用现代控制优化多燃料锅炉运行

工业生产基地面临着许多挑战，但对于电力和公用事业运营来说，有几个挑战尤其严峻，因为不断增长的人口和人均能源使用量推动了长期能源价格的不可阻挡的上涨。为了生存，公司必须通过解决电力和公用事业能源成本来适应:他们必须提高效率，使用更便宜的燃料，消除浪费。与此同时，排放控制要求变得越来越严格，难以实现。

这一系列事实给行业带来了重大挑战，但也带来了巨大的机遇。想想看，根据美国能源情报署(Energy Information Administration)的数据，工业设施消耗的能源占全球总能源的50%之多。与此同时，根据国际能源署(International Energy Agency)的数据，工业部门仅实现了能源系统生命周期潜在改进的50%。考虑到能源通常是制造过程中最大的可控成本，可能会在现场受到影响，因此节能直接影响到底线。根据公司运营规模的不同，即使电力和公用事业效率提高2%，每年也能带来100万美元的效益。更重要的可能是用低成本的替代燃料替代20%的传统化石燃料消耗。这可能会带来额外的200万至300万美元的年回报。这样的改进项目可以在开始时自筹资金，然后通过持续的利益产生利润，通过改进维护和避免罚款和关闭带来额外的优势。

产地来源证的罚则₂生产税和“碳税”已经在世界上的一些地方实施，未来可能会更加广泛。图1显示，如果CO₂包括税收在内，从石油或电力转向生物质可以将燃料成本降低到几乎为零，并且通过减少排放罚款，将废气作为能源实际上可以产生有效的利润。

燃料BTU变化

但是，优化发电厂的燃烧过程，使效率最大化，并始终利用低成本燃料是很困难的，尤其是在试图高度可靠、高响应的运行时。在最有利的条件下，改变工业发电厂的负荷是一个挑战，而处理燃料的可变性则是一个更大的挑战。

天然气被认为是一种稳定的燃料，但即使是这种传统燃料，每体积的BTU也会随着时间的推移而变化±10%。燃烧控制系统必须管理这种水平的可变性，以优化能源成本结果。

为了控制成本，很大比例的工业锅炉同时使用传统和非常规燃料。大多数情况下，这些非常规燃料是作为设施内主要现场生产操作的副产品生产的。例子包括化工厂和炼油厂的废气，炼钢厂的焦炉煤气和高炉煤气，纸浆和造纸厂的废木材，或食品厂的沼气。这些能源通常基本上是电力和公用事业运营的免费能源，但它们通常不是持续供应的，而且随着时间的推移，它们的每体积能量含量通常变化很大。炼油厂或化工厂的废气或废液的化学成分会随着原料和产品组合的变化而发生巨大变化。这种不一致性不利于以稳定的方式运行燃烧过程，因此传统上限制了非常规燃料的使用。低成本燃料通常以消耗固定体积的基本负荷方式使用，而传统化石燃料则用于实现稳定和跟随负荷。这通常会导致不经济的情况，即废气被燃烧，而天然气被用来产生生产所需的蒸汽。

控制变化

当自动燃烧控制技术首次使用气动控制时，燃料-空气曲线的概念开始出现。“曲线”实际上是气动执行器中的机械凸轮。当一个燃烧过程控制系统投入使用时，燃料和空气控制执行器中的凸轮被塑造成这样，以便在负载范围内为燃料流动提供安全的空气量。气动执行器中的凸轮为任何特定的发射速率提供了固定的空气-燃料比。这些实现简单可靠，通常可以防止不安全的燃料丰富状态，甚至可以通过氧气调节功能提供过量空气管理水平。但是，在实施过程中也存在额外气流的安全范围，这导致燃烧效率受到损害，并且由于变异性的大小，氧气调节无法完全优化操作。

气动控制最终被电子控制所取代，电子控制包含模拟气动控制中凸轮动作的电路。这些控制在某种程度上反应更灵敏，更易于维护，但采用这种技术的控制策略本质上与以前设计的控制策略相同。

在20世纪80年代，计算机进入了人们的视野。它们的发展使燃烧过程控制工程师能够实现复杂的计算和各种控制技术，从而实现更严格的控制。但即使到今天，传统的燃料-空气曲线燃烧控制方法在很大程度上仍然完好无损。

使用这种60年前开发的控制技术已不再是一种选择。变量太多，性能要求也变得更加严格。

传统的控制方法太多了

传统的基于空气-燃料曲线的燃烧控制不能处理各种燃料源的优化，因为它是基于在一个特定时间点所做的固定假设。如前所述，今天典型工业现场的燃料供给是可变的。此外，设备的性能会随着时间的推移而变化，并且每天的环境条件都不一样。为了避免不安全的操作条件，常见的反应是简单地增加气流速率。如图3所示，添加这些缓冲以管理变化，但它们导致效率低下和排放。大量昂贵的能量在多余的空气中被输送到烟囱中，同时风扇负荷增加，排放设备超负荷工作。但是，如何控制如此多变性的燃烧过程呢?

这是可以做到的

归根结底，锅炉或加热器只有一个控制输入:BTU需求。这种需求可以用蒸汽压力或锅炉的流量或燃烧加热器的流体温度来表示，但这一切都归结为一个变量。燃烧过程及其控制系统的任务是最佳地满足这一需求(这在实践中转化为最低成本和排放)，尽管燃料BTU含量的变化和需求的快速变化。如果做得好，这可以把锅炉从成本中心变成利润中心，因为它允许使用原本会被当作废物丢弃的燃料，或者因为它们来自可再生能源，可以提供温室气体抵消额度。

当今最先进的燃烧控制系统能够连续实时地推断燃料的BTU含量。这使得系统能够将需求信号与燃料燃烧速率信号相匹配，并精确计算最佳运行所需的空气量。此外，这些实现允许一种燃料的BTU很容易被另一种燃料所取代，从而使首选燃料的使用始终能够最大化。他们是怎么做到的?

解决方案是消除燃料-空气曲线的使用，将燃烧控制转移到完全基于数学和模型的实现上。控制系统应包括锅炉的数学模型和一组使用多变量预测控制的约束。该解决方案使用标准锅炉仪表来推导炉内放热的相对指数。一旦知道了这一点，就可以确定具体的燃烧速度要求，并可以实时调整燃料，以稳定炉子的热量释放。调整增量燃料供应以及动态纠正过剩的空气需求，形成了一种强大而可靠的控制方法。这不仅仅是对现有技术的改进;这是控制中的量子跃迁。

一些例子

该方法已在工业上投入使用，效果良好。多燃料锅炉就是一个例子。在优化之前，它遭受了来自替代燃料的蒸汽的大不一致。基本负荷采用替代燃料，集箱控制采用化石燃料。正常运行时，60% ~ 70%的蒸汽是用替代燃料产生的。但由于控制限制，锅炉运行时氧气含量过高，达到8%至10%，并且存在排放问题。

应用基于数学和模型的控制，使用成本最低的燃料产生的蒸汽量增加了5%至10%，效率提高了1%至2%，需求波动响应显著增加，排放性能也得到了改善。

其他例子包括:

• 一家化工厂把废氢流转到一个新锅炉上。优化控制，最大限度地利用氢气，同时保持稳定性。每年的天然气使用量减少了100万BTU和CO₂排放量减少了30%。
• 一家纸浆和造纸厂想用生物质代替煤炭。三个锅炉进行了改造，增加了一套先进的燃烧控制解决方案。这使每天的煤炭使用量减少了5吨，并改善了锅炉停机和发电厂的稳定性。
• 另一个例子是，一家食品厂安装了沼气池，从处理废物中提取沼气，并将锅炉改造成双气运行。燃烧优化的应用最大化了沼气的使用，减少了15%到30%的天然气。

在当今的商业环境中，无论负载需求、燃料BTU含量甚至燃料类型如何变化，燃烧过程必须始终处于最佳状态。通过使用最新的控制技术，运行良好的多燃料锅炉通常可以从废物和替代燃料中产生90%的工厂蒸汽，在95%的时间内自动控制运行，并将排放维持在规定的水平。

Robert P. Sabin是艾默生过程管理公司工业能源解决方案组的咨询工程师。

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