隨著包鋼鋼鐵產(chǎn)量的不斷增加，所產(chǎn)生的高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出軋鋼加熱爐的用氣量，這就會(huì)產(chǎn)生大量的過剩煤氣，如果按照過去的粗放型做法將多余的煤氣進(jìn)行放散，不僅會(huì)污染環(huán)境，而且還會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)成本。為此，包鋼公司將原來的兩臺(tái)220t/h燃煤高溫高壓鍋爐改造為純燒煤氣鍋爐。該鍋爐主要以高，爐煤氣作為燃料，這與一般的燃煤鍋爐有所不同，工藝原理的不同也就導(dǎo)致了其自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的特殊之處，特別是其燃燒控制系統(tǒng)與普通燃煤鍋爐存在較大的差別。其控制系統(tǒng)采用美國(guó)FOXBORO公司的I/A series DCS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)汽包水位、汽包壓力、過熱蒸汽溫度和燃燒的自動(dòng)控制，不僅自動(dòng)化程度高，而且燃燒控制效果更為理想，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1、工藝原理及主要控制系統(tǒng)
    包鋼熱電廠220 t/h純燒煤氣鍋爐工藝流程如圖1所示，主要包括燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)兩大部分。煤氣和空氣按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒室進(jìn)行燃燒，燃燒所釋放出的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)汽包內(nèi)的汽水分離器進(jìn)行分離，分離出的水經(jīng)下降管送到水冷壁管繼續(xù)加熱，分離出的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器（包括一級(jí)過熱器和二級(jí)過熱器）后，被加熱成符合規(guī)定溫度和壓力要求的過熱蒸汽并匯集至蒸汽母管，然后經(jīng)蒸汽管道送往汽輪機(jī)做功。與此同時(shí)，燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過過熱器后，還要經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水、空氣預(yù)熱器預(yù)熱助燃空氣和煤氣預(yù)熱器預(yù)熱高爐煤氣，最后經(jīng)過除塵器除塵后再由引風(fēng)機(jī)將其送至煙囪排人大氣。
    該鍋爐的控制系統(tǒng)主要包括：
    a．汽包水位控制系統(tǒng)。由于鍋爐容量較大，為了有效克服虛假水位現(xiàn)象，采用三沖量控制系統(tǒng)。
    b．過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。為了將過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍之內(nèi)，設(shè)置了兩級(jí)過熱器和兩級(jí)減溫裝置，第一級(jí)過熱器出口蒸汽溫度控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)，主被控變量為出口蒸汽溫度，副被控變量為第一級(jí)減溫水流量，以改善控制性能；第二級(jí)過熱器出口蒸汽溫度控制采用單回路控制系統(tǒng)，被控變量為第二級(jí)過熱器出口蒸汽溫度。
    c．燃燒控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括蒸汽壓力控制、爐膛負(fù)壓控制、空燃比控制及最佳煙氣含氧量?jī)?yōu)化設(shè)定等。
    由于該鍋爐的燃料為高爐煤氣，在煤氣熱值相對(duì)穩(wěn)定的情況下，燃燒自動(dòng)控制是比較容易實(shí)現(xiàn)的，這與燃煤鍋爐有很大的區(qū)別。
2、DCS控制系統(tǒng)總體方案
    該鍋爐采用美國(guó)FOXBORO公司的I/A se-ries DCS控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)配置有一套工程師站(AW51)、兩套操作員站( WP51)、一臺(tái)打印機(jī)、一對(duì)冗余的控制器(CP60FT)、3對(duì)冗余的現(xiàn)場(chǎng)總線通信組件( FB110E)及相應(yīng)的I/O組件等。過程控制站采用CP60FT容錯(cuò)控制處理機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、積算處理、模擬量控制，邏輯控制、順序控制及報(bào)警等功能。
    根據(jù)鍋爐的測(cè)控點(diǎn)數(shù)及信號(hào)類型，并考慮一定的冗余比，整套DCS控制系統(tǒng)所需I/O組件見表l。
    軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理軟件、操作員接口軟件、控制處理機(jī)應(yīng)用軟件、功能塊訪問軟件、設(shè)備監(jiān)視軟件、系統(tǒng)監(jiān)視軟件、歷史數(shù)據(jù)庫管理軟件及報(bào)表軟件等，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、參數(shù)顯示、曲線顯示、PID參數(shù)修改及報(bào)表打印等功能。
3、燃燒過程控制方案優(yōu)化
    鍋爐燃燒控制的基本任務(wù)是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量能適應(yīng)蒸汽量變化的需要，同時(shí)還必須滿足鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒和安全生產(chǎn)的要求。為此，可將鍋爐的燃燒控制任務(wù)分解為3個(gè)方面：
    a．維持蒸汽壓力恒定，這也就意味著燃料燃燒所放出的熱量應(yīng)與其輸出的蒸汽所帶走的熱量對(duì)等，這需要根據(jù)蒸汽負(fù)荷變化適時(shí)調(diào)整燃料量的大小；
    b．保證經(jīng)濟(jì)燃燒，即維持最佳的空燃比；
    c．維持爐膛負(fù)壓基本穩(wěn)定，以保證安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)包括熱負(fù)荷、送風(fēng)量和引風(fēng)量3個(gè)調(diào)節(jié)回路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總原則是當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，煤氣量、送風(fēng)量和引風(fēng)量同步合理變化。
    實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒自動(dòng)控制的關(guān)鍵問題是燃料的檢測(cè)，具體包括燃料流量檢測(cè)和燃料熱值檢測(cè)兩個(gè)方面。對(duì)于燃煤鍋爐而言，燃料的流量和熱值的在線檢測(cè)目前還很難實(shí)現(xiàn)，這也就導(dǎo)致燃煤鍋爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件并沒有得到滿足，燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)不能投入正常運(yùn)行。對(duì)于純燒煤氣鍋爐，煤氣流量檢測(cè)技術(shù)及儀表已非常成熟，比如可采用孔板和流量變送器進(jìn)行檢測(cè)，而煤氣熱值的檢測(cè)也有比較成熟的熱值儀，目前存在的問題有：熱值儀的價(jià)格比較高、日常維護(hù)量比較大。由于技術(shù)方面沒有太大問題，所以，純燒煤氣鍋爐的燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)是能夠投入正常運(yùn)行的。
    燃燒控制系統(tǒng)有多種方案，如串級(jí)比值控制系統(tǒng)、單交叉控制系統(tǒng)及雙交叉限幅控制系統(tǒng)等，同時(shí)，也可在PID控制規(guī)律的基礎(chǔ)上，將先進(jìn)控制算法引入其中，以進(jìn)一步改善控制品質(zhì)。串級(jí)比值控制系統(tǒng)屬于基本控制方案，其主被控變量為汽包壓力，具體包括煤氣量與空氣量同步變化、煤氣量先行空氣量后行兩種方案，而后者會(huì)在負(fù)荷增加時(shí)產(chǎn)生煤氣燃燒不充分的現(xiàn)象。為此，可采用改進(jìn)型的單交叉控制系統(tǒng)（圖3）。當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，汽包壓力減小，PC的輸出信號(hào)因增大而被高選器HS選中，先加大空氣量，后加大煤氣量；相反，當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，汽包壓力增大，PC的輸出信號(hào)因減小而被低選器LS選中，先減小煤氣量，后減小空氣量。這兩種情況下的燃燒均較為充分，但在提負(fù)荷或降負(fù)荷時(shí)，會(huì)因過�？諝庀禂�(shù)的增大而使燃燒效率降低。
    為了解決上述問題，可以采用雙交叉限幅控制系統(tǒng)（圖4），HLM和LLM分別為高限限幅器和低限限幅器。該系統(tǒng)以汽包壓力為主被控變量，煤氣量和空氣量為副被控變量，兩個(gè)并列的副回路可實(shí)現(xiàn)邏輯比值功能，使空燃比在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)情況下都可維持在最佳值附近。
    空燃比的最佳值是隨著煤氣熱值的變化而變化的，故需根據(jù)煤氣熱值實(shí)時(shí)修正空燃比的最佳值。在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)煙氣含氧量去校正空燃比，而煙氣含氧量的最優(yōu)值又與鍋爐的負(fù)荷有關(guān)，所以，應(yīng)根據(jù)鍋爐負(fù)荷校正煙氣含氧量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，再由煙氣含氧量調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)去校正空燃比，這就使鍋爐燃燒過程在不同負(fù)荷下始終處于最佳空燃比狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒過程的最優(yōu)化控制。該方案在I/A series DCS系統(tǒng)中是很容易實(shí)現(xiàn)的。
4、結(jié)束語
    鍋爐燃燒自動(dòng)控制一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)于筆者所述的220t/h純燒煤氣鍋爐，由于其工藝的特殊性及I/A series DCS系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為燃燒自動(dòng)控制和優(yōu)化控制提供了必要的條件。目前，影響該系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的主要因素是煤氣壓力和煤氣熱值的波動(dòng)，而檢測(cè)與控制技術(shù)本身沒有太大問題。對(duì)于優(yōu)化控制，除了以上所述方案之外，還可把軟測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于煙氣含氧量測(cè)量，通過機(jī)理分析建立煙氣含氧量軟測(cè)量模型，用其取代傳統(tǒng)的氧量計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化控制，同時(shí)還可應(yīng)用于設(shè)備故障診斷等領(lǐng)域。這種方法具有測(cè)量成本低、精度高、可靠性高及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，富通新能源不但生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，而且還大量銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒專用的生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料主要由木屑顆粒機(jī)壓制生產(chǎn)而成。