西门子模块6ES7515-2UM01-0AB0安装调试
1 引言
锅炉燃烧控制系统中送风调节系统的作用是保证进入炉膛的燃料充分燃烧，以达到高燃烧效率。目前大机组一般采用以氧量为被调量的间接比值控制策略，文献[1]指出该策略虽简单易行且具有一定的动态修正能力，但存在一些问题。如：在应用中经常将非线性关系的优风煤比和负荷简化为线性关系的负荷单一函数；未考虑不同煤种和煤粉的特性；只在机组调试特定工况下计算出优风煤比，未考虑机组机械部件老化磨损、烟道泄漏等情况。
为了解决上述问题，许多学者提出了新的风煤比寻优方法，但都过于注重提高燃烧效率，未顾及减小氮氧化物排放的问题[2-4]。燃烧过程中影响燃烧热效率和污染物排放量的因素大部分相同，但其具体要求往往是矛盾的。本文兼顾燃烧效率和氮氧化物排放两个指标，在研究两者响应模型的基础上，应用神经网络建立电站锅炉燃烧特性模型，实现燃烧热效率和污染物排放量的预测，然后采用遗传算法寻找烟气佳含氧量，实现锅炉燃烧优化控制。
2 送风控制系统结构及优化方案设计
目前大机组一般采用以氧量为被调量的间接比值控制方案，如图1所示氧量－空燃比串级系统。为了使锅炉适应负荷的变化，必须同时改变送风量和燃料量。这种方法是燃料量随负荷变化，空气量通过风煤比跟随燃料量的变化，同时因给煤量测量不准确，为保证锅炉处于充分燃烧状态，增加了送风调节回路的烟气含氧量作串级校正。
图1 氧量－空燃比串级控制系统结构
图2 利用遗传算法进行含氧量寻优结构框图
如图2所示，采用遗传算法寻找烟气佳含氧量的设定值，校正风煤比，从而实现锅炉的高效低污染燃烧。遗传算法实施过程中所需要的对燃烧效率、氮氧化物排放量的预测由神经网络实现。应用遗传算法进行佳含量的计算，调整烟气含氧量的给定值，使锅炉效率和污染物的排放量达到优。在保证燃烧率的前提下，减少、氮氧化物排放量，采用的适应度函数为:
j = a× ( eff–effc ) + b ×( [nox]c–[nox] ) (1)
上式中：eff —锅炉理想燃烧效率，一般取设计值；effc —实际燃烧效率，取神经网络输出值；[nox]c —实际氮氧化物排放量，取神经网络的输出值；[nox]—氮氧化物排放的低值或理想值；a、b —两项输出值的加权系数，数值取决于效率和排放的各自比重。
3 锅炉燃烧的神经网络建模
电站锅炉燃烧系统是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，采用常规方法建模具有相当大的难度，而神经网络具有很强的非线性映射能力，故采用神经网络对燃烧过程建模。本文利用文献[5、6]提供的燃烧特性试验结果，建立锅炉燃烧的神经网络模型。燃烧特性试验共进行了12组实验工况，实验特性数据见表1。
表1 锅炉燃烧特性工况表
电厂锅炉燃烧系统是一个复杂的能量转换、传递的过程，影响其燃烧效率、氮氧化物排放量的因素很多，通过分析锅炉的燃烧特性，结合燃烧特性试验结果，选择影响燃烧效率和氮氧化物排放量的8个主要因素，即：燃料量、送风量、氧量、锅炉进风温度和排烟温度温差、煤种特性的低位发热量q、基炭car、氧oar、氮nar作为神经网络的输入，以燃烧热效率effc和氮氧化物排放量[nox]c作为神经网络输出，建立神经网络模型。
4 仿真实验
4.1 燃烧过程建模仿真
为使神经网络各输入参数所起的作用大致相同，需要先对输入数据进行归一化处理。结合锅炉燃烧特性，建立了具有8输入、2输出的bp神经网络模型，神经网络的隐层采用对数s型函数，输出采用线性函数，网络模型计算结果如表2所示。
表2 网络模型预测结果
对于前10组训练样本，网络的输出值与实测值十分接近。对非训练的第11组和第12组输入参数，神经网络对锅炉燃烧热效率和氮氧化物排量预测的相对误差分别(0.1455%，0.6003%)、(0.0862%，2.9494%)，预测的相对误差很小，网络具有很好的泛化能力，可以作为进行燃烧热效率和氮氧化物排量预测的模型。
图3 燃烧过程神经网络模型
4.2 应用遗传算法计算优含氧量
遗传算法采用二进制编码策略，种群规模为40，编码长度为20，选择代沟为0.9，交叉概率为0.7，氧量的变化范围取为3%～5%，适应度函数采用式(1)，根据表1的实验特性数据，取理想燃烧效率eff为样本效率的大值94.2%，理想氮氧化物排放值[nox]为样本小值686 mg/m3。由于锅炉燃烧热效率和氮氧化物排放量误差的数量级不同，为了限制氮氧化物排放量误差过大影响种群进化的方向，对他们数量级进行修正，同时兼顾两者优化的比重，式(1)中系数a、b分别设置为12和0.1。从表2中可以看到，工况4的氮氧化物排量高，故选择工况4做仿真优化，仿真图见图(4)～图(6)，优化结果与实际值比较如表3所示。从对比结果可见，通过对氧量给定值的优化，系统在燃烧效率轻微降低的情况下，氮氧化物的排量明显降低。
图4 氧量值随进化次数的变化曲线
图5 热效率随氧量的变化曲线
图6 氮氧化物排放量随氧量值的变化曲线
表3 优化前后的燃烧率与氮氧化物排放量
从表3中遗传算法优化得到的数据与实际炉测量值相比可见：随着氧量值增大，燃烧效率有所降低，锅炉的氮氧化物排放量明显降低，表明用优化氧量给定值的燃烧控制系统能在保证燃烧效率变化不大的情况下降低污染物的排放。从图(4)可以看出，遗传算法到20代的时候就已收敛，而且整个优化过程能在几秒种内完成，可以满足燃烧工况变化时的实时优化计算。从图(5)和图(6)可以看出，在一定的范围内，锅炉热效率和氮氧化物的排放都随着烟气含氧量变大而增高，这就要求目前在对环保重视程度日益提高的情况下，不能片面追求锅炉燃烧效率的提高。
上述优化过程中，可以通过调节适应度函数式(1)中权值a、b的变化，实现燃烧效率和氮氧化物排放的不同侧重目标的优化，也可以兼顾两者，实现整体优化。
1 引言
钢包烘烤是炼钢生产出钢水前的一道重要工序，其烘烤的效果关系到下道工序生产能否顺畅，乃至产品质量的好坏。传统烘烤器通常采用轻柴油、焦炉煤气作为燃料(高炉煤气热值低，传统烘烤器无法达到烘烤温度要求)，其燃烧排放的烟气温度高达800℃，并且直接排放在车间内，不但能耗高，而且造成车间的空气污染以及环境热污染，危害了工人身体健康。新型蓄热式燃烧技术具有结构紧凑、节能效果显著的特点，使其钢包烘烤器上的应用成为可能。
国内钢铁企业长期以来采用传统的套筒烧嘴，以自产的低热值煤气为燃料对钢包进行烘烤。由于煤气热值较低，直接使用热效率不高，钢包烘烤效果不理想，表现在烘烤速度慢、钢包壁温度不均匀，煤气消耗量大、生产成本高。
近年来，济钢第三炼钢厂为了降低煤气消耗和改善钢包烘烤工艺，钢包烘烤采用了蓄热式燃烧技术，已经取代传统的套筒式钢包烘烤装置。蓄热式钢包烘烤装置以蜂窝体为蓄热材料来回收烟气余热，同时预热助燃空气。生产实践和测试结果表明，蓄热式钢包烘烤装置操作灵活、热能利用率高，满足了济钢三炼钢现场条件及钢包快速烘烤的要求。该钢包烘烤装置投入使用几年来，运行平稳可靠，烧嘴热效率高，煤气耗量大幅度降低，钢包烘烤终点温度提高，出钢温度明显下降，达到了预期效果。
2 系统原理及特点
2.1系统原理
蓄热式燃烧系统由蓄热式烧嘴、供风助燃系统、换向阀及自动控制系统构成，如图1所示。
图1 蓄热式燃烧系统原理图
该燃烧系统由两个蓄热式烧嘴组成，交替工作，即1#烧嘴燃烧时，2#烧嘴组织排烟，产生的热烟气流经2#烧嘴的蓄热体排出，烟气在经过蓄热体时，产生热交换，使蓄热体温度上升，烟气温度下降。经过一段时间后(一般为20～30s)，换向阀换向，2#烧嘴燃烧，1#烧嘴组织排烟，2#烧嘴所需的助燃空气流经蓄热体时，产生热交换，温度升高，蓄热体温度下降，燃烧产生的热烟气经由1#烧嘴装置的蓄热体排出，加热1#烧嘴的蓄热体，烟气温度下降。在此燃烧过程中，高温空气与燃料边混合边燃烧，混合过程中大量炉内烟气参与进行，使氧气和燃料浓度降低，低浓度高温反应可实现低nox生成。因此，燃料得到充分燃烧，烟气排放有害成分浓度大大降低，排放烟气温度下降至140℃～180℃ ，这正是传统燃烧技术所不能解决的。由于蓄热体的阻力损失比较大，自然排烟的难度较大，烟气的排出须依靠引风机提供动力。如此周而复始，交替运行，整个过程采用自动控制。
2.2 结构特点
济钢蓄热式钢包烘烤系统构成如图2所示，主要由蓄热室、钢包盖、鼓风机、引风机、换向阀、调节阀及西门子s7-200plc等部分组成。利用包内燃烧废气的余热加热煤气和助燃空气，使其温度达到1000℃以上，大幅度提高了煤气的理论燃烧温度，从而使钢包升温加快。同时该烧嘴在喷口处采用特殊结构，空气、煤气混合均匀，燃烧稳定。该烧嘴燃烧后的废气借助引风机由交替使用的烧嘴经蓄热室换热后引出，使包内压力可调，并延长了包盖的寿命。
图2 蓄热式钢包烘烤系统
蓄热式烤包器采用垂直升降式包盖。烧嘴和包盖采用固定联接，包盖和烧嘴的垂直升降距离和升降速度均可调。由于包盖升降需要，烧嘴和空气、煤气管道采用金属软管联接。此套设备具有安全可靠，结构紧凑，安装简单，性能良好等优点。
2.3 自动控制系统
为了保证钢包烘烤器的稳定运行，济钢蓄热式钢包烘烤燃烧系统采用西门子s7200plc，其系统示意图如图2所示，按照工艺过程和控制要求设计，编程软件采用西门子step7 编程软件。
整个软件系统包括手动操作、自动运行、系统启动、系统停止、温度控制、系统监测、故障报警及处理等程序，其中温度控制程序又包括低温加热、中温加热、高温加热、保温加热等子程序。程序设计采用结构化设计方法，操作顺序分明，以便现场调试和以后的扩充与修改。蓄热式钢包烘烤装置的plc控制框图如图3所示。
图3 蓄热式烘烤器plc 控制流程图
3 工艺控制性能分析
钢包烘烤器的性能评价指标主要是钢包烘烤的升温速度和加热均匀性。为了得出蓄热式钢包烘烤装置的热工特性，我们对济钢第三炼钢厂120t蓄热式钢包烘烤装置的热工特性进行了测试，测试结果如表1、图4所示。
表1 蓄热式钢包烘烤装置的热工测试结果
图4 蓄热式钢包烘烤装置的热工测试曲线
测试表明，在该生产条件下，平均每分钟升温15.9℃ ，包壁温度基本上是均匀的，能满足钢包快速、均匀烘烤的需要。经验指出：如果钢包盖距离包沿距离较大，大量的烟气从缝隙中跑出，烟气的余热得不到很好的回收，烘烤速度不高，烘烤效果不理想。若把包盖往下放，使包盖与包沿间的距离适当降低(约至200mm左右)，效果更好。
4 结束语
将高温空气燃烧技术应用于钢包烘烤，可以预热助燃空气，提高燃料理论燃烧温度，使得钢包内气体温度大幅度提高而且温度分布均匀，因而钢包烘烤速度加快。有利于缩短钢包的烘烤时间，可加快钢包周转、提高钢包使用次数。在相同的烘烤时间内，包衬终点温度升高，各点的温度偏差降低。气体预热的温度越高，包衬终点温度越高，温度均匀性也越好。包盖与包沿间的距离对钢包的烘烤效果影响较大，为了保证烘烤质量，应降低包盖与包沿间的距离。