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摘要：当前的化工产品生产对化工企业锅炉的蒸汽质量，相应速度、锅炉效率提出了更高的要求，同时工况多变和煤质多变等因素影响原有控制系统（DCS）依靠经验进行人工操作的控制模式，难以满足生产的需要。基于此，针对唐山三友公司热力中心#5 480 t/h中储式煤粉炉生产实际现状，采用燃烧优化技术（BCS），实现锅炉运行的自动控制，尤其是在当前机组负荷及煤质变动较大的情况下，可以大大减轻操作人员的劳动强度，促进生产质量提升。
关键词：中储式煤粉炉；先进控制；燃烧优化；优化控制
0引言
唐山三友化工股份有限公司热电南厂配备2台480 t/h中储式煤粉锅炉，母管制运行。锅炉装置的主要任务是生产压力为9.0 MPa、温度为540℃的合格品质蒸汽，供全厂化工生产使用；同时通过汽机和减温减压器调节各级蒸汽管网，确保满足各蒸汽用户用汽要求。烟气排放采用SCR脱硝技术有效保证了超低排放指标要求。改造前只有汽包水位和减温水控制投入单回路自动，其它负荷、制粉、氧量、炉膛负压、磨出口温度、脱硝等关键控制回路都是操作人员手动调节。由于煤质和负荷的变化，操作人员仅依靠含氧量和经验作为判断风煤配比的依据，及时性也很难保证，造成风和煤的配比就会出现偏差。烟气含氧量测量仪表受安装位置、环境、时间等因素影响存在一定的误差和随时间漂移，所以锅炉无法保证长期运行在最佳风煤配比。仪表不准确、设备、执行机构有死区，这也给锅炉自动运行造成一定的困难。因此锅炉运行参数：主汽压力、炉膛负压、烟气含氧量、NOx等关键参数存在较大的波动。基于以上情况，公司引入燃烧优化技术（BCS），对原有的DCS系统进行优化控制改造，#5锅炉增加一套BCS优化控制系统，采用人工智能控制算法，全面实时跟踪运行工况变化趋势，对锅炉运行的制粉、燃烧、汽水、环保等系统进行智能控制，不仅实现锅炉长周期安全、稳定的全自动运行，同时还降低锅炉产汽煤耗。
1燃烧优化技术介绍
BCS是和隆优化公司自主研发的燃烧优化技术，其独特性主要在以下方面：首先对现场条件要求比较低，不要求测控信号绝对精确，采用“强大脑、广适应”的理念；采用多维梯度极值搜索法寻找锅炉燃烧的最佳运行点。其次创造性地引入趋势优化控制技术，自动跟踪并分析燃烧因自身扰动而引起的变化，自动筛选最佳运行点。再采用自愈控制，将可控的运行故障消灭于萌芽状态，使生产运行从潜在危险自主恢复到正常状态。最终集模糊控制、非线性控制、预测控制和神经网络等技术于一体，全面克服非线性、纯滞后和时变性等诸多难题。
BCS是一套控制系统要求不断提高而迅速发展起来的燃烧控制系统，此技术应用在热电中储式煤粉炉装置上，以此来实现锅炉燃烧的优化控制，使各个参数控制更加精确、快速，从而实现生产的稳定性、经济性[1-2]。
2燃烧优化技术在中储式煤粉炉的应用
2.1 BCS技术异构系统的结构
BCS技术和原DCS系统通过国际标准的OPC通讯方式，进行数据交换。在DCS系统中增加BCS与DCS系统的无扰切换逻辑。如图1所示。
2.2燃烧优化技术与煤量优化的控制策略
锅炉燃烧系统控制与优化的难点主要在与负荷相配的给粉量及燃烧优化[1]控制。给粉控制系统可由操作人员根据当时运行情况选择当前锅炉的控制模式（压力模式、负荷模式），压力模式：压力控制为主，负荷补偿为辅；负荷模式：锅炉负荷控制为主，汽包压力前馈抑制外扰为辅。以上两种模式均分别通过煤质修正模型来自适应燃料热值的变化，以满足不同工况下的稳定燃烧。快速升降负荷功能可满足蒸汽管网异常波动情况下，大幅度的快速负荷变化。
2.3燃烧优化技术与风量优化的控制策略
在BCS系统中，燃烧优化技术是基于自寻优算法，结合多变量非线性拟合原理，实现对煤量、风量优化技术，同时，对最佳氧量、送风量、一次风压以及二次风门等各优化参数进行优化边界限制，且优化边界参数采用不同燃烧负荷状态下的可调整动态边界，使其能在工况稳定的情况下采用小范围稳定调整，变工况条件时采用变工况快速安全调整，以确保整个优化过程的稳定性与快速性。送风量控制点模型包含三部分：基本送风量、氧量补偿风量（在优化不启动时以固定氧含量控制送风量，氧量控制点是经过优化而浮动的）、送风优化风量（在煤质、负荷、仪表精度等发生变化时自动计算出风量的增量来修正送风量，从而达到经济燃烧）。如送风回路通过控制送风挡板执行器来实现锅炉烟气含氧量在各种工况下的控制点浮动和精确控制，从而保证锅炉的经济燃烧。
2.4燃烧效率在线计算与优化
用被锅炉利用的热量与燃料所释放出的全部热量之比来计算热效率的方法叫正平衡法，又叫直接测量法，燃烧优化技术采用正平衡法。从图2可以看出，如果过量空气系数过大，将使得排烟热损失增大，且NOx的排放量也将增加，反之，过量空气系数过小，就会产生不完全燃烧热损失。目前普遍采用的燃烧优化的思想就是基于最佳燃烧区，在该区域内锅炉的效率高，同时燃烧引起的污染物较小，飞灰含碳量较小，排烟温度低。就燃烧控制而言，在负荷、煤种等工况改变的情况下，如果仍能将燃烧控制在该区域内就可实现燃烧优化。
针对锅炉燃烧大惯性、纯滞后、参数时变的特点，采用燃烧优化技术控制策略。在锅炉燃烧系统工况发生变化时，对与不同的工况下采用相对应的BCS控制参数或者控制算法，保证锅炉控制系统在工况变化时的控制性能。BCS系统直接将优化出来的输出参数直接赋给锅炉DCS系统，实现系统在线优化。
3燃烧优化技术在热电中储式煤粉炉的应用验证效果
在唐山三友化工股份有限公司热电北厂#5锅炉，进行技术改造，经过现场模型调试、模型参数优化、锅炉生产优化系统经过168 h试运行后，进行手动和优化运行两种方式对比测试。
3.1测试原则及要求
锅炉正常运行生产的情况下，原运行方式和优化系统运行相同时间段，对比同炉同时间段的操作质量和吨汽煤耗。具体要求如下：
1）测试时间：原系统运行72 h，优化模式运行72 h。
2）相同设备条件：测试过程中应保证运行同样的关键设备且未在中间过程发生重大故障，测试过程中如果发生关键设备故障（如给煤系统、三大风机、汽水或风烟系统等），或关键仪表发生故障，应客观评判这些设备故障问题带来的不利影响程度决定是否中止测试。
3）相同环境条件：测试过程中若发生天气突变则中止测试，如气温突升突降（日平均气温波动5℃以内允许）。
4）相同运行工况：锅炉尽可能以相对稳定的负荷运行，即以相对稳定的给水温度、主汽压力、主汽温度、主汽流量、NOx排放指标运行，负荷差异不超过5%。
5）燃煤批次或混煤方式相对稳定，煤质变化超过5%。煤质采样少量多批，每天采样6次混合后进行化验分析，采样分析人员固定。
3.2操作质量测试结果
对比时间：手动操作DCS为3月15日—3月17日，BCS自动优化为3月18日—3月20日，对比期间负荷（主蒸汽流量，单位t/h）运行如下：手动操作时，负荷最大值约为487.2 t/h，最小值约为365.3 t/h，BCS自动运行时，负荷最大值约为481.7 t/h，最小值约为342.1 t/h，两种运行经对比手动操作的波动范围约为121.9 t/h，BCS自动的波动范围约为139.6 t/h，其波动幅度为（自动波动范围-手动波动范围）/手动波动范围×100%=14.52%。由此可知使用和燃烧优化技术后，主蒸汽压力、温度参数的波动范围大幅度减小，氮氧化物质量浓度小时均值等参数控制也更加稳定，达到了预期的控制要求。
1）主蒸汽压力。手动操作DCS历史曲线时间共计72 h（3月15日—3月17日），在整个调整过程中主汽压力最大值为9.63 MPa，最小值为7.58 MPa，平均值为8.73 MPa。燃烧优化技术BCS自动运行历史曲线时间共计72 h（3月18日—3月20日），在整个调整过程中主汽压力最大值为9.55 MPa，最小值为7.91 MPa，平均值为8.8 MPa，设定值为9 MPa。经实验两种运行方式对比可知，手动操作的运行上限为9.63 MPa，下限为7.58 MPa，变化范围为2.05 MPa。BCS自动的运行上限为9.55 MPa，下限为7.91 MPa，变化范围为1.64 MPa，计算后收缩幅度为（手动操作值-自动操作值）/手动操作值×100%=20%
2）主蒸汽温度。手动操作DCS历史曲线时间共计72 h（3月15日—3月17日），在整个调整过程中主汽温度过程最大值为546.2℃,最小值为508.8℃,平均值为531.4℃。燃烧优化技术BCS自动运行历史曲线时间共计72 h（3月18日—3月20日），在整个调整过程中主汽温度过程最大值为539.9℃,最小值为520.3℃,平均值为532.7℃,设定值为535℃。
3）烟气氮氧含量。手动操作DCS历史曲线时间共计72 h（3月15日—3月17日），在整个调整过程中NOx质量浓度最大值为32.26 mg/m3，最小值为10 mg/m3，平均值为18.93 mg/m3。燃烧优化技术BCS自动运行历史曲线时间共计72 h（3月18日—3月20日），在整个调整过程中NOx质量浓度最大值为25.17mg/m3，最小值为5.54mg/m3，平均值为13.66 mg/m3，设定值为15 mg/m3。
4）两种运行方式对比。手动操作的上限为32.26 mg/m3，下限为10 mg/m3，变化范围是22.26 mg/m3。BCS自动的上限为25.17 mg/m3，下限为5.54 mg/m3，变化范围是19.63 mg/m3。
3.3运行经济性测试结果
对BCS系统节能效果进行测试：根据#5炉同等负荷、煤质、轮班制度的情况进行72 h数据对比，3月15日—3月17日为手动DCS运行模式，3月18日—3月20日为BCS自动运行模式。具体数据情况见表1。
节能率对比手动操作的吨蒸汽煤耗约为0.109 6 t，吨蒸汽氨耗约为0.125 86 kg，BCS自动运行的吨蒸汽煤耗约为0.108 6 t，吨蒸汽氨耗约为0.123 46 kg。其吨蒸汽节能率约为0.91%，吨蒸汽氨耗节能率约为1.93%。
按照三友热电#5炉每年平均燃煤量约30万t，2023年每煤入厂价约800元/t，节煤率0.91%计算，则年经济效益为：30万t×800元/t×0.91%=218万元。
通过燃烧优化技术改造后，提高锅炉自动化投入率，大大降低操作人员的劳动强度，很好地解决了人员紧张的问题。降低锅炉磨煤机系统设备损耗、电耗。锅炉更加安全、可靠、稳定性提高，一定程度上延长了设备的检修周期，节省了一定的检修维护费用。通过锅炉与脱硫脱硝系统协调优化控制后，实现脱硝卡边排放，减少脱硝剂费用，进一步减少设备的腐蚀和电耗。主蒸汽压力更加稳定，有利于化工装置生产用汽的稳定，更有利于下游化工装置生产的安全稳定。
参考文献
[1]张国明，王彦飞，李金.煤粉锅炉负荷控制与燃烧优化技术研究与应用[J].自动化博览，2021，38（5）：120-123.
[2]高瑞峰，于现军.BCS技术在煤粉炉上的应用[J].冶金能源，2015，34（3）：57-59.
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