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)爐煤氣量遠遠超出軋鋼加熱爐的用氣量，這就會產(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行放散，不僅會污染環(huán)境，而且還會造成大量的能源浪費，提高生產(chǎn)成本。為此，包鋼公司將原來的兩臺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致了其自動檢測與控制系統(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FOXBORO公司的I/A series DCS系統(tǒng)，可實現(xiàn)汽包水位、汽包壓力、過熱蒸汽溫度和燃燒的自動控制，不僅自動化程度高，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入爐膛燃燒室進行燃燒，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（包括一級過熱器和二級過熱器）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做功。與此同時，燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)過過熱器后，還要經(jīng)省煤器預熱鍋爐給水、空氣預熱器預熱助燃空氣和煤氣預熱器預熱高爐煤氣，最后經(jīng)過除塵器除塵后再由引風機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)置了兩級過熱器和兩級減溫裝置，第一級過熱器出口蒸汽溫度控制采用串級控制系統(tǒng)，主被控變量為出口蒸汽溫度，副被控變量為第一級減溫水流量，以改善控制性能；第二級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、爐膛負壓控制、空燃比控制及最佳煙氣含氧量優(yōu)化設(shè)定等。
    由于該鍋爐的燃料為高爐煤氣，在煤氣熱值相對穩(wěn)定的情況下，燃燒自動控制是比較容易實現(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)、一臺打印機、一對冗余的控制器(CP60FT)、3對冗余的現(xiàn)場總線通信組件( FB110E)及相應的I/O組件等。過程控制站采用CP60FT容錯控制處理機，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、積算處理、模擬量控制，邏輯控制、順序控制及報警等功能。
    根據(jù)鍋爐的測控點數(shù)及信號類型，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、控制處理機應用軟件、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)庫管理軟件及報表軟件等，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標度變換、控制計算、控制輸出、參數(shù)顯示、曲線顯示、PID參數(shù)修改及報表打印等功能。
3、燃燒過程控制方案優(yōu)化
    鍋爐燃燒控制的基本任務是使燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量能適應蒸汽量變化的需要，同時還必須滿足鍋爐經(jīng)濟燃燒和安全生產(chǎn)的要求。為此，可將鍋爐的燃燒控制任務分解為3個方面：
    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與其輸出的蒸汽所帶走的熱量對等，這需要根據(jù)蒸汽負荷變化適時調(diào)整燃料量的大小；
    b．保證經(jīng)濟燃燒，即維持最佳的空燃比；
    c．維持爐膛負壓基本穩(wěn)定，以保證安全、經(jīng)濟運行。
    燃燒自動控制系統(tǒng)包括熱負荷、送風量和引風量3個調(diào)節(jié)回路，系統(tǒng)設(shè)計的總原則是當負荷變化時，煤氣量、送風量和引風量同步合理變化。
    實現(xiàn)鍋爐燃燒自動控制的關(guān)鍵問題是燃料的檢測，具體包括燃料流量檢測和燃料熱值檢測兩個方面。對于燃煤鍋爐而言，燃料的流量和熱值的在線檢測目前還很難實現(xiàn)，這也就導致燃煤鍋爐燃燒自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件并沒有得到滿足，燃燒自動控制系統(tǒng)不能投入正常運行。對于純燒煤氣鍋爐，煤氣流量檢測技術(shù)及儀表已非常成熟，比如可采用孔板和流量變送器進行檢測，而煤氣熱值的檢測也有比較成熟的熱值儀，目前存在的問題有：熱值儀的價格比較高、日常維護量比較大。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控制系統(tǒng)是能夠投入正常運行的。
    燃燒控制系統(tǒng)有多種方案，如串級比值控制系統(tǒng)、單交叉控制系統(tǒng)及雙交叉限幅控制系統(tǒng)等，同時，也可在PID控制規(guī)律的基礎(chǔ)上，將先進控制算法引入其中，以進一步改善控制品質(zhì)。串級比值控制系統(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，而后者會在負荷增加時產(chǎn)生煤氣燃燒不充分的現(xiàn)象。為此，可采用改進型的單交叉控制系統(tǒng)（圖3）。當升負荷時，汽包壓力減小，PC的輸出信號因增大而被高選器HS選中，先加大空氣量，后加大煤氣量；相反，當降負荷時，汽包壓力增大，PC的輸出信號因減小而被低選器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，但在提負荷或降負荷時，會因過剩空氣系數(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，兩個并列的副回路可實現(xiàn)邏輯比值功能，使空燃比在動態(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)煤氣熱值實時修正空燃比的最佳值。在實際應用中，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)值又與鍋爐的負荷有關(guān)，所以，應根據(jù)鍋爐負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)器的輸出信號去校正空燃比，這就使鍋爐燃燒過程在不同負荷下始終處于最佳空燃比狀態(tài)，進而實現(xiàn)燃燒過程的最優(yōu)化控制。該方案在I/A series DCS系統(tǒng)中是很容易實現(xiàn)的。
4、結(jié)束語
    鍋爐燃燒自動控制一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點，對于筆者所述的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)的成功應用，為燃燒自動控制和優(yōu)化控制提供了必要的條件。目前，影響該系統(tǒng)運行質(zhì)量的主要因素是煤氣壓力和煤氣熱值的波動，而檢測與控制技術(shù)本身沒有太大問題。對于優(yōu)化控制，除了以上所述方案之外，還可把軟測量技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)應用于煙氣含氧量測量，通過機理分析建立煙氣含氧量軟測量模型，用其取代傳統(tǒng)的氧量計，進而實現(xiàn)燃燒優(yōu)化控制，同時還可應用于設(shè)備故障診斷等領(lǐng)域。這種方法具有測量成本低、精度高、可靠性高及維護方便等優(yōu)點，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壓制生產(chǎn)而成。