1、工藝原理及主要控制系統
包鋼熱電廠220 t/h純燒煤氣鍋爐工藝流程如圖1所示，主要包括燃燒系統和汽水系統兩大部分。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生系統，產生的飽和蒸汽經汽包內的汽水分離器進行分離，分離出的水經下降管送到水冷壁管繼續加熱，分離出的飽和蒸汽經過過熱器（包括一級過熱器和二級過熱器）后，被加熱成符合規定溫度和壓力要求的過熱蒸汽并匯集至蒸汽母管，然后經蒸汽管道送往汽輪機做功。與此同時，燃料燃燒所產生的高溫煙氣經過過熱器后，還要經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。
該鍋爐的控制系統主要包括：
a．汽包水位控制系統。由于鍋爐容量較大，為了有效克服虛假水位現象，采用三沖量控制系統。
b．過熱蒸汽溫度控制系統。為了將過熱蒸汽出口溫度維持在允許的范圍之內，設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，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，被控變量為第二級過熱器出口蒸汽溫度。
c．燃燒控制系統。該系統包括蒸汽壓力控制、爐膛負壓控制、空燃比控制及最佳煙氣含氧量優化設定等。
由于該鍋爐的燃料為高爐煤氣，在煤氣熱值相對穩定的情況下，燃燒自動控制是比較容易實現的，這與燃煤鍋爐有很大的區別。
2、DCS控制系統總體方案
該鍋爐采用美國FOXBORO公司的I/A se-ries DCS控制系統，硬件系統總體結構如圖2所示。本系統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，可以實現數據采集、積算處理、模擬量控制，邏輯控制、順序控制及報警等功能。
根據鍋爐的測控點數及信號類型，并考慮一定的冗余比，整套DCS控制系統所需I/O組件見表l。
軟件系統主要包括系統管理軟件、操作員接口軟件、控制處理機應用軟件、功能塊訪問軟件、設備監視軟件、系統監視軟件、歷史數據庫管理軟件及報表軟件等，主要完成數據采集、數字濾波、標度變換、控制計算、控制輸出、參數顯示、曲線顯示、PID參數修改及報表打印等功能。
3、燃燒過程控制方案優化
鍋爐燃燒控制的基本任務是使燃料燃燒所產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濟燃燒和安全生產的要求。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，這需要根據蒸汽負荷變化適時調整燃料量的大小；
b．保證經濟燃燒，即維持最佳的空燃比；
c．維持爐膛負壓基本穩定，以保證安全、經濟運行。
燃燒自動控制系統包括熱負荷、送風量和引風量3個調節回路，系統設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。
實現鍋爐燃燒自動控制的關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，這也就導致燃煤鍋爐燃燒自動控制系統穩定運行的前提條件并沒有得到滿足，燃燒自動控制系統不能投入正常運行。對于純燒煤氣鍋爐，煤氣流量檢測技術及儀表已非常成熟，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是能夠投入正常運行的。
燃燒控制系統有多種方案，如串級比值控制系統、單交叉控制系統及雙交叉限幅控制系統等，同時，也可在PID控制規律的基礎上，將先進控制算法引入其中，以進一步改善控制品質。串級比值控制系統屬于基本控制方案，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生煤氣燃燒不充分的現象。為此，可采用改進型的單交叉控制系統（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（圖4），HLM和LLM分別為高限限幅器和低限限幅器。該系統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邏輯比值功能，使空燃比在動態或靜態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，一般根據煙氣含氧量去校正空燃比，而煙氣含氧量的最優值又與鍋爐的負荷有關，所以，應根據鍋爐負荷校正煙氣含氧量調節器的設定值，再由煙氣含氧量調節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，進而實現燃燒過程的最優化控制。該方案在I/A series DCS系統中是很容易實現的。
4、結束語
鍋爐燃燒自動控制一直是業內關注的重點，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系統的成功應用，為燃燒自動控制和優化控制提供了必要的條件。目前，影響該系統運行質量的主要因素是煤氣壓力和煤氣熱值的波動，而檢測與控制技術本身沒有太大問題。對于優化控制，除了以上所述方案之外，還可把軟測量技術和數據融合技術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，用其取代傳統的氧量計，進而實現燃燒優化控制，同時還可應用于設備故障診斷等領域。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點，富通新能源不但生產銷售生物質鍋爐，而且還大量銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料，生物質顆粒燃料主要由木屑顆粒機壓制生產而成。
