以摻燒為主，通過PID控制保持穩定流量，當焦爐煤氣壓力波動較大時或焦爐煤氣流量目標設定值調整時，通過負荷PID的燃料量指令調節高爐煤氣流量來維持需求的總燃料量，也就是通過高爐煤氣量的調整來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，就會間接體現為高爐煤氣流量的指令的變化，然后通過調節高爐流量實現總燃料量穩定。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到15KPa，對煤氣流量影響大于10KNm3/h的情況。通過對多個現場的研究總結和測試，我們在結合傳統PID控制基礎上采用了許多優化手段，如采用了專家PID及相關參數根據工況進行改變，同時引入煤氣壓力和汽包壓力的微分前饋提前調節，最關鍵的是采用和利時DCS的自定義功能塊功能，設計了煤耗統計分析優化功能塊，可以根據參數設定統計一段時間內的平均負荷煤耗值，并經過汽包壓力、氧量等參數進行優化煤耗，通過優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因為工況波動大輸出過調的燃料指令，可以實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系統，因燃料是煤氣，一旦煤氣量變化對爐膛負壓和送風量都會產生影響，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負壓調節PID的回路中，高爐和焦爐折算后的流量作為送風氧量引入到調節PID回路的前饋中，這樣才能降低煤氣壓力和流量波動對燃燒系統產生的影響。

4  優化協調控制應用效果

經過多次的調試和運行測試，上述的負荷優化控制方案在項目現場得到了成功的應用，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、自動操作的歷史數據采用標準偏差計算的方式進行統計分析，我們發現發電負荷手動控制時波動標準偏差是0.42，采用本文優化控制方案后波動標準偏差是0.31，波動幅度下降26%，主蒸汽溫度波動幅度下降68%，發電平均煤耗下降達到0.7%。

圖3 煤氣鍋爐負荷手動控制趨勢圖（綠色）

圖4 煤氣鍋爐負荷優化自動控制趨勢圖（綠色）

5 結束語

本文所述的煤氣鍋爐負荷優化控制方案在現場應用中雖然取得了一定的效果，得到了用戶的認可，但仍有可調整優化空間，例如負荷模式下對焦爐煤氣的被動調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的方案研究應用中得到進一步提升，并能為其他煤氣鍋爐發電機組的控制應用提供一些參考。

作者簡介：

軒福杰（1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化與燃燒優化。

史春方（1986-），男，吉林長春人，中級工程師，學士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化與燃燒優化。

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自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化與燃燒優化。

劉  宓（1986-），女，河南洛陽人，初級工程師，碩士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化與技術管理。

參考文獻：

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

[2] 白志剛. 自動調節系統解析與PID整定[M]. 北京: 化學工業出版社, 2012.

[3] 文群英. 熱工自動控制系統 (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