BFG燃气机组燃烧系统工艺原理分析及过程控制_BFG_燃气机组燃烧系统

BFG燃气机组燃烧系统工艺原理分析及过程控制

2010/12/28 16:21:00

一、概述
高炉煤气（Blast Furnace Gas）简称BFG，分析了低热值BFG作为燃料的联合循环燃汽轮机的特点，采取的技术改造以及联合循环系统经济效益，表明了联合循环发电机组不仅在节能、环保，而且在发电、供热方面效益显著。
是炼钢厂炼铁生产环节中产生的一种副产品，其特点是热值低，燃烧稳定性差，含含灰量大。过去传统采用对空燃烧后排放掉，既不经济也不环保。后来逐步过度到将BFG混入电厂燃煤机组中，代替一部分煤粉发电，但是仍然不能全部利用掉，以宝钢为例，每天仍然需要几十万立方米每小时的BFG需要排放掉的热值约有几千千焦/立方米，虽比不上家用天然气的含热量，但一个大型的钢铁厂炼钢产生的高炉废气达到几十万立方米每小时。由于高炉煤气数量多，热值高，含有的CO等多种污染成分，不能直接排放到大气中，原来多采用对空燃烧，白白浪费掉大量资源。通过建设燃气机组，把BFG在锅炉燃烧后的能量转换为电能，在目前全社会都在讲节能、环保而且煤价又高涨的情况下，可取得良好的经济效益和社会效益。

二、设备的组成及原理
发电厂的汽机、发电机及其附属设备均为常规设备，所有电厂基本上是容量不同，但配置大同小异，其作用是利用锅炉加热产生的蒸汽进入汽轮机，通过冲击汽轮机叶片带动汽轮机大轴旋转，进而带动发电机转子旋转切割磁力线，产生电量，蒸汽作功后温度和压力下降，通过汽机辅机系统冷凝回收、加压、加热后重新送给锅炉，重复利用。本文不再展开介绍。本篇仅仅介绍锅炉侧BFG燃料系统。
作为主燃料，BFG系统设置3台50%容量高炉煤气增压风机。锅炉左右墙对冲燃烧，燃烧器为共18个，分左右墙各三层对称布置。微正压燃烧（设置两台50%容量送风机）。高炉煤气设有一台管式预热器，使用锅炉排放烟气将高炉煤气加热至250摄氏度。
系统设备的构成祥见BFG燃气机组工艺流程及过程控制图。下面将系统的组成设备及其在系统中的作用分述如下：

BFG工艺流程及过程控制原理图

1、BFG主管关闭设备
   主管关闭设备并列设计有两个，主要起系统保护动作后起到快速关闭作用，同时因为阀门比较大，运行时为了避免BFG燃料泄漏，需要使用N2（氮气）进行密封。
2.、BFG增压风机
   BFG通过主管关闭设备后，由于供给压力比较低，需要经过BFG增压风机加压后才能顺利进入炉膛，增压风机入口设计有入口调门，用来调节出口的BFG的流量，出口设计有出口电动门，用来在故障快速关断燃料。
3、BFG预热器
BFG经过加压后，温度还是比较低，进入炉膛后不容易燃烧，需要经过BFG预热器，利用烟气热量对BFG在预热器中进行预热达到合适的温度。如果BFG流量超过最大值，BFG过剩气流在预热器中进行旁路，然后重新混合。
4.、BFG燃烧器
   离开预热器后，BFG进入两个下降管，在燃烧器上方将BFG分成两个收集管。带有九个支线连接的两个收集管为燃烧器供应BFG。
18个BFG喷嘴由支线进行供给，并且装配有单独的BFG流量测定装置和流量控制挡板。除了控制挡板以外，每一个支线都有快速关闭阀。
5.、BFG热值仪
BFG发热量通过两个发热量测定设备确定。因此可以确定点火系统 BFG燃烧器的热容量并能设置助燃空气流量，需要对供给的BFG燃料的热值进行测量，设备配置了“CQ”热值仪进行测量，位置在BFG预热器前。
6.、送风机
    系统配置两台送风机，加压后经过空气加热器预热，然后向炉膛提供风量，用以满足整个炉膛燃烧工况的要求。

三．系统工作过程
详见BFG工艺流程及过程控制原理图。BFG的线路上有一个压力（P1）和温度（T1）修正测量装置以补偿BFG的的流量F。排流点下游供应线路被分成两条线路。每一条线路配备有一个切断挡板。
接下来BFG到达三个增压风机。经过增压后进入预热器预热，BFG预热器上游的BFG发热量通过两个发热量测定设备确定。因此可以确定点火系统 BFG燃烧器的热容量并能设置助燃空气流量。锅炉的BFG管线系统惰性由氮气实现。连接器位于主管关闭设备的下游。
系统设计有适合用户使用的压缩空气，对用氮气惰化后管道进行清扫，方便进入。该连接器位于氮气连接器后部。如果BFG流量超过最大值，BFG过剩气流在预热器中进行旁路，然后重新混合。
离开预热器后，BFG进入两个下降管，在燃烧器上方将BFG分成两个收集管。带有九个支线连接的两个收集管为燃烧器供应BFG。此外在BFG系统设备停止期间有可能对两个收集管排水。18个BFG喷嘴由支线进行供给，并且装配有单独的BFG流量测定装置和流量控制挡板。除了控制挡板以外，每一个支线都有快速关断阀。

四．工艺过程主要参数及干扰因素
1、工艺过程主要参数
从过程图可以看出，燃烧过程的主要参数是供给母管的压力、和流量，BFG预热器入口和出口压力，BFG热值含量，BFG进入炉膛燃烧前的温度（T2、T3），BFG与炉膛差压，炉膛压力，每个燃烧器的BFG流量和配风量。
BFG母管流量和热值是确定炉膛负荷的主要参数。在正常生产过程中，高炉煤气BFG的热值不是一个恒定值，为了维持炉膛负荷，需要通过调节BFG增压风机入口开度来改变流量。
BFG供给母管压力是保证燃料稳定燃烧的基础。因为供给压力过高，会危及管道安全；供给压力过低，无法保证燃料和炉膛间有足够的差压，容易造成“回火”。
BFG预热器入口和出口压力是保证炉膛负荷稳定的直接指标，因为管道直径是恒定的，预热器出口压力越高，进入炉膛的燃料量越多，炉膛热负荷越高。压力可以通过BFG增压风机入口调节门来控制。
BFG进入炉膛燃烧前的温度是保证燃料能够正常燃烧的保护条件，因为燃料燃烧前必须加热到一定温度才能稳定燃烧，由于加热是采用炉膛烟气来加热的，所以，炉膛一开始不能够直接燃烧BFG，需要用油等其它燃料先把炉膛加热，BFG温度合适后才能投运主燃料BFG。
18个燃烧器的设计是相同的，只是布置的位置不同，每个燃烧器管线上都布置有BFG流量测量装置，用来测量BFG流量，计算出每个燃烧器负荷，如果单个燃烧器负荷过大会烧坏设备的。
燃烧器配置的风量。每个燃烧器都配置有一个专门提供风量的管道，以满足燃料正常燃烧，风量过低会导致燃料燃烧不充分，炉膛有爆炸的危险。
2、工艺过程的主要干扰因素
从示意图中可以看出，整个BFG燃烧过程的核心是控制燃料的供应压力、流量，测出BFG的热值和控制配风量。BFG增压风机的出口压力和流量存在着一定的关系，一般压力升高，流量会增大。燃烧器风量和燃烧器BFG流量存在限制关系，风/燃比是个重要的参数，它是保证燃料安全充分燃烧的前提。为保证时时合格的风/燃比，需要加负荷前先加风，减负荷前先减燃料。BFG的热值必须及时准确的测量出来，才能计算出进入炉膛的能量。现将影响BFG燃气机组的稳定运行的主要外部扰动因素分述如下：
2.1 BFG热值的变化对锅炉负荷的影响
在生产过程中，BFG的热值是不断变化的，在机组负荷相对固定的情况下，由于进入炉膛的能量等于BFG热值和流量的乘积，所以BFG热值需要及时测量出来，以对BFG流量进行相应调整。
假定在炉膛能量需求不动的情况下，BFG的热值由于外部扰动作用升高，由于燃烧器燃烧的BFG流量并没有减少，所以进入炉膛的能量必然会升高，偏离需求值，为了重新达到动态平衡，需要关小燃料的调节档板，减少燃料流量。同理，在炉膛能量需求不变的情况下，BFG的热值如果变小，就需要开大燃料的调节档板，增大燃料量。
2.2 BFG燃料压力的变化对锅炉负荷的影响
BFG燃料压力变化的扰动原因主要可分为两部分：供给压力扰动和炉膛压力扰动。
BFG风机入口档板主要是控制BFG预热器出口压力，由于BFG供给压力波动会导致增压风机出口压力发生波动，进而影响BFG预热器出口压力，扰动进入炉膛的燃料量，所以BFG增压风机入口调门需要进行相应调整，来消除扰动，维持母管压力稳定。
炉膛压力波动称为内部扰动。由于炉膛处于正压运行状态，BFG燃料要想进入炉膛，其压力必须要大于炉膛压力，也就是BFG和炉膛间必须要形成一定的差压。炉膛压力主要是由进入炉膛的燃料和风在一起燃烧形成的，当风量由于某种原因发生波动时，很快会传递给炉膛压力，在燃料压力不变的情况下，BFG和炉膛的差压会发生变化，进而影响进入炉膛的燃料速度。
2.3 风量的变化对锅炉负荷的影响
锅炉设计有两台送风机，自然风经过风机压缩后进入空气预热器加热，因为一方面冷风不容易燃烧，另一方面燃料燃烧后形成的烟气温度还是很高，直接排入大气会造成大量的浪费，所以用来对送风机出口的风量进行加热。通过测量燃料的热值和流量，可以计算出燃烧需要的风量。运行中如果风量减少，燃料必须立即减少，以保证燃料能充分燃烧。

五系统控制方案及工作过程
我们知道，燃气机组正常运行首先是要保证安全，其次是稳定。这里面对控制系统就提出了两个要求，一是保护系统的动作要快速、准确、到位，二是调节系统要充分适应各种运行工况，即鲁棒性强，减少运行人员负担，为机组稳定运行提供技术保证。这里的保护系统不但指整个机组的安全保证，也指系统内比如燃料供应系统、送风机等