220th煤气锅炉优化控制系统研究

1220t/h煤气锅炉优化控制方案研究李忠虎1，王俊伟1，李银琪2(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010；2.包头钢铁（集团）有限责任公司热电厂，内蒙古包头014010)摘要：本文以包钢热电厂220t/h煤气锅炉为研究对象，由于该锅炉主要以高炉煤气作为燃料，所以这与一般的燃煤锅炉有所不同，这也就导致了其自动检测与控制系统的特殊之处。控制系统采用美国FOXBORO公司的I/AseriesDCS控制系统，可实现汽包水位、汽包压力、过热蒸汽温度和燃烧的自动控制。本文在简要介绍其控制思想及控制系统结构与原理的基础上，重点对燃烧优化控制方案进行了研究。关键词：煤气锅炉；DCS；I/Aseries；自动控制；燃烧优化控制中图分类号：TP273文献标识码：A随着包钢钢铁产量的不断增加，所产生的高炉煤气和转炉煤气量远远超出轧钢加热炉的用气量，这就会产生大量的过剩煤气，如果按照过去的粗放型做法将多余的煤气进行放散，则不仅会污染环境，而且还会造成大量的能源浪费，提高生产成本。为此，包钢公司将原来的两台220t/h燃煤高温高压锅炉改造为纯烧煤气锅炉。实践表明，这样做不仅解决了环境污染问题，而且还为企业带来了可观的经济效益。该锅炉主要以高炉煤气作为燃料，这与一般的燃煤锅炉有所不同，工艺原理的不同也就导致了其自动检测与控制系统的特殊之处。其控制系统采用美国FOXBORO公司的I/AseriesDCS系统，可实现汽包水位、汽包压力、过热蒸汽温度和燃烧的自动控制，特别是其燃烧控制系统与普通燃煤锅炉存在较大的差别，不仅自动化程度高，而且燃烧控制效果更为理想。1工艺原理及主要控制系统包钢热电厂220t/h纯烧煤气锅炉工艺流程如图1所示，主要包括燃烧系统和汽水系统两大部分。煤气和空气按一定的比例进入炉膛燃烧室进行燃烧，燃烧所释放出的热量传递给蒸汽发生系统，产生的饱和蒸汽经汽包内的汽水分离器进行分离，分离出的水经下降管送到水冷壁管继续加热，分离出的饱和蒸汽经过过热器（包括一级过热器和二级过热器两级）后，被加热成符合规定温度和压力要求的过热蒸汽并汇集至蒸汽母管，然后经蒸汽管道送往汽轮机做功。与此同时，燃料燃烧所产生的高温烟气经过过热器后，还要经省煤器预热锅炉给水、经空气预热器预热助燃空气、经煤气预热器预热高炉煤气，最后经过除尘器除尘后再由引风机将其送至烟囱进而排入大气。图1包钢220t/h纯烧煤气锅炉工艺原理图该锅炉的控制系统主要包括以下几部分：①汽包水位控制系统。由于锅炉容量较大，为了有效克服虚假水位现象，采用三冲量控制系统；②过热蒸汽温度控制系统。为了维持过热蒸汽出口温度在允许的范围之内，设置了两级过热器和两级减温装置，第1级过热器出口蒸汽温度控制采用串级控制系统，主被控变量为出口蒸汽温度，副被控变量为第1级减温水流量，以改善控制性能；第2级过热器出口蒸汽温度控制采用单回路控制系统，被控变量为第2级过热器出口蒸汽温度；③燃烧控制系统。该系统包括蒸汽压力控制、炉膛负压控制、空燃比控制和2最佳烟气含氧量优化设定等。由于该锅炉的燃料为高炉煤气，在煤气热值相对稳定的情况下，燃烧自动控制是比较容易实现的，这与燃煤锅炉有很大的区别。2DCS控制系统总体方案该锅炉采用美国FOXBORO公司的I/AseriesDCS控制系统，硬件系统总体结构如图2所示。本系统配置有1套工程师站(AW51)、2套操作员站(WP51)、1台打印机、1对冗余的控制器(CP60FT)，3对冗余的现场总线通信组件（FB110E）及相应的I/O组件等。过程控制站采用CP60FT容错控制处理机，可以实现数据采集、积算处理、模拟量控制、逻辑控制、顺序控制及报警等功能。图2硬件系统总体结构图根据锅炉的测控点数及信号类型，并考虑一定的冗余比，整套DCS控制系统所需I/O组件如表1所示。表1DCS控制系统I/O组件表序号名称及设备型号套数1电流信号8点输入组件FBM01142热电偶8点输入组件FBM02113热电阻8点输入组件FBM0334电流4点输入/4点输出组件FBM04145开关量16点输入组件FBM0726开关量16点输入组件FBM1227开关量8点输入/8点输出组件FBM4158开关量8点输入/8点输出组件FBM425软件系统主要包括系统管理软件、操作员接口软件、控制处理机应用软件、功能块访问软件、设备监视软件、系统监视软件、历史数据库管理软件及报表软件等，主要完成数据采集、数字滤波、标度变换、控制计算、控制输出、参数显示、曲线显示、PID参数修改及报表打印等功能。3燃烧过程优化控制方案研究锅炉燃烧控制的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量能适应蒸汽量变化的需要，同时还必须满足锅炉经济燃烧和安全生产的要求。为此，可将锅炉的燃烧控制任务分解为以下三个方面：一是维持蒸汽压力恒定，这也就意味着燃料燃烧所放出的热量应与其输出的蒸汽所带走的热量相适应，这需要根据蒸汽负荷变化适时调整燃料量的大小；二是保证经济燃烧，也即维持最佳的空燃比；三是维持炉膛负压基本稳定，以保证安全、经济运行。基于此，燃烧自动控制系统包括热负荷、送风量和引风量三个调节回路，系统设计的总原则是当负荷变化时，煤气量、送风量和引风量同步合理变化。实现锅炉燃烧自动控制的关键问题是燃料的检测，具体包括燃料流量检测和燃料热值检测两个方面。对于燃煤锅炉而言，燃料的流量和热值的在线检测目前还很难实现，这也就导致燃煤锅炉燃烧自动控制系统稳定运行的前提条件并没有得到满足，燃烧自动控制系统不能投入正常运行。对于纯烧煤气锅炉，煤气流量检测技术及仪表已非常成熟，比如可采用孔板和流量变送器进行检测，而煤气热值的检测也有比较成熟的热值仪，目前存在的问题一是热值仪的价格比较高，二是日常维护量比较大，但技术方面没有太大问题，所以，纯烧煤气锅炉的燃烧自动控制系统是能够投入正常运行的。燃烧控制系统有多种方案，如串级比值控制系统、单交叉控制系统、双交叉限幅控制系统等，同时，也可在PID控制规律的基础上，将先进控制算法引入其中，以进一步改善控制品质。串级比值控制系统属于基本控制方案，其主被控变量为汽包压力，具体包括煤气量与空气量同步变化、煤气量先行空气量后行两种方案，而后者会在负荷增加时产生煤气燃烧不充分的现象。为此，可采用改进型的3单交叉控制系统，如图3所示。当提负荷时，汽包压力减小，PC的输出信号因增大而被高选器HS选中，先加大空气量，后加大煤气量；相反，当降负荷时，汽包压力增大，PC的输出信号因减小而被低选器LS选择中，先减小煤气量，后减小空气量。这两种情况下的燃烧均较为充分，但在提负荷或降负荷时，会因过剩空气系数的上升而使燃烧效率降低。图3单交叉燃烧控制系统原理图为了解决上述问题，可以采用双交叉限幅控制系统，如图4所示，HLM和LLM分别为高限限幅器和低限限幅器。该系统以汽包压力为主被控变量，煤气量和空气量分别为副被控变量，两个并列的副回路可实现逻辑比值功能，使空燃比在动态或静态情况下都可维持在最佳值附近。本系统采用此方案。图4双交叉限幅控制系统原理图空燃比的最佳值是随着煤气热值的变化而变化的，故需根据煤气热值实时修正空燃比的最佳值。在实际应用中，一般根据烟气含氧量去校正空燃比，而烟气含氧量的最优值又与锅炉的负荷有关，所以，应根据锅炉负荷校正烟气含氧量调节器的设定值，再由烟气含氧量调节器的输出信号去校正空燃比，这就使锅炉燃烧过程在不同负荷下始终处于最佳空燃比状态，进而实现燃烧过程的最优化控制。该方案在I/AseriesDCS系统中是很容易实现的。4结束语锅炉燃烧自动控制一直是业内关注的重点，对于本文所述220t/h纯烧煤气锅炉，由于其工艺的特殊性及I/AseriesDCS系统的成功应用，为燃烧自动控制和优化控制提供了必要的条件。目前，影响该系统运行质量的主要因素是煤气压力和煤气热值的波动，而检测与控制技术本身没有太大问题。对于优化控制，除了以上所述方案之外，还可把软测量技术和数据融合技术应用于烟气含氧量测量，通过机理分析建立烟气含氧量软测量模型，用其取代传统的氧量计，进而实现燃烧优化控制，同时还可应用于设备故障诊断等领域，这种方法具有测量成本低、精度高、可靠性高和维护方便等优点。参考文献[1]《石油化工仪表自动化培训教材》编写组.集散控制系统及现场总线.中国石化出版社,2010.[2]查方兴.I/Aseries系统及应用.上海福克斯波罗有限公司,2009.[3]孙进怀,等.包钢热电厂8#锅炉改烧煤气自动控制[J].冶金自动化,2004,(S1):226-228.4220t/hoptimizedcontrolschemeofgasboilerLIZhong-hu1，WANGJun-wei1，LIYin-qi2（1.SchoolofInformationEngineering，InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China2.Baotou014010,China)Abstract:TheobjectofstudyistheThermalpowerplantofBaotouSteel220t/hgasboiler.Thisisdifferentwiththeothergeneralcoal-firedboilers,duetoitsfuelismainlytheblastfurnacegas.AndthatleadtothespecialpointsofitsAutomaticdetectionandControlsystem.ThecontrolsystemadoptstheI/AseriesDCScontrolsystemoftheAmericanFOXBOROCompany.ThiskindofcontrolsystemcanrealizetheAuto-controlofSteamdrumwaterlevel,Drumpressure,thesuperheatedsteamtemperatureandcombustion.ThispaperbasedontheBriefintroductionofitsControltheoryandcontrolsystemstructureandprinciple,thenputemphasisonthestudyoftheCombustionoptimizationcontrolscheme.Keyword:Gasboiler；DCS；I/Aseries；Auto-control;Combustionoptimizationandcontrol