作者:　王玉玄　高百争


　　摘要　利用现代自动控制技术优化层燃炉的燃烧，大多是用氧化锆氧量计测定烟气含氧量，根据烟气含氧量的变化由计算机自动控制鼓风量，这种通常认为是科学的控制方法在实践中显现出了它的局限性。而利用风与煤的比值自动控制鼓风机电机的供电频率，使负荷不断变化中的层燃炉始终处于良好的燃烧状

态，在实践中证明了这种控制方法具有很好的实用性。
　　1　前　言
　　在计算机优化各种锅炉燃烧的过程中，通常认为科学的方法是计算机根据烟气含氧量来控制鼓风量。例如已确定某种锅炉的烟气含氧量为X％时燃烧效率最高，则当实测烟气含氧量大于X％时计算机控制鼓风系统减少鼓风量；当实测烟气含氧量小于X％时，计算机控制鼓风系统增加鼓风量。根据烟气含氧量控制鼓风量的方法过去在燃煤锅炉自动控制中得到了广泛的应用。实践证明，这种理论上科学的方法对于煤粉炉比较实用，而对层燃炉来说却事与愿违，最终绝大多数都以失败而告终，调查分析其原因有以下两个方面：
　　1.1　氧化锆氧量计的使用成本高
　　氧化锆氧量计的探头额定使用寿命一般为半年左右,每支探头的成本数千元人民币，而我国目前层燃炉的吨位大多数较小（65T/H以下），对小锅炉使用较高成本的氧量计，使用单位从心理上不容易接受，很多层燃炉的氧化锆探头报废后使用单位不愿意再更换。
　　1.2　不能够适应煤质变化
　　层燃炉与燃油、燃气、煤粉炉不同，燃油、燃气与煤粉炉的燃料成分比较稳定，而层燃炉使用的煤多数只经简单的筛分破碎处理或不处理直接使用，煤的颗粒度极不均匀。当炉排上出现大颗粒煤较多时，若要正常燃烧，则必然空气过量系数较大，即烟气含氧量较高；当炉排上出现颗粒度较小且颗粒度均匀时，若要燃烧效率较高，则必然空气过量系数相对要低一些。由于上煤过程中煤的发热量、颗粒度的随机性很强，锅炉燃烧效率较高所要求的烟气含氧量是一个不定值，且变化无常，而计算机不能够根据变化中的煤质设定烟气含氧量，它只能根据人设定的烟气含氧量去控制鼓风量，人不能够在不断变化的煤质中去不断地设定烟气含氧量，所以，当人设定某一烟气氧量后，一旦煤质发生变化，锅炉燃烧效率就会出现偏差，甚至造成燃烧恶化。
　　郑州市热力总公司东明路供热分公司的两台29MW往复炉排热水锅炉和第五热源厂的4台35T/H、2台20T/H链条蒸汽锅炉利用风—煤比实现燃烧自动控制，取得了令人满意的效果。
　　2　利用风—煤比控制燃烧的原理
　　2.1　煤燃烧所需的理论空气量
　　已知空气中氧的体积百分比为21％，所以1kg煤完全燃烧所需的理论空气量（文献1）为
　　=(1.866＋0.7＋5.55
   　　　－0.7)(1)
式中　 ——1kg煤完全燃烧所需的理论空气量，Nm3/kg；
　　　Cy——煤的应用基含碳量 ％；
　　　Sy—— 煤的应用基含硫量 ％；
　　　Hy——煤的应用基含氢量 ％；
　　　Oy——煤的应用基含氧量 ％；
　　燃烧1kg煤实际所需的空气量为
Vk=α（2）
　　式中α—过量空气系数，对于层燃炉α一般在1.3—1.6之间。
　　显然，对于灰份低、挥发份及发热量高且颗粒度适当而均匀的优质煤α取较小值，反之α取较大值。
　　2.2　鼓风量控制原理
　　控制鼓风量即控制鼓风机电机的转速，当采用变频电机时，控制电机的供电频率。如果炉膛负压不变、炉膛至鼓风机进风口的风路系统阻力数不变，则转速变化时的比例曲线与炉膛至鼓风机进风口的风路系统阻力H特性曲线都是通过座标原点的二次抛物线（文献2，图1中的m1），鼓风量与转速成正比，又因为电机转速与供电频率成正比，所以，鼓风量与供电频率成正比，即：
Qs=k·f（3）
式中Qs——鼓风量，Nm3/min；
　　k ——鼓风系数，Nm3/min·Hz；
　　f ——鼓风机供电频率，Hz；
　　由（3）式确定的鼓风量与供电频率的关系如图2中的直线n1。事实上鼓风量改变时煤层的通风性能发生变化。例如当鼓风量增加时，炉排下风室的风压增加，煤层中的细小颗粒被吹起的相对多，煤层中的风孔变大，即煤层变得相对疏松，煤层的阻力数变小；当鼓风量减少时，炉排下风室的风压降低，煤层变得相对密实，煤层的阻力数增加，所以炉膛至鼓风机进风口的风路系统阻力特性曲线为图1中的m2，鼓风量Qs与f的关系为图2中的曲线n2。然而层燃炉的炉床毕竟是固定床，当鼓风量发生变化时，煤层的密实度虽然发生了变化，但变化不可能很大，所以曲线n2上任意点的曲率较小。
　　2.3　煤量与鼓风机供电频率的关系
　　以横坐标表示锅炉上煤量M和鼓风机鼓风量Qs，以纵坐标表示鼓风机供电频率f（图3）。由图2中的n2可知，实际鼓风量Qs与频率f的关系为一条曲率较小的曲线k1，当最佳风—煤比确定以后（在横坐标上确定），供电频率沿曲线k1随上煤量的变化而变化最理想，但曲线k1是可以想象的一条理想曲线，煤层风阻的变化复杂，无法找到曲线k1的函数表达式，只能通过有经验的司炉工在锅炉额定功率的60％—100％上试烧找到曲线k1上的两个点N1（M1，f1）和N2（M2，f2），连接N1和N2成一条直线k2。供电频率沿直线k2随上煤量的变化而变化。由于k1的曲率较小，直线k2与曲线k1很接近，所以k2上的任意点称为近似最佳风—煤比（即频率与煤量的比值）。在图3中，直线k2与f轴有一个截距b，所以，当上煤量等于零或上煤量很小时，直线k2与曲线k1的相对误差很大，所以直线k2只能在锅炉出力达到额定出力的50％—  100％时使用，而锅炉大多数时间是在这个区间上运行。
　　若只试烧一个点N1，连接N1和O成直线k3，显然当锅炉出力在40％—   100％时，k3相对k1的误差比k2相对k1的误差大，所以要试烧两个点N1与N2。利用k2的缺点是当锅炉出力小于40％时近似最佳风—煤比相对最佳风—煤比的误差很大，自动控制不能投入使用。
　　3　利用风—煤比实现自动控制的过程
　　锅炉的上煤量
M=δ·v·γ·B  （4）
式中  M——锅炉的上煤量，kg/min；   
　　   δ——煤层厚度，m；  
     　 B——炉排宽度，m；
　　   v——炉排速度，m/min；
   　　γ——炉排上煤的密度，kg/m3。
　　在（4）式中，δ、B、γ在自动控制过程中是常量，M随V的变化而变化。如图3所示，有经验的司炉工根据所使用的煤种，在一定的煤层厚度不变的情况下，以两种炉排速度得到两种上煤量M1和M2，经过运行试验得到适合于M1和M2的鼓风机供电频率f1和f2，得到两点N1（M1，f1）和N2（M2，f2），将N1和N2输入计算机，在自动控制过程中，计算机根据过N1和N2两点的直线自动寻优。
　　设定参数：蒸汽压力（热水锅炉为出水温度）、煤层厚度、炉排速度、煤的密度、炉膛负压。自动控制参数：炉排转速、鼓风机供电频率、引风机供电频率。
　　例如设定蒸汽压力为P，当实际压力小于P时，计算机根据实际压力与P差值的大小自动加快炉排速度（上煤量增加），计算机同时根据图3中的直线k2增加鼓风机频率（加大鼓风量），此时炉膛负压减少，计算机根据炉膛负压设定值自动增加引风机供电频率（增加引风量）。
　　郑州市热力总公司第五热源厂的3号锅炉额定蒸发量为35T/H，燃用贫煤，其平均发热量为21000KJ/kg，平均挥发份为14％，2003年12月16日某时段投入自动控制时运行情况如下：
　　煤层厚度δ=0.12m；炉排宽度B=4.7m；炉排上煤的密度γ=1080Kg/m3；当满负荷运行（35T/H）时鼓风机最佳供电频率fz=42Hz；满负荷运行时的炉排速度V2=0.175m/min；满负荷运行的最佳上煤量由（4）式求得M2=106.8kg/min。当锅炉运行在60％额定负荷（21T/H）时，鼓风机最佳供电频率f1=28Hz、炉排速度V1=0.105m/min、上煤量M1=64kg/min。直线k2(最佳近似风—煤比)是过N1（64,28）和N2(106.8,42)的一条直线，在这条直线上的运行记录如下表：
　　由上表可知，锅炉在自动控制状态下的平均效率约为64％，低于锅炉设计热效率（71％），这是由于当时使用的煤质较差，若不使用自动控制，其锅炉的平均热效率不到60％。
　　4　结束语
　　计算各种燃料所需理论空气量的经验公式，对于贫煤及无烟煤=　Nm3/kg（5）式中 ——煤的应用基低位发热量；对于烟煤=0.251＋0.278　Nm3/kg（6）在已知煤的低位发热量和上煤量的情况下，把（5）或（6）代入（2）式，可计算出层燃炉的鼓风量和风—煤比。例如所使用的煤种为烟煤，上煤量为MS(kg/min)，把（6）乘以上煤量并代入（2）可得到鼓风量为Vks为Vks=α(0.251＋0.278)Ms　Nm3/min（7）由（7）式得到风—煤比为=α（0.251＋0.278)(8)(8)式可谓真正的风—煤比，若把（8）式输入计算机，由计算机根据（8）式控制鼓风量，在理论上有一定的科学性，但在实践中不可操作，这是由于风道的形状复杂，测量风量的难度很大，虽然根据图3中的直线k2控制f有一定的误差，但可操作性强，所以在实践中证明了这种控制方法有很好的实用性。