我國(guó)冶金行業(yè)的冶金燃?xì)赓Y源的余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)已經(jīng)興起，采用燃?xì)廨啓C(jī)裝置進(jìn)行冶金燃?xì)赓Y源的余熱利用在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有案例，但是燃燒低熱值煤氣的燃汽輪機(jī)燃燒器裝置需要采用特殊制造工藝。采用蒸汽輪機(jī)組發(fā)電裝置的高爐煤氣資源的余熱利用，國(guó)內(nèi)也有成功的工程業(yè)績(jī)，投資相對(duì)低廉。
冶金軋鋼生產(chǎn)流程的三種煤氣余熱資源綜合發(fā)電供熱利用，余熱體系既要滿足冶金主體生產(chǎn)過(guò)程的能量平衡，也要滿足余熱煤氣的發(fā)電供熱生產(chǎn)過(guò)程的能量平衡。其工藝發(fā)電過(guò)程能量平衡及控制原理的研究，對(duì)冶金行業(yè)綜合環(huán)保、余熱利用、能源優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益等方面均有很大的社會(huì)意義。
一、能量平衡體系與可控邊界的分析
冶金行業(yè)生產(chǎn)工藝流程是大規(guī)模的連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程。高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣的生成有很多不確定性，無(wú)論煤氣種類、氣量、熱值均會(huì)隨生產(chǎn)流程的變化而變化。自備電廠的電負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求也隨冶金生產(chǎn)過(guò)程變化而變化?？抗と瞬僮骺刂疲瑏?lái)不及跟蹤流程的煤氣種類、壓力、流量、熱值的波動(dòng)以及負(fù)荷多種變量實(shí)時(shí)變化。
該生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的多變量對(duì)象，自動(dòng)調(diào)配這個(gè)龐大的能量平衡體系，自動(dòng)維系整個(gè)能量體系的輸入和輸出能量平衡，沒(méi)有一個(gè)成熟地、簡(jiǎn)單地控制方法可以直接解決這個(gè)體系的平衡。
根據(jù)能量平衡原理，采用dcs的自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先要界定dcs可調(diào)范圍概念：正常工況的產(chǎn)氣量、熱值均會(huì)隨生產(chǎn)流程在一定允許范圍內(nèi)變化，其發(fā)電供熱段生產(chǎn)也與之相應(yīng)，是dcs可調(diào)整范圍；在特殊情況下氣量和熱值量會(huì)超出變化允許范圍，dcs進(jìn)入報(bào)警保護(hù)階段；在冶金工藝生產(chǎn)方式發(fā)生變化.會(huì)導(dǎo)致電廠的生產(chǎn)方式的變化，不屬于自動(dòng)調(diào)整范疇。
例如，停掉一臺(tái)高爐，工藝流程的冶金燃?xì)饩蜁?huì)明顯減少，減少的煤氣量超出鍋爐負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)又沒(méi)有足夠的焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的補(bǔ)充，就要考慮停掉一臺(tái)鍋爐。電熱負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷減少，要停掉一臺(tái)汽輪機(jī)。
zui大化利用余熱，燃?xì)赓Y源要zui大化被利用發(fā)電、供熱，要優(yōu)先企業(yè)內(nèi)部電、熱負(fù)荷需求。明確自動(dòng)控制方案時(shí)，首先要確定燃?xì)?、發(fā)電、需求側(cè)各工藝段調(diào)控邊界，分析如下：
1）冶金生產(chǎn)流程運(yùn)行方式變化：主體流程運(yùn)行方式變化是事前變量，要通過(guò)調(diào)度指令，調(diào)整電廠的運(yùn)行方式。
2）需求側(cè)負(fù)荷點(diǎn)的大設(shè)備的投入、退出：根據(jù)工藝生產(chǎn)需要，用電、用熱設(shè)備的增減，會(huì)影響電廠的電、熱負(fù)荷的輸出，也要通過(guò)調(diào)度指令，調(diào)整電廠的運(yùn)行方式。
3）主體流程出現(xiàn)故障：由于設(shè)有儲(chǔ)氣罐，在*時(shí)間內(nèi)，不會(huì)波及電廠的燃料層供應(yīng)，出現(xiàn)故障信息后，電廠要有相應(yīng)的故障保護(hù)措施。調(diào)度中心要根據(jù)可恢復(fù)故障、或不可恢復(fù)故障程度迅速發(fā)出指令，指導(dǎo)、調(diào)整電廠的生產(chǎn)運(yùn)行方式?！—?br>4）發(fā)電設(shè)備的投退或故障：發(fā)電廠的鍋爐汽輪機(jī)設(shè)備的啟停和運(yùn)行方式操作，以值長(zhǎng)指令為依據(jù)。
如上圖所示，根據(jù)總體系能量平衡關(guān)系，為了便于各段的能量平衡調(diào)節(jié)控制，我們把這個(gè)大體系分成4段相對(duì)獨(dú)立相互關(guān)聯(lián)的子能量平衡體系。
工藝三種煤氣的生成，與電廠鍋爐燃料消耗平衡，全部煤氣送入鍋爐；
4臺(tái)燃?xì)忮仩t的入爐燃料，與送到母管蒸汽能量平衡，保證母管壓力穩(wěn)定；
母管蒸汽能量，與各電負(fù)荷點(diǎn)的電負(fù)荷平衡，內(nèi)部負(fù)荷優(yōu)先；
母管蒸汽能量，與熱網(wǎng)的熱負(fù)荷平衡，維系熱網(wǎng)壓力穩(wěn)定，不影響供電；
要維系主體流程煤氣與電廠的大熱力體系平衡，在熱力體系的可調(diào)整范圍內(nèi)，各子段熱力體系平衡層面調(diào)控原則是：
1）以氣定汽：zui大化利用煉鋼爐的所產(chǎn)生的可燃煤氣，把全部生成煤氣送入鍋爐轉(zhuǎn)化成為蒸汽；
2）氣量、含量互補(bǔ)：3種煤氣的生成量，以及3種煤氣中的熱值含量均在一定范圍內(nèi)變化，3種煤氣能夠自動(dòng)互補(bǔ)產(chǎn)氣。即如果測(cè)量出某煤氣的co含量偏低，自動(dòng)增加煤氣流量補(bǔ)償含量的不足，或者通過(guò)另外兩路煤氣，自動(dòng)跟進(jìn)補(bǔ)充總熱值。確保輸入鍋爐的總熱量。
輸出總熱量=鍋爐效率x輸入總熱量
3）以汽定電：鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽，要zui大化的用于發(fā)電，發(fā)電優(yōu)先平衡內(nèi)部電負(fù)荷，電量不夠或多余靠電網(wǎng)平衡。冷凝機(jī)組專職發(fā)電。抽汽機(jī)組選擇以電定熱，優(yōu)先保證電負(fù)荷，同時(shí)維持供熱。
4）以熱定電、以電定熱：抽汽機(jī)可以以熱定電或以電定熱方式運(yùn)行，選擇以熱定電，以提供熱負(fù)荷為主，靠調(diào)整汽輪機(jī)的調(diào)壓器，改變所提供的熱負(fù)荷量，同時(shí)提供電負(fù)荷。抽汽機(jī)組也可以以電定熱，要看哪種負(fù)荷對(duì)工藝更重要，和更有后備保障系統(tǒng)支持來(lái)確定。
5）供熱網(wǎng)平衡：在機(jī)組抽汽負(fù)荷可調(diào)范圍內(nèi)，靠機(jī)組調(diào)壓器調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷，確保熱網(wǎng)壓力穩(wěn)定。超出機(jī)組調(diào)壓可調(diào)范圍，需要靠減溫減壓器調(diào)節(jié)熱網(wǎng)負(fù)荷?；蛘呖科渌幢ＷC。
實(shí)現(xiàn)大熱力體系的自動(dòng)化控制，根據(jù)dcs中常規(guī)pid控制規(guī)律的控制域，一定要進(jìn)行專家解偶一個(gè)層面一個(gè)回路的進(jìn)行熱力平衡控制。負(fù)荷優(yōu)化分配，包括煤氣資源的優(yōu)化分配，不能依靠一個(gè)控制回路，完成通過(guò)一個(gè)指令完成從煤氣的資源的變化到上網(wǎng)負(fù)荷的全程控制。有時(shí)，熱力體系在輸入輸出平衡的狀態(tài)下，克服外部和內(nèi)部小擾動(dòng)，有自平衡能力。引入dcs控制，會(huì)使得體系無(wú)論在小擾動(dòng)時(shí)、或大擾動(dòng)時(shí)獲得及時(shí)準(zhǔn)確的平衡效果。
在發(fā)電設(shè)備半熱態(tài)或冷態(tài)，不能夠自動(dòng)投運(yùn)鍋爐汽機(jī)，這時(shí)的主體工藝的煤氣過(guò)剩，就要采用儲(chǔ)備或短期放空方式。鋼廠主體生產(chǎn)方式的搭配需要調(diào)度中心去優(yōu)化，緊急狀況下，維護(hù)安全生產(chǎn)比余熱利用更重要。
總之，特殊工況不能夠列入自動(dòng)調(diào)控范疇，只有在大熱力體系相對(duì)平衡確定的前提下，即主體過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大約有xxx大卡煤氣量，有xxx電負(fù)荷、熱負(fù)荷需求，電廠要投入x臺(tái)鍋爐，啟動(dòng)x汽輪機(jī)。在一定的范圍內(nèi)，通過(guò)dcs實(shí)現(xiàn)煤氣負(fù)荷優(yōu)化分配、自動(dòng)調(diào)節(jié)電，熱負(fù)荷。
二、燃?xì)馊剂蟽?yōu)化的兩次分配原理
三種可燃煤氣：冶金燃?xì)?、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣。冶金燃?xì)鉄嶂祕(mì)ui低，焦?fàn)t煤氣熱值z(mì)ui高。熱值低的煤氣著火點(diǎn)低，容易熄火，不利于穩(wěn)定燃燒。而鍋爐在燃燒時(shí)有負(fù)荷越高，燃燒越穩(wěn)定；負(fù)荷越低，燃燒就不穩(wěn)定的特點(diǎn)。
*次分配：燃料分配要防止鍋爐低負(fù)荷熄火，確保每臺(tái)鍋爐在50％以上負(fù)荷運(yùn)行，燃料*次分配初步要滿足維持每臺(tái)鍋爐50％以上負(fù)荷的煤氣燃料來(lái)源。鍋爐50％負(fù)荷熱值，由鍋爐廠的熱力計(jì)算提供。
總熱量公式：r（ag×cog×qg）＋（aj×coj×qj）＋（az×coz×qj）
r——三種煤氣母管中總熱值；
ag——co含量與熱值的平均換算系數(shù)；
cog——冶金燃?xì)獾膶?shí)時(shí)co含量；
qg——鍋爐煤氣實(shí)時(shí)流量；
把能源調(diào)度中心下達(dá)各類煤氣總量，用各類煤氣母管co含量，初步自動(dòng)計(jì)算，相加，除以一臺(tái)鍋爐的50％額定負(fù)荷耗熱量（見(jiàn)鍋爐廠熱力計(jì)算），決定需要投入幾臺(tái)鍋爐參與運(yùn)行調(diào)控。三種煤氣總量由調(diào)度中心下達(dá)指令，電廠的運(yùn)行方式由值長(zhǎng)決定。dcs可以自動(dòng)根據(jù)三種煤氣測(cè)量總量進(jìn)行*次分配計(jì)算。
第二次分配：根據(jù)以氣定汽原則：要zui大的利用工藝產(chǎn)生的各種煤氣資源，我們只有維持爐前煤氣壓力略高于爐膛壓力，zui大限度的把產(chǎn)生的煤氣送入鍋爐。采用各爐前煤氣母管壓力pg/pj/pz，作為一次控制量，設(shè)三種煤氣管壓力控回路，維持pg點(diǎn)壓力整定略高于鍋膛壓力，這樣保證入爐煤氣燃半是衡流源，不管鍋爐的吃入的煤氣量多少，只要一次分配合理，就能夠把爐前的煤氣燃料可靠穩(wěn)定。一旦pg點(diǎn)壓力有變化，煤氣壓力調(diào)節(jié)器就會(huì)自動(dòng)調(diào)整調(diào)門開(kāi)度，保持pg點(diǎn)壓力不變。稱為燃料第二次分配。
由于事先確定了投運(yùn)鍋爐的數(shù)量，為了防止某臺(tái)鍋爐搶氣源，幾臺(tái)爐前的同類煤氣壓力設(shè)值要一致，就能夠自動(dòng)準(zhǔn)確完成第二次燃料分配任務(wù)。第二次分配對(duì)鍋爐穩(wěn)定燃燒非常重要。
pg01＝pg02＝pg04
pj01＝pj02pj03＝pj04
pz01＝pz02pz03＝pz04
通過(guò)dcs可以自動(dòng)根據(jù)三種煤氣測(cè)量總熱量，和負(fù)荷點(diǎn)的電熱負(fù)荷測(cè)量參數(shù)，采用熱力計(jì)算公式，統(tǒng)一換算成為熱量進(jìn)行運(yùn)算。dcs完成實(shí)計(jì)算與輸入輸出能量平衡控制。
△n1＃爐＝（r-（aene總＋ar總n總）/4
△n＃凝汽機(jī)＝rpo/4-aene1
△n#1抽汽機(jī)＝rpo/4（aene1＋arnr1）
式中：r--煤氣母管總熱量；rpo——蒸汽母管總熱值；
ae——電熱轉(zhuǎn)換平均系數(shù)；ar——熱蒸汽與煤汽熱轉(zhuǎn)換平均系統(tǒng)；
ne1——1＃機(jī)電負(fù)荷量；ne總——電廠總電負(fù)荷量；
nr1——1＃機(jī)熱負(fù)荷量；nr總——電廠總熱負(fù)荷量；
生成實(shí)時(shí)負(fù)荷曲經(jīng)，增減產(chǎn)量曲線、發(fā)電量曲線、供熱量曲線。
三、燃?xì)忮仩t母管制控制原理
蒸汽母管壓力恒定是表征鍋爐供汽量與汽機(jī)耗汽量平衡的標(biāo)志。運(yùn)行中維持蒸汽母管壓力恒定不變。母管制并列運(yùn)行的四臺(tái)鍋爐要響應(yīng)母管壓力的變化，共同維持母管壓力的穩(wěn)定。如果1臺(tái)鍋爐承擔(dān)變負(fù)荷運(yùn)行不夠，可以采用2臺(tái)鍋爐承擔(dān)，其余鍋爐帶固定負(fù)荷運(yùn)行。
鍋爐實(shí)測(cè)熱量信號(hào)作為燃料主控的被調(diào)量，煤氣母管cog的變化量作為前饋修正量。配風(fēng)量，與燃料量經(jīng)過(guò)小值比較選擇器，取較小者作為燃料主控器的給定值，以保證動(dòng)態(tài)過(guò)程中，燃料量小于風(fēng)量。
四、燃?xì)忮仩t燃燒主控調(diào)節(jié)要點(diǎn)
雖然煤氣流量可以測(cè)量，但煤氣的熱值成份是在一定范圍內(nèi)變化，不能準(zhǔn)確的反映鍋爐真實(shí)的燃料量信號(hào)，采用熱量信號(hào)q代替煤氣量信號(hào)，以適應(yīng)煤氣成份的變化。
q＝d＋ｃdpb/dt
式中：d為鍋爐蒸汽流量。
c為鍋爐的蓄熱能力。
pb為汽包壓力。
q代表鍋爐實(shí)際負(fù)荷的熱量。
鍋爐主控調(diào)節(jié)器接受鍋爐負(fù)荷指令信號(hào)后，與熱量信號(hào)q進(jìn)行比較，送出一個(gè)燃料開(kāi)度命令，由開(kāi)度命令來(lái)決定各煤氣閥門的開(kāi)度。
三種氣體燃燒值差異影響會(huì)調(diào)節(jié)品質(zhì)，鍋爐的燃料來(lái)自冶金燃?xì)?、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣，各種氣體的熱值差異較大，如果用同一個(gè)pid控制，達(dá)不到滿意品質(zhì)，對(duì)每一臺(tái)鍋爐的每種煤氣設(shè)置了一套燃燒調(diào)節(jié)器。為了使鍋爐然燒的燃料擾動(dòng)zui小化，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí)，只讓一種煤氣調(diào)節(jié)器在投入自動(dòng)狀態(tài)。
如果鍋爐出力達(dá)上限，此時(shí)閉鎖壓力增高煤氣總調(diào)節(jié)閥，其他三臺(tái)爐將分配多余的冶金燃?xì)?。如果鍋爐負(fù)荷〈50％，報(bào)警，此時(shí)閉鎖減高鍋煤氣總調(diào)節(jié)閥，維持負(fù)荷不再降低，確保鍋爐不熄火。
燃?xì)忮仩t送風(fēng)調(diào)節(jié)，根據(jù)三種氣體的比例關(guān)系，算出一個(gè)風(fēng)量修正系數(shù)。氧量較正調(diào)節(jié)與一氧化碳進(jìn)行微調(diào)，均是要對(duì)送風(fēng)進(jìn)行修正。
五、結(jié)束語(yǔ)
以上我們討論了冶金燃?xì)獯鬅崃w系的能量平衡關(guān)系，界定了調(diào)控范圍，提出燃?xì)忮仩t調(diào)控原理。希望能夠?qū)σ苯鹦袠I(yè)的煤氣資原發(fā)電有理論指作用。