湯梅

（馬鋼股份有限公司 安徽馬鞍山 243000）

1 前言

鋼鐵企業(yè)所用燃煤鍋爐具有復雜的結構和其慣性大，反應慢的動態(tài)特性，其參與的控制系統(tǒng)多存在滯后、非線性的特點［1-3］。

為了降低鋼鐵廠中鍋爐運行投入與減少污染物的排放，開展燃煤鍋爐燃燒過程的優(yōu)化控制技術研究，對企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益具有重要意義。目前鋼鐵廠對鍋爐燃燒的調整大都是依賴傳統(tǒng)的控制方式，一方面，傳統(tǒng)控制技術在復雜系統(tǒng)的運用上仍存在許多不足，另一方面，由于檢測裝置的不精確性，使得風煤配比更難控制。如果僅憑借操作人員的經(jīng)驗來判斷鍋爐燃燒狀況，很容易導致鍋爐在不合理的配風情況下運行，造成燃燒火焰不穩(wěn)定、局部未燃盡而結焦及風管堵塞煤粉等現(xiàn)象，機組的安全運行與燃燒經(jīng)濟性受到嚴重破壞［4］。因此，合理地調整風煤比來對鍋爐燃燒工況進行優(yōu)化，確保燃燒過程始終處于最佳配比燃燒狀態(tài)，進而達到提高鍋爐燃燒熱效率和降低污染物排放的目的。

2 鍋爐燃燒過程簡介

鍋爐燃燒的基本任務包括：不僅要提供足夠的熱量，能夠快速滿足外網(wǎng)負荷的需要，還要保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐穩(wěn)定運行的安全性［5］。因此，燃燒系統(tǒng)應包括三個調節(jié)任務：跟蹤負荷響應，調節(jié)最佳空燃比，保持爐膛負壓不變。鍋爐燃燒系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒系統(tǒng)圖

在配風系統(tǒng)中，根據(jù)對燃燒過程的作用不同，進入爐膛的空氣被分為一次風和二次風。其中，將煤粉送進燃燒器的空氣稱為一次風，主要作用是：防止煤粉堵塞管道并將其吹進爐膛以及提供著火初期所需的氧氣。為了對鍋爐進行合理配風，一次風首先要滿足運送煤粉的要求，即不能使管道堵塞煤粉，然后是為煤粉燃燒提供氧氣。當煤粉混合物被點燃時，進入爐內的空氣稱為二次空氣。其主要功能是為煤粉的連續(xù)燃燒提供氧氣。并對混合煤粉進行攪動使其均勻?；旌厦悍酆投物L在爐膛中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生的煙氣在引風機的作用下通過煙道，中途依次與過熱器、再熱器、空氣預熱器、除塵器等裝置接觸而發(fā)生熱量交換，以提高鍋爐燃燒熱效率。

3 配風優(yōu)化的數(shù)學建模

3.1 理論空氣量計算

理論風量等于碳、氫、氧和硫元素的質量百分比與對應過剩空氣系數(shù)的乘積。即

其中，Vth為理論空氣量，不是特別說明的情況下，一般是指標準狀態(tài)下的體積，以下符號的說明亦是如此；mC、mH、mO、mS分別為燃煤中元素C、H、O、S的質量百分比。由于化驗室分析燃煤中還存在其他元素，那么氧元素和硫元素的含量的測量值就存在計算誤差，故上述計算公式不能適用。這里采用的是利用煤粉低位熱值［16］計算理論空氣量的方法。

其中：Vth—理論空氣量，m3／kg；

daf—低位發(fā)熱量與理論空氣體積的轉換系數(shù)，m3／kJ；

Qd—低位發(fā)熱量，kJ／kg。

根據(jù)當前的煤粉總流量，可以得到一共所需理論空氣的體積為

其中：mfs—鍋爐消耗的總煤粉流量，kg／h；

Vthc—燃燒所需的空氣體積，m3／h。

以上計算公式均是基于標準實驗條件下得到，實際需要的空氣量往往大于理論值。實際中所需空氣體積Vsj的計算如下：

其中，1.25為過剩空氣系數(shù)。

3.2 風速計算

現(xiàn)場應用中，標準狀態(tài)下的空氣體積還需要轉化成當前狀態(tài)下的空氣體積：

式中：pa—標準狀態(tài)下的空氣壓力，Pa；

va—標準狀態(tài)下的空氣體積，m3；

ta—標準狀態(tài)下的空氣溫度，℃；

pb—當前工作狀態(tài)下的空氣壓力，Pa；

vb—當前工作狀態(tài)下的空氣體積，m3；

tb—當前工作狀態(tài)下的空氣溫度，℃。

已知標準狀態(tài)下的大氣壓為101325Pa，溫度是20℃，在實際計算中，要將攝氏度轉化為開爾文，即要將溫度的數(shù)值加上273.15.一、二次風的空氣膨脹系數(shù)計算如下：

式中：fw1—一次風與煤粉混合前的風溫，℃；

fy1—一次風風管的分風壓，kPa。

式中：fc1—一次風風速的理論值，m／s；

fc2—二次風風速的理論值，m／s；

S1、S2分別為一、二次風風管截面積。

3.3 含氧量計算

鍋爐系統(tǒng)中存在許多重要參數(shù)，其中最典型的是煙氣含氧量。幾乎所有與鍋爐相關的研究課題，都會涉及到含氧量的計算。憑借著與風煤配比的密切關系，分析鍋爐的燃燒經(jīng)濟性時，要將其考慮進去。國內許多大型煤粉鍋爐大多通過檢測煙氣含氧量來獲知爐膛中煤粉的燃燒狀況，再調整風煤配比，實現(xiàn)對燃燒狀況的優(yōu)化［6-7］。

目前，國內許多鋼鐵企業(yè)中，測量煙氣含氧量的儀表存在以下問題：鍋爐生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣使得儀表運行不穩(wěn)定，鍋爐設備群存在信號傳輸延遲，造成測量不及時，鍋爐不能停產(chǎn)而使得檢修工作困難等，因此對煙氣含氧量測量的優(yōu)化有待進一步提高。直接測量法在測量煙氣含氧量施展不開時，可以從鍋爐的輸入輸出關系切入。因此本課題采用間接測量法來測煙氣含氧量。進入鍋爐的風量和煤量決定了鍋爐排放的煙氣含氧量，則間接測量法的關鍵是，獲得入爐煤粉總流量和入爐總風量。通過專門設備計量入爐煤粉總流量和采用送風機的轉速特性計算入爐的總風量。下面是對煙氣含氧量的計算推導：

其中：V2—進入爐膛的總風量，m3；

V1—送風機的額定出力，m3；

r2—送風機的實際轉速，r／min；

r2—送風機的額定轉速，r／min。

將當前狀態(tài)下的風體積轉換為標準狀態(tài)下的體積，

式中：P2—當前狀態(tài)下的壓力，Pa；

V2—當前狀態(tài)下的體積，m3；

T2—當前狀態(tài)下的溫度，℃；

P0—標準狀態(tài)下的壓力，Pa；

V0—標準狀態(tài)下的體積，m3；

T0—標準狀態(tài)下的溫度，℃。

煤粉燃燒所產(chǎn)生的總熱量為

式中：Q0—輸入鍋爐的總熱量，KJ；

F—當前煤粉的總流量，m3；

F1—煤粉中未完全燃燒煤粉的量，即除去飛灰中未燃燒的量，m3；

Qd—煤粉的低位熱值，kJ／kg。

鍋爐的煙氣含氧量（%）為

3.4 模型回歸

為了保證獲得的模型精確性，原始數(shù)據(jù)不光具有確定數(shù)學模型的用途，還可以用來驗證所得數(shù)學模型的準確性。借助這種原理，將預處理完成的數(shù)據(jù)樣本分為兩部分：一部分通過最小二乘法的線性回歸來建模，另一部分用來校驗模型的精度，反復試驗也可以降低誤差的影響，不斷提高所建模型的準確度。模型的建立和校驗分別如圖2和圖3所示。

最終確定的煤粉密度與熱值的模型為

其中：Qd—低位發(fā)熱量，kJ／kg；

md—煤粉的密度，kg／m3。

4 燃煤鍋爐的仿真

爐膛燃燒過程連續(xù)且復雜，MATLAB中的Simulink工具庫，能夠對線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)等仿真分析，且便捷建模，能處理像爐膛燃燒模塊中包括微分方程、差分方程等表述的動態(tài)系統(tǒng)。以10t／h的煤粉鍋爐為仿真對象，需考慮的主要規(guī)格參數(shù)如表1所示。

圖2 煤粉密度與熱值模型的建立

圖3 煤粉密度與熱值模型的驗證

表1 鍋爐相關規(guī)格參數(shù)

表2 輸入輸出改取值

針對爐膛燃燒模塊，其輸入項、狀態(tài)變量項以及輸出項如下（詳見表2）：

輸入項：wc、wa、wz、ha、hz；

狀態(tài)變量項：pg、（pghg）

輸出項：wg、Tg、Qrad。

從仿真結果圖4可以看出，爐膛出口煙氣起始溫度是920℃，可判斷出此溫度是煤粉燃燒的燃點。隨著燃燒的進行，釋放的熱量增加，溫度逐漸升高。經(jīng)過一段時間后，燃燒趨于穩(wěn)定，爐膛出口煙氣溫度穩(wěn)定，穩(wěn)定值為1046℃。如果更進一步分析，可以算出其中包含的排煙熱損失。

5 結語

通過計算理論空氣量，計算出相應的風門開度和鍋爐煙氣含氧量，分析了部分工況下的配風修正，最后給出煤粉計量及煤質的在線估計，建立煤粉密度與熱值模型。選用 MATLAB 中的Simulink仿真工具，對爐膛燃燒模塊進行仿真，得到爐膛出口煙氣溫度隨時間變化曲線的仿真結果，結果表明具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖4 爐膛出口煙氣溫度隨時間變化曲線