CN112611234A - 一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，包括以下内容：（1）负荷控制回路的多目标协调控制：以主蒸汽压力为主控制目标，综合考虑的煤粉量和高炉煤气量的总燃料量调节给粉机，稳定锅炉负荷；以高炉煤气压力为辅助控制目标，根据高炉煤气压力安全范围区间，调节高炉煤气阀门开度。（2）自适应一次风压力的送风控制及二次风门协调控制回路：根据高炉煤气掺烧量的不同，自适应一次风压设定值，并在二次风门调整时，同步调整送风机变频，保持一次风压力的稳定。（3）自寻优二次风控制回路：通过含氧量自寻优功能，寻找最佳燃烧工况的含氧量，根据含氧量调整二次风门开度，提高燃烧效率，实现节能降耗。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业煤粉炉控制领域，尤其涉及一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法。
背景技术
随着冶金企业生产能力的不断提高，高炉生产产生的高炉煤气量也不断增大。为进一步减少高炉煤气放散，合理利用能源，针对这一问题提出了解决方法，即通过技术改造实现了煤粉炉掺烧高炉煤气的目标，既节约能源，又减少了环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。
但在掺烧高炉煤气后，对煤粉炉产生了一系列的锅炉燃烧影响。原有的锅炉稳定性被打破，原有的控制方案不能很好的适应新的工况，且冶金行业煤气管网压力波动较大，这就导致掺烧后的煤粉炉大多数在手动运行；煤气管网压力波动大，手动操作不能满足蒸汽压力的稳定，直接影响发电效率；煤气管网压力的波动也很大程度影响进入炉膛的煤气量，进而影响煤粉炉一次风压力，造成给粉机给粉不稳定，堵粉和喷粉情况频发，影响锅炉运行安全和负荷稳定。
综上所述，为了降低操作人员的劳动强度，提高系统运行的稳定性和安全性，避免不必要的能源浪费，在煤粉炉掺烧高炉煤气锅炉领域，急需寻求一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，保证掺烧高炉煤气的煤粉炉负荷的稳定，一次风压力的稳定，实现一次风压的智能调节，含氧量的自动寻优，进而实现锅炉的节能环保运行。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，包括如下方案：（1）负荷控制回路的多目标协调控制：以主蒸汽压力为主控制目标，以高炉煤气压力为辅助控制目标，在保证锅炉负荷稳定的前提下，提高高炉煤气的使用率，以节约煤粉。用主蒸汽压力控制模块，计算需要的总燃料量设定值，根据能量平衡原理，以综合考虑的煤粉量和高炉煤气量的总燃料量作为测量值，根据煤粉量调节模调节，调节给粉机；另一方面，以高炉煤气压力为控制目标，根据高炉煤气压力安全范围区间，利用高炉煤气压力控制模块，调节高炉煤气阀门开度。（2）自适应一次风压力的送风控制及二次风门协调控制回路：提出自适应一次风压力概念，根据高炉煤气掺烧量的不同，自适应一次风压设定值，根据一次风压调节模块，调整送风机变频，保持一次风压力稳定在设定风压。在二次风门调整时，通过二次风门协调控制，同步调整送风机变频以保持一次风压不变。（3）含氧量控制回路：通过含氧量设定值与实际值比较，调整二次风门开度，保持含氧量实际值在设定值附近。其中，含氧量设定值通过含氧量自寻优功能，寻找满足最佳燃烧工况的含氧量，提高燃烧效率，实现节能降耗。
所述（1）中所述多目标协调控制，根据其控制目标的不同，采用解耦的的方法，将各自目标独立开来，再加以能量平衡算法，对其中一个目标进行补偿。
所述（1）中所述能量平衡，是根据高炉煤气热值、高炉煤气流量和煤粉热值，来计算出相同热值的煤粉量。增加或减少的高炉煤气量以同热值总量的煤粉减少或增加，达到稳定炉膛燃烧热值，稳定负荷的目标。
所述（2）中所述自适应一次风压的概念，是指在煤粉炉掺烧高炉煤气后，原来的一次风压力稳定会被打破，即当增加高炉煤气时，当送风机和二次风门不变的情况下，一次风压会增高，一次风速会增加，反之造成一次风压降低，一次风速减小的情况。针对这种情况，为保持一次风速稳定，就需要根据高炉煤气的流量调整一次风压，故采取自适应控制方案，使一次风压的设定值会随着煤气流量的变化而变化，从而保持一次风速的稳定，进而稳定炉膛燃烧工况，稳定负荷。
所述（3）中所述含氧量自寻优功能，是指手动设定的含氧量设定值，不一定就是最佳燃烧效果所需的含氧量，通过含氧量自寻优功能，寻找到最贴合当前工况的含氧量设定值，以提高燃烧效率，实现节能降耗。
本发明掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，采用上述技术方案，具有如下优点：（1）同时兼顾煤气压力安全和主蒸汽压力安全，在保证负荷平稳的前提下，尽可能多掺烧高炉煤气，达到节约煤粉的作用；（2）实现自适应一次风压力，在不同煤气流量下都能满足一次风速稳定，在稳定炉膛燃烧工况的同时也节约送风机电耗；（3）含氧量优化模型可寻优最佳燃烧效果所需含氧量，提高燃烧效率实现节能降耗；（4）大大降低了操作人员的劳动强度，提高了锅炉生产的稳定性和安全性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1负荷控制回路控制框图。
图2一次风控制回路控制框图。
图3 含氧量自寻优框图。
图4含氧量控制回路控制框图。
图5 掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明进行详细的描述。
如图所示，本发明中的优化控制方法在某冶金动力厂掺烧高炉煤气的煤粉炉进行现场应用，实现过程如下。
1、负荷控制回路（如图1）：负荷控制回路包括给粉机调节和煤气阀调节，给粉机调节采用三串级控制方式，一级为主汽压力调节主汽流量设定值，二级为主汽流量调节给粉量，三级为给粉量调节给粉机转速。通过主汽压力调节器设定需要控制的主汽压力，根据实际主汽压力和主汽压力设定值的偏差，通过主汽压力调节器，输出主汽流量补偿值；主汽流量调节器的设定值由主汽压力调节器的输出和主汽流量手动设定值两部份组成，主汽流量调节器根据主汽流量实际值与主汽流量设定值的偏差，调整给粉量设定值，给粉量调节器根据主汽流量输出值，高炉煤气流量前馈输出值、排粉机入口负压前馈输出值共同调整给粉机转速。
煤气阀调节采用串级控制方式，一级为煤气压力调节煤气流量设定值，二级为煤气流量调节煤气阀。通过煤气压力调节器设定需要控制的煤气压力，根据实际煤气压力和煤气压力设定值的偏差，通过煤气压力调节器，输出煤气流量设定值；煤气流量调节器根据煤气流量实际值与煤气流量设定值的偏差，调整煤气阀。
（1）负荷控制回路的主汽压力调节器：该模块采用PID控制算法、软伺服控制算法和观测控制算法，PID作用弱，软伺服作用强，观测作用弱，设主汽压力设定值为PZQ_SP，以PZQ_PV为测量值，模块的输出为PZQ_AV。
（2）负荷控制回路的主汽流量调节器：该模块采用PID控制算法和软伺服控制算法，PID作用稍弱，软伺服作用稍强，设主汽流量设定值为FZQ_SP，以FZQ_PV为测量值，模块的输出为FZQ_AV。
（3）负荷控制回路的煤粉流量调节器：该模块采用PID控制算法和软伺服控制算法，PID作用稍弱，软伺服作用稍强，设煤气流量设定值为FMF_SP，以FMF_PV为测量值，模块的输出为FMF_AV。
（4）负荷控制回路的高炉煤气流量平衡模块：通过热值平衡原理，将煤气改变了换算成煤粉量，煤气流量设定值MQ3_SP为刚切换到自动时，记录的当前高炉煤气流量MQ3_PV，煤气热值为MQRZ_PV，煤粉热值为MFRZ_PV，该模块的输出为MQ3_AV=MQRZ_PV*(MQ3_PV-MQ3_SP)/ MFRZ_PV。
（5）负荷控制回路的排粉机入口负压前馈前馈：排粉机入口负压设定值PFJ_SP为刚切换到自动时，记录的当前排粉机入口负压PFJ_PV，该前馈的输出为PFJ_AV=-K1*(PFJ_PV-PFJ_SP).其中K1=24。
（6）负荷控制回路的煤气压力调节器：该模块采用PID控制算法、软伺服控制算法，PID作用弱，软伺服作用强，设主汽压力设定值为PMQ_SP，以PMQ_PV为测量值，模块的输出为PMQ_AV。
（7）负荷控制回路的煤气流量调节器：该模块采用PID控制算法和软伺服控制算法，PID作用稍弱，软伺服作用稍强，设主汽流量设定值为FMQ_SP，以FMQ_PV为测量值，模块的输出为FMQ_AV。
2、一次风控制回路（如图2）：一次风压力调节器根据一次风压力设定器与一次风压力测量仪表测得的实际值的偏差，调整送风机开度。其中一次风压力设定器的作用是根据高炉煤气流量测量仪表测得的实际值设定对应的一次风压力。二次风门开度前馈的输出是与一次风压力调节器共同调整送风机开度。
（1）一次风控制回路的一次风压力调节器：该模块采用PID控制算法和软伺服控制算法，PID作用弱，软伺服作用强，设一次风压力设定值为P_SP，以P_PV为测量值，模块的输出为P_AV。
（2）一次风控制回路的自适应一次风压力模块：一次风压力设定值首先根据当前煤气量MQ1_PV 的值确定。即煤气流量MQ1_PV为{0，1，2，3，4，5}，单位是万Nm3，对应一次风压力PYCF_SP为{2.6，2.5，2.4，2.3，2.2，2.1}，单位是kPa，即当煤气流量为0万Nm3时，一次风压力设定值为2.6kPa。同时根据一次风风速优化一次风压力设定值。
（3）一次风控制回路的二次风门开度前馈：二次风门开度设定值为QKECF_SP为刚切换到自动时，记录的当前二次风门开度QKECF_PV，该前馈的输出为QKECF_AV=K1*(QKECF_PV-QKECF_SP).其中K1=0.1。
3、含氧量控制回路（如图4）：含氧量调节器根据含氧量优化控制器与含氧量测量仪表测得的实际值的偏差，调整二次风门开度。其中含氧量优化控制器的输出是含氧量设定值。煤气量修正前馈的输出是与含氧量调节器共同调整二次风门开度。含氧量纠偏是在烟道两侧含氧量出现较大偏差时，分别调整对应的二次风门开度，纠正烟道两侧含氧量偏差。
（1）含氧量控制回路的含氧量调节器：该模块采用软伺服控制算法，设含氧量设定值为O2_SP，以O2_PV为测量值，模块的输出为O2_AV。
（2）含氧量控制回路的含氧量优化控制器：自动寻优煤粉炉最佳燃烧效果所需的含氧量作为含氧量调节器的设定值，如图4，步骤如下：
首先设定寻优的步长SOP=ΔFA=γ*FA（γ的取值范围1%~2%），其中FA为当前含氧量控制点，允许误差ε，ε的取值范围为1~2，计数器n=0。
S1:优化控制器运行标志设置为ON，1~2分钟后记录一个优化目标函数值J1。
S2:选择增加含氧量控制点，置n=n+1，含氧量设定值增量为设置的步长n*SOP，输出含氧量设定值到含氧量控制器；修改当前的含氧量，转向S8。
S3:如果J2>J1时,说明寻找的方向正确，继续沿着这个方向寻找，把J2的值赋给J1，转向S2；如果J2<J1时，判断是不是第一次寻优，即n是否等于1，如果n=1时，则说明寻找方向错误，转向S4。如果n≠1时，且∣J2-J1∣<ε时，则当前含氧量为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF。如果n≠1时，且∣J2-J1∣>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向S2。
S4:选择增加含氧量，置n=n+1，含氧量设定值增量为设置的步长n*（-SOP），输出含氧量设定值到含氧量控制器；修改当前的含氧量，转向S8。
S5:如果J2>J1时，说明寻找方向正确，继续沿着该方向寻找，把J2的值赋给J1，转向S4。
S6:如果J2<J1时，且∣J2-J1∣<ε时，则当前含氧量为最佳状态，本次寻优结束，优化控制器运行标志设置为OFF。
S7:如果J2<J1时时，且∣J2-J1∣>ε时，则变步长寻找置SOP=-0.25*SOP，转向S2。
目标函数值计算，以动态响应后的稳态实时过程测量值，按优化目标函数计算目标函数值J2。即优化输出作用到装置后的一段时间后开始计算，时间取决于过程的动态响应时间，一般取2~3分钟。返回原来的转过来的位置。
（3）含氧量控制回路的煤气量修正前馈：煤气量设定值MQ2_SP为刚切换到自动时，记录的当前煤气量MQ2_PV，该前馈的输出为MQ2_AV=K1*(MQ_PV-MQ_SP).其中K1=0.001。
（4）含氧量控制回路的含氧量纠偏：该模块采用软伺服控制算法，设含氧量设定值为O2E_SP，以O2 E _PV为测量值，模块的输出为O2 E _AV。O2 E _PV为烟道两侧含氧量的差值，即当差值大于设定值到一定范围时，增加一侧二次风门开度同时减小另一侧二次风门开度。
在煤气发生变化时，负荷控制回路、二次风控制回路、送风控制回路协同工作，在保证负荷平稳的同时，保持合理的一次风压和含氧量，保证锅炉安全经济运行。
由以上三个控制回路协同工作（如图5），实现了掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制。
Claims (5)
1.一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，其特征在于包括如下：
（1）负荷控制回路的多目标协调控制；（2）自适应一次风压力的送风控制及二次风门协调控制回路；（3）自寻优二次风控制回路。
2.根据权利要求1所述的一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，其特征在于所述（1）中负荷控制回路的多目标协调控制，是以主蒸汽压力为主控制目标，用主蒸汽压力控制模块，计算需要的总燃料量设定值，根据能量平衡原理，以综合考虑的煤粉量和高炉煤气量的总燃料量作为测量值，根据煤粉量调节模调节，调节给粉机；另一方面，以高炉煤气压力为辅助控制目标，根据高炉煤气压力安全范围区间，利用高炉煤气压力控制模块，调节高炉煤气阀门开度。
3.根据权利要求1所述的一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，其特征在于所述（1）中所述多目标协调控制，根据其控制目标的不同，采用解耦的的方法，将各自目标独立开来，再加以能量平衡算法，对其中一个目标进行补偿；所述能量平衡，是根据高炉煤气热值、高炉煤气流量和煤粉热值，来计算出相同热值的煤粉量。
4.根据权利要求1所述的一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，其特征在于所述（2）自适应一次风压力的送风控制及二次风门协调控制回路，是根据高炉煤气掺烧量的不同，自适应一次风压设定值，根据一次风压调节模块，调整送风机变频，保持一次风压力稳定在设定风压；在二次风门调整时，通过二次风门协调控制，同步调整送风机变频以保持一次风压不变。
5.根据权利要求1所述的一种掺烧高炉煤气的煤粉炉智能燃烧优化控制方法，其特征在于所述（3）自寻优二次风控制回路，通过含氧量设定值与实际值比较，调整二次风门开度，保持含氧量实际值在设定值附近；其中，含氧量设定值通过含氧量自寻优功能，寻找满足最佳燃烧工况的含氧量。
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