文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）03-072-04中图分类号：TP273

★ 轩福杰，史春方，侯伟军，刘宓（杭州和利时自动化有限公司，山东济南250100）

摘要：随着国家新发展理念的提出，创新发展、绿色发展已成为目前各企业发展的重要方向和重要机遇。钢铁企业作为社会支柱企业之一，是能源消耗重点企业，近些年也一直不断地在提升效率，积极建设节能减排项目，如近年来出现的大量煤气发电机组，就是充分利用钢铁厂在生产过程中产生的大量的副产的气体燃料进行燃烧发电，不仅实现了节能减排、能源高效综合利用，而且对钢铁企业的生产成本降低、能源转换也具有非常重要的意义。钢铁企业副产的气体主要包括高炉煤气（简称BFG）、焦炉煤气（简称COG）和转炉煤气（简称LDG），用这些可燃气体进行燃烧发电就需要煤气锅炉，燃气锅炉与燃煤锅炉相比最大优势就是升降负荷快、设备少（无制粉、除渣等设备）、维护方便、操作灵活等，但同样也有其劣势，就是存在燃烧不稳定（煤气不稳定）、操作频繁、负荷波动大等问题。结合以上优劣势，文章提出了一种基于和利时DCS的煤气锅炉负荷优化及机炉协调的控制方案，该方案能够充分发挥其优势降低其劣势，并通过应用验证取得了一定成果。

关键词：煤气锅炉；机炉协调；和利时DCS；优化控制

本文主要以钢铁企业中煤气锅炉发电机组的负荷控制为研究对象，针对煤气锅炉在燃烧过程中因煤气的压力及流量波动大导致的锅炉燃烧不稳定、机组负荷波动频繁、操作人员劳动强度大、煤气利用率降低等问题进行了分析研究，提出了一种基于和利时DCS的煤气锅炉负荷优化协调控制方案，并通过实际应用验证了该方案可以大幅度地提高煤气锅炉燃烧及负荷稳定性，提升了每方煤气发电率，同时大大减轻了操作人员的劳动强度。

1 煤气锅炉优点

如上所述，煤气锅炉主要以钢铁厂在生产过程中的富余可燃气体为燃料，这与常规燃煤锅炉相比有很多的优势，燃气中粉尘和氮硫含量低，不但减少了烟气中污染环境的成分，对炉膛、流管束的腐蚀和对传热效率的影响也大幅度降低，从而提高了锅炉整体热效率。燃气锅炉粉尘少可以选用较高的热负荷，从而可以缩小炉膛的体积，并且燃料不需用额外的存储加工设备，也不需要吹灰、除尘、除渣等附属设备，极大减少了前期建设和后期维护成本。燃气锅炉因燃气的燃烧反应时间短，使得热负荷适应性强，负荷调节能力非常灵活，也是其相对燃煤锅炉最大的优点^[1]。基于以上的这些优点，近些年来钢厂建立的燃气锅炉机组的容量和压力等级也在不断提高，以实现能源深度充分利用，使钢铁企业达到降低生产成本、节能减排及提升企业综合效益的目的。

2 煤气锅炉负荷常规控制问题

煤气锅炉发电机组虽有众多优点，但目前一些钢厂在建设煤气锅炉发电机组时，因空间或成本等限制未进行储气柜的规划建设，这就导致煤气因钢铁生产过程非连续的特点而压力和流量也是随之波动，在煤气锅炉燃烧过程中会因此带来燃烧不稳定、机组负荷波动大、操作频繁等一系列问题，使得燃气锅炉效率无法达到最优，且对生产运行稳定性造成很大影响。要解决此问题就需要了解煤气锅炉的燃烧特点，煤气锅炉的燃烧器多为分层布置，单面炉墙布置或前后炉墙对冲布置的较多，每个燃烧器由三个煤气调节阀控制，调节阀门开度控制各部分的进煤气量，最终实现控制锅炉负荷。

与煤粉炉燃烧器类似，每个燃烧器的进气量的调节需要操作多个煤气阀，为尽量减少操作次数，采用逻辑层操集中控制的方式，每次操作层操手操器实现多个阀门同步动作。以上是基于纯手动控制的方式，也有些现场采用了常规简单PID控制，参照煤粉炉调节主蒸汽流量或压力，当出现煤气压力较大波动时，会需要手动频繁操作或者出现PID自动无法快速调节恢复到稳定状态，最终导致锅炉燃烧运行波动较大、负荷不稳定、操作人员工作强度大等问题，甚至有操作不及时或误操作导致停炉的情况。

3 负荷优化协调控制方案

针对以上问题，我们以黑龙江某钢厂新建设145t/h超高温超高压煤气锅炉（13.7MPa/571℃）配置40MW中间一次再热凝汽式汽轮机和40MW发电机组为研究对象，设计了一种负荷优化协调控制方案，下文进行详细介绍。如图1所示锅炉燃烧器分为上下两层，均布置在前墙，上层燃烧器是焦炉煤气和高炉煤气共用，下层燃烧器只有高炉煤气使用。上层燃烧器焦炉煤气和高炉煤气各配置三个流量调节阀，下层高炉煤气配置三个流量调节阀。本锅炉的燃气以高炉煤气为主（流量0～150KNm3/h，压力0～25KPa），焦炉煤气掺烧（流量0～15KNm3/h，压力0～10KPa）。

图1 煤气锅炉燃气阀及燃烧器布置图

如上文所述，煤气锅炉虽然响应负荷变化快，但没有稳定的燃气，导致负荷波动频繁。针对以上问题本文采用的负荷控制方案如下，燃煤锅炉的机组协调模式常规以锅炉主控调节主蒸汽压力、汽机主控调节发电负荷的协调控制模式，但煤气锅炉发电机组与之不同，结合煤气锅炉的特点，主体思路以锅炉主控调整机组发电负荷、以汽机主控调节主蒸汽压力为主的协调控制方式运行。利用煤气锅炉反应速度快的特点，快速调节因煤气压力和流量的波动对负荷带来的影响，汽机控制运行在定压或滑压模式以保证最高运行效率^[2]。

焦炉煤气调节阀通过PID控制主要调节焦炉煤气流量保持稳定流量，以保证机组负荷稳定。

高炉煤气调节分为上下两层，两层均设置了单独层操手操器，用于调节高炉煤气流量，但控制方式分为两种，即流量控制模式和负荷控制模式，控制逻辑框图如图2所示。

图2 负荷优化控制逻辑框图

流量控制模式，以控制高炉煤气流量为主，通过PID调整上下两层高炉煤气层操调节实现流量的调整。此种控制方式主要用于厂内集中调度，在其他地方对高炉煤气有需求，可以根据调度指令快速调整流量使用量，满足厂内生产需求。此种模式下焦炉煤气流量单独控制，与高炉煤气调节互不干扰。汽机DEH投入阀控或者压控，发电负荷与燃料量随动，以煤气量厂内统一调度为控制目标。

负荷控制模式，通过串级PID控制实现，主调调节发电负荷，副调调节总燃料量。机组发电负荷调整不主动对焦炉煤气量进行调整，主要通过调整高炉煤气流量来实现发电负荷的稳定和升降调整，焦炉煤气作为燃料量被动参与负荷调整。高炉煤气因压力波动导致的流量波动由高炉煤气流量PID来进行调节，升降负荷时则由负荷PID输出的总燃料量目标控制高炉煤气流量增减实现。

焦炉煤气主要以掺烧为主，通过PID控制保持稳定流量，当焦炉煤气压力波动较大时或焦炉煤气流量目标设定值调整时，通过负荷PID的燃料量指令调节高炉煤气流量来维持需求的总燃料量，也就是通过高炉煤气量的调整来适应焦煤煤气的流量变化。其中负荷PID的计算输出的总燃料指令为高炉煤气流量指令与折算后焦炉煤气流量的和（折算主要以高炉煤气热值为基础，计算焦炉煤气热值除以高炉煤气热值比，通过热值折算将焦炉煤气流量换算为高炉煤气流量），负荷不变情况下，当折算后焦炉煤气流量波动，就会间接体现为高炉煤气流量的指令的变化，然后通过调节高炉流量实现总燃料量稳定。在负荷模式下，汽机DEH运行方式为压控方式，维持机前主蒸汽压力在额定压力，保持机组的高效率运行^[3]。

当然简单的串级PID还是无法满足目前这种煤气波动大的问题，例如5分钟煤气压力波动达到15KPa，对煤气流量影响大于10KNm3/h的情况。通过对多个现场的研究总结和测试，我们在结合传统PID控制基础上采用了许多优化手段，如采用了专家PID及相关参数根据工况进行改变，同时引入煤气压力和汽包压力的微分前馈提前调节，最关键的是采用和利时DCS的自定义功能块功能，设计了煤耗统计分析优化功能块，可以根据参数设定统计一段时间内的平均负荷煤耗值，并经过汽包压力、氧量等参数进行优化煤耗，通过优化后煤耗值和当前负荷需求值得乘积作为负荷PID调节的基础，避免负荷PID因为工况波动大输出过调的燃料指令，可以实现大范围调整负荷的工况下快速准确调整燃料量目标值的目的，调整过程快速而平稳。另外煤气锅炉与常规煤粉炉不同的地方就是风系统，因燃料是煤气，一旦煤气量变化对炉膛负压和送风量都会产生影响，这就需要将高炉煤气和焦炉的体积流量作为前馈控制引入到引风负压调节PID的回路中，高炉和焦炉折算后的流量作为送风氧量引入到调节PID回路的前馈中，这样才能降低煤气压力和流量波动对燃烧系统产生的影响。

4  优化协调控制应用效果

经过多次的调试和运行测试，上述的负荷优化控制方案在项目现场得到了成功的应用，并取得了一定的效果，大幅度地提高了煤气锅炉的运行稳定性，不仅降低了操作人员的操作频率，也提升了煤气发电效率。手、自动操作对比趋势如图3、4所示。

对手、自动操作的历史数据采用标准偏差计算的方式进行统计分析，我们发现发电负荷手动控制时波动标准偏差是0.42，采用本文优化控制方案后波动标准偏差是0.31，波动幅度下降26%，主蒸汽温度波动幅度下降68%，发电平均煤耗下降达到0.7%。

图3 煤气锅炉负荷手动控制趋势图（绿色）

图4 煤气锅炉负荷优化自动控制趋势图（绿色）

5 结束语

本文所述的煤气锅炉负荷优化控制方案在现场应用中虽然取得了一定的效果，得到了用户的认可，但仍有可调整优化空间，例如负荷模式下对焦炉煤气的被动调整是否可以改为主动方式等方面。笔者希望该方案能在后续的方案研究应用中得到进一步提升，并能为其他煤气锅炉发电机组的控制应用提供一些参考。

作者简介：

轩福杰（1986-），男，山东菏泽人，中级工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化与燃烧优化。

史春方（1986-），男，吉林长春人，中级工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化与燃烧优化。

侯伟军（1981-），男，河北石家庄人，中级工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化与燃烧优化。

刘  宓（1986-），女，河南洛阳人，初级工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化与技术管理。

参考文献：

[1] 祝百东, 王艳红. 钢铁厂煤气及蒸汽发电技术的应用[J]. 冶金动力, 2013 (4). 42 - 44.

[2] 白志刚. 自动调节系统解析与PID整定[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.

[3] 文群英. 热工自动控制系统 (第三版 ) [M]. 北京: 中国电力出版社, 2019.

摘自《自动化博览》2023年3月刊