锅炉低负荷节能运行研究与应用

郑磊 杨馥宁(中原油田普光分公司天然气净化厂，四川 达州 636156)

0 引言

锅炉是提供热能动力的重要设备，被广大化工生产企业使用。但在实际生产中，特别是装置内自产蒸汽可以满足正常需求的情况下，动力站锅炉负荷会持续下降。考虑到装置批处理、汽驱机组启停等因素，为保证蒸汽管网压力，经常需要至少一台锅炉保持低负荷运行。

某动力站共有三台75t/h中压蒸汽锅炉，其中A炉为燃油燃气蒸汽锅炉，B/C为燃气锅炉。三台锅炉向联合装置提供3.82MPa、410℃中压蒸汽。

1 现状

201 3 年动力站锅炉低负荷运行工况下，锅炉单位蒸汽平均耗气量116.7方燃料气/吨蒸汽，始终高于厂达标值110方燃料气/吨蒸汽。2013年6至12月份，动力站锅炉单位蒸汽耗气量统计如下图1所示。

图1 2013年6-12月动力站锅炉单位蒸汽耗气量

2 原因分析

锅炉燃烧放热反应式如下:

根据反应式(1)，甲烷与氧气按照1∶2反应，放出的热量最多，被尾气带走的热量最少，锅炉热效率达到最高。考虑到其他方面的影响，总结了以下5个影响蒸汽单耗的末端因素。

2.1 原料因素

动力站锅炉用燃料气为自产净化气，气质指标优于国家二类气指标，完全满足商品气质量要求，气质稳定。锅炉水通过除氧器加热后进入锅炉，炉水温度稳定。因此认定为非要因。

2.2 烟气排烟温度

烟气排烟温度低表明锅炉排烟损失小，但一般排烟温度不得低于水的露点温度，以免腐蚀炉体及烟囱。排烟温度与锅炉自身的技术水平和使用过程中的负荷率密切相关[1]，动力站锅炉负荷受全厂蒸汽管网自产蒸汽量制约，属于被动调整。排烟温度受锅炉负荷影响，因此认定为非要因。

2.3 炉体外表面散热损失

炉体热损失与保温工艺措施和环境温度相关，炉体表面温度越接近环境温度证明炉体散热损失越小，根据现场调研发现，锅炉保温设施良好，环境温度属于不可控因素，因此认定为非要因。

2.4 锅炉负荷低

理论上，锅炉负荷越接近设计值，单位蒸汽耗气量越低，而实际生产中，动力站锅炉长期处于低负荷运行，因此负荷低是锅炉单位蒸汽耗气高的原因之一。但是在保证全厂正常生产的前提下，锅炉负荷都是被动调整，因此认定为非要因。

2.5 燃料气配风

受装置非正常开停工、批处理(上游来气量波动)、汽驱启停等工况影响，动力站锅炉负荷波动频繁，需要及时准确的对风量、燃料气量、锅炉产气量及炉膛压力等参数进行调整。风量调整通过操作人员手动控制，由于烟气中没有CO分析仪，操作人员只能凭借经验控制风量，为保证甲烷完全燃烧，风量都有一定裕度。因此，及时准确的控制燃料气风量是影响单位蒸汽能耗的要因。

经现场实际统计，在燃料气流量一定的情况下，烟气中含氧量越高，锅炉的单位蒸汽能耗越高。单位蒸汽能耗与烟气含氧量的关系表如表1。

表1 单位蒸汽耗气与烟气氧含量变化关系表

3 改进措施及效果

3.1 在线监测烟气中O2和CO含量

①预制CO传感器配套法兰，并安装在烟气合适位置；

②制作固定支架，检验合格后将CO传感器、控制箱和氧量传感器、控制箱装入支架内；

③完成CO传感器电缆铺设调试；

④采集信号接入到燃烧管理及效率自动控制系统。

3.2 新增一套燃烧管理及效率自动控制系统(BMS-ET/HA系统)

增加一套BMS-ET/HA控制系统，根据在DCS系统上设定的锅炉负荷(燃气流量信号)、烟气含氧量及CO含量、炉膛负压在线监测结果实现对风量的自动调整功能[2]，完成锅炉的炉膛负压控制及含氧量控制。

(1)主蒸汽调节控制

根据现场锅炉中压蒸汽主汽压力，实时监测燃料气流量，对燃料气调节阀进行自动调整，确保燃料气供气量随着主蒸汽压力波动而调整，使燃料气的供气量实时与中压蒸汽压力相适应，控制方式如图2。

图2 蒸汽调节控制图

(2)烟气氧含量控制

利用现场有的氧含量检测设备并在烟箱合适的位置安装CO在线监测装置，实时监测烟气氧含量和CO变化情况，对鼓风机频率进行自动修正，调节送风量，确保进入炉膛的所有可燃物完全燃烧的同时，又最大限度地降低过剩空气量，减少排烟损失热量[3]，控制方式如图3。

图3 烟气氧含量控制图

(3)炉膛负压控制

利用现场炉膛负压传感器，实时监测炉膛负压情况，自动修正引风机变频器输出值，调节引风机引风量，将炉膛负压恒定在设定值的范围内，控制方式同烟气氧含量控制。

(4)整体预测控制

在锅炉燃烧控制过程中，通过燃料气量控制、送风气量控制和引风气量控制三个子系统分别对三个调节变量(燃料量B、送风量V、引风量G)进行调节，以维持三个被调量(主蒸汽压力、烟气O2含量及CO含量、炉膛压力)的稳定[4]。在锅炉控制系统中，采用了一种多输入量及多输出量的整体预测控制，把燃料流量、烟气O2含量及CO含量、炉膛负压作为被控变量，把燃气调节阀开度、送、引风机频率作为控制变量，考虑被控变量的历史变化趋势，采用向后预测、多步局部优化的方式，使三个被控变量逐步趋近于目标值，控制方式如图4。

(5)BMS-ET/HA系统与DCS系统链接

图4 整体预测控制系统图

燃烧管理及效率自动控制系统(BMS-ET/HA系统)与DCS系统输入对接:把现场的炉膛温度、炉膛压力、天然气压力等参数通过1入2出的安全栅，一路进入DCS系统、一路进入BMS-ET/HA系统，两个系统同时对现场的数据进行采集，互不干扰，如图5。

图5 BMS-ET/HA系统与DCS系统链接示意图

3.3 改进效果

动力站自2014年8月开始落实改造措施，取得了显著的效果，目前动力站75t/h锅炉单位蒸汽耗气量已降低至110方/吨蒸汽以下，如图6所示。

图6 2014年1～11月动力站锅炉单位蒸汽耗气量

4 结语

①对锅炉低负荷工况下单位蒸汽能耗高的原因进行逐一分析，其中及时准确的控制燃料气风量是影响单位蒸汽能耗的主要因素。

②通过烟气O2和CO含量在线监控数据，利用燃烧管理及效率自动控制系统对鼓风机频率进行自动修正，确保进入炉膛的所有可燃物完全燃烧的同时又最大限度地降低过剩空气量，减少排烟损失，无论外界条件如何变化，燃烧器始终都处在最佳工作状态，使燃烧效率和系统热效率达到可能的最大值，降低单位蒸汽耗气量。

③动力站锅炉采用自动配风系统后，消除了人工调节存在的误差和滞后性影响，即减少了工人的劳动强度，提高锅炉效率，减少温室气体CO2排放量，对环境保护有着重要意义。

[1]王春昌.锅炉漏风对排烟温度及排烟损失的影响[J].热力发电,2007，8:19－21.

[2]邱代林.锅炉低负荷最佳运行参数的若干分析与研究[J].科技与创新，2014，1:16-17.

[3]陈志刚，毛富杰，张旭，王方.工业锅炉低负荷工况节能分析与对策[J].应用能源技术，2011，9:22-25.

[4]邹斌.变频器在锅炉控制系统中的应用与节能效果分析[J].新疆有色金属，2004，4:34-35.