一、概述
高爐煤氣（Blast Furnace Gas）簡稱BFG，分析了低熱值BFG作為燃料的聯(lián)合循環(huán)燃汽輪機的特點，采取的技術(shù)改造以及聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟效益，表明了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組不僅在節(jié)能、環(huán)保，而且在發(fā)電、供熱方面效益顯著。
是煉鋼廠煉鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，其特點是熱值低，燃燒穩(wěn)定性差，含含灰量大。過去傳統(tǒng)采用對空燃燒后排放掉，既不經(jīng)濟也不環(huán)保。后來逐步過度到將BFG混入電廠燃煤機組中，代替一部分煤粉發(fā)電，但是仍然不能全部利用掉，以寶鋼為例，每天仍然需要幾十萬立方米每小時的BFG需要排放掉的熱值約有幾千千焦/立方米，雖比不上家用天然氣的含熱量，但一個大型的鋼鐵廠煉鋼產(chǎn)生的高爐廢氣達(dá)到幾十萬立方米每小時。由于高爐煤氣數(shù)量多，熱值高，含有的CO等多種污染成分，不能直接排放到大氣中，原來多采用對空燃燒，白白浪費掉大量資源。通過建設(shè)燃?xì)鈾C組，把BFG在鍋爐燃燒后的能量轉(zhuǎn)換為電能，在目前全社會都在講節(jié)能、環(huán)保而且煤價又高漲的情況下，可取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
二、設(shè)備的組成及原理
發(fā)電廠的汽機、發(fā)電機及其附屬設(shè)備均為常規(guī)設(shè)備，所有電廠基本上是容量不同，但配置大同小異，其作用是利用鍋爐加熱產(chǎn)生的蒸汽進入汽輪機，通過沖擊汽輪機葉片帶動汽輪機大軸旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁力線，產(chǎn)生電量，蒸汽作功后溫度和壓力下降，通過汽機輔機系統(tǒng)冷凝回收、加壓、加熱后重新送給鍋爐，重復(fù)利用。本文不再展開介紹。本篇僅僅介紹鍋爐側(cè)BFG燃料系統(tǒng)。
作為主燃料，BFG系統(tǒng)設(shè)置3臺50%容量高爐煤氣增壓風(fēng)機。鍋爐左右墻對沖燃燒，燃燒器為共18個，分左右墻各三層對稱布置。微正壓燃燒（設(shè)置兩臺50%容量送風(fēng)機）。高爐煤氣設(shè)有一臺管式預(yù)熱器，使用鍋爐排放煙氣將高爐煤氣加熱至250攝氏度。
系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成祥見BFG燃?xì)鈾C組工藝流程及過程控制圖。下面將系統(tǒng)的組成設(shè)備及其在系統(tǒng)中的作用分述如下：
BFG工藝流程及過程控制原理圖
1、BFG主管關(guān)閉設(shè)備
主管關(guān)閉設(shè)備并列設(shè)計有兩個，主要起系統(tǒng)保護動作后起到快速關(guān)閉作用，同時因為閥門比較大，運行時為了避免BFG燃料泄漏，需要使用N2（氮氣）進行密封。
2.、BFG增壓風(fēng)機
BFG通過主管關(guān)閉設(shè)備后，由于供給壓力比較低，需要經(jīng)過BFG增壓風(fēng)機加壓后才能順利進入爐膛，增壓風(fēng)機入口設(shè)計有入口調(diào)門，用來調(diào)節(jié)出口的BFG的流量，出口設(shè)計有出口電動門，用來在故障快速關(guān)斷燃料。
3、BFG預(yù)熱器
BFG經(jīng)過加壓后，溫度還是比較低，進入爐膛后不容易燃燒，需要經(jīng)過BFG預(yù)熱器，利用煙氣熱量對BFG在預(yù)熱器中進行預(yù)熱達(dá)到合適的溫度。如果BFG流量超過最大值，BFG過剩氣流在預(yù)熱器中進行旁路，然后重新混合。
4.、BFG燃燒器
離開預(yù)熱器后，BFG進入兩個下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個收集管。帶有九個支線連接的兩個收集管為燃燒器供應(yīng)BFG。
18個BFG噴嘴由支線進行供給，并且裝配有單獨的BFG流量測定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個支線都有快速關(guān)閉閥。
5.、BFG熱值儀
BFG發(fā)熱量通過兩個發(fā)熱量測定設(shè)備確定。 因此可以確定點火系統(tǒng) BFG燃燒器的熱容量并能設(shè)置助燃空氣流量，需要對供給的BFG燃料的熱值進行測量，設(shè)備配置了“CQ”熱值儀進行測量，位置在BFG預(yù)熱器前。
6.、送風(fēng)機
系統(tǒng)配置兩臺送風(fēng)機，加壓后經(jīng)過空氣加熱器預(yù)熱，然后向爐膛提供風(fēng)量，用以滿足整個爐膛燃燒工況的要求。
三．系統(tǒng)工作過程
詳見BFG工藝流程及過程控制原理圖。BFG的線路上有一個壓力（P1）和溫度（T1）修正測量裝置以補償BFG的的流量F。排流點下游供應(yīng)線路被分成兩條線路。每一條線路配備有一個切斷擋板。
接下來BFG到達(dá)三個增壓風(fēng)機。經(jīng)過增壓后進入預(yù)熱器預(yù)熱，BFG預(yù)熱器上游的BFG發(fā)熱量通過兩個發(fā)熱量測定設(shè)備確定。 因此可以確定點火系統(tǒng) BFG燃燒器的熱容量并能設(shè)置助燃空氣流量。鍋爐的BFG管線系統(tǒng)惰性由氮氣實現(xiàn)。連接器位于主管關(guān)閉設(shè)備的下游。
系統(tǒng)設(shè)計有適合用戶使用的壓縮空氣，對用氮氣惰化后管道進行清掃，方便進入。該連接器位于氮氣連接器后部。如果BFG流量超過最大值，BFG過剩氣流在預(yù)熱器中進行旁路，然后重新混合。
離開預(yù)熱器后，BFG進入兩個下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個收集管。帶有九個支線連接的兩個收集管為燃燒器供應(yīng)BFG。此外在BFG系統(tǒng)設(shè)備停止期間有可能對兩個收集管排水。18個BFG噴嘴由支線進行供給，并且裝配有單獨的BFG流量測定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個支線都有快速關(guān)斷閥。
四．工藝過程主要參數(shù)及干擾因素
1、工藝過程主要參數(shù)
從過程圖可以看出，燃燒過程的主要參數(shù)是供給母管的壓力、和流量，BFG預(yù)熱器入口和出口壓力，BFG熱值含量，BFG進入爐膛燃燒前的溫度（T2、T3），BFG與爐膛差壓，爐膛壓力，每個燃燒器的BFG流量和配風(fēng)量。
BFG母管流量和熱值是確定爐膛負(fù)荷的主要參數(shù)。在正常生產(chǎn)過程中，高爐煤氣BFG的熱值不是一個恒定值，為了維持爐膛負(fù)荷，需要通過調(diào)節(jié)BFG增壓風(fēng)機入口開度來改變流量。
BFG供給母管壓力是保證燃料穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)。因為供給壓力過高，會危及管道安全；供給壓力過低，無法保證燃料和爐膛間有足夠的差壓，容易造成“回火”。
BFG預(yù)熱器入口和出口壓力是保證爐膛負(fù)荷穩(wěn)定的直接指標(biāo)，因為管道直徑是恒定的，預(yù)熱器出口壓力越高，進入爐膛的燃料量越多，爐膛熱負(fù)荷越高。壓力可以通過BFG增壓風(fēng)機入口調(diào)節(jié)門來控制。
BFG進入爐膛燃燒前的溫度是保證燃料能夠正常燃燒的保護條件，因為燃料燃燒前必須加熱到一定溫度才能穩(wěn)定燃燒，由于加熱是采用爐膛煙氣來加熱的，所以，爐膛一開始不能夠直接燃燒BFG，需要用油等其它燃料先把爐膛加熱，BFG溫度合適后才能投運主燃料BFG。
18個燃燒器的設(shè)計是相同的，只是布置的位置不同，每個燃燒器管線上都布置有BFG流量測量裝置，用來測量BFG流量，計算出每個燃燒器負(fù)荷，如果單個燃燒器負(fù)荷過大會燒壞設(shè)備的。
燃燒器配置的風(fēng)量。每個燃燒器都配置有一個專門提供風(fēng)量的管道，以滿足燃料正常燃燒，風(fēng)量過低會導(dǎo)致燃料燃燒不充分，爐膛有爆炸的危險。
2、工藝過程的主要干擾因素
從示意圖中可以看出，整個BFG燃燒過程的核心是控制燃料的供應(yīng)壓力、流量，測出BFG的熱值和控制配風(fēng)量。BFG增壓風(fēng)機的出口壓力和流量存在著一定的關(guān)系，一般壓力升高，流量會增大。燃燒器風(fēng)量和燃燒器BFG流量存在限制關(guān)系，風(fēng)/燃比是個重要的參數(shù)，它是保證燃料安全充分燃燒的前提。為保證時時合格的風(fēng)/燃比，需要加負(fù)荷前先加風(fēng)，減負(fù)荷前先減燃料。BFG的熱值必須及時準(zhǔn)確的測量出來，才能計算出進入爐膛的能量。現(xiàn)將影響B(tài)FG燃?xì)鈾C組的穩(wěn)定運行的主要外部擾動因素分述如下：
2.1 BFG熱值的變化對鍋爐負(fù)荷的影響
在生產(chǎn)過程中，BFG的熱值是不斷變化的，在機組負(fù)荷相對固定的情況下，由于進入爐膛的能量等于BFG熱值和流量的乘積，所以BFG熱值需要及時測量出來，以對BFG流量進行相應(yīng)調(diào)整。
假定在爐膛能量需求不動的情況下，BFG的熱值由于外部擾動作用升高，由于燃燒器燃燒的BFG流量并沒有減少，所以進入爐膛的能量必然會升高，偏離需求值，為了重新達(dá)到動態(tài)平衡，需要關(guān)小燃料的調(diào)節(jié)檔板，減少燃料流量。同理，在爐膛能量需求不變的情況下，BFG的熱值如果變小，就需要開大燃料的調(diào)節(jié)檔板，增大燃料量。
2.2 BFG燃料壓力的變化對鍋爐負(fù)荷的影響
BFG燃料壓力變化的擾動原因主要可分為兩部分：供給壓力擾動和爐膛壓力擾動。
BFG風(fēng)機入口檔板主要是控制BFG預(yù)熱器出口壓力，由于BFG供給壓力波動會導(dǎo)致增壓風(fēng)機出口壓力發(fā)生波動，進而影響B(tài)FG預(yù)熱器出口壓力，擾動進入爐膛的燃料量，所以BFG增壓風(fēng)機入口調(diào)門需要進行相應(yīng)調(diào)整，來消除擾動，維持母管壓力穩(wěn)定。
爐膛壓力波動稱為內(nèi)部擾動。由于爐膛處于正壓運行狀態(tài)，BFG燃料要想進入爐膛，其壓力必須要大于爐膛壓力，也就是BFG和爐膛間必須要形成一定的差壓。爐膛壓力主要是由進入爐膛的燃料和風(fēng)在一起燃燒形成的，當(dāng)風(fēng)量由于某種原因發(fā)生波動時，很快會傳遞給爐膛壓力，在燃料壓力不變的情況下，BFG和爐膛的差壓會發(fā)生變化，進而影響進入爐膛的燃料速度。
2.3 風(fēng)量的變化對鍋爐負(fù)荷的影響
鍋爐設(shè)計有兩臺送風(fēng)機，自然風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機壓縮后進入空氣預(yù)熱器加熱，因為一方面冷風(fēng)不容易燃燒，另一方面燃料燃燒后形成的煙氣溫度還是很高，直接排入大氣會造成大量的浪費，所以用來對送風(fēng)機出口的風(fēng)量進行加熱。通過測量燃料的熱值和流量，可以計算出燃燒需要的風(fēng)量。運行中如果風(fēng)量減少，燃料必須立即減少，以保證燃料能充分燃燒。
五 系統(tǒng)控制方案及工作過程
我們知道，燃?xì)鈾C組正常運行首先是要保證安全，其次是穩(wěn)定。這里面對控制系統(tǒng)就提出了兩個要求，一是保護系統(tǒng)的動作要快速、準(zhǔn)確、到位，二是調(diào)節(jié)系統(tǒng)要充分適應(yīng)各種運行工況，即魯棒性強，減少運行人員負(fù)擔(dān)，為機組穩(wěn)定運行提供技術(shù)保證。這里的保護系統(tǒng)不但指整個機組的安全保證，也指系統(tǒng)內(nèi)比如燃料供應(yīng)系統(tǒng)、送風(fēng)機等眾多輔機等的安全，本文著重介紹BFG代表的燃料系統(tǒng)的保護和調(diào)節(jié)控制設(shè)計。
1 BFG的置換
很明顯，管道在投運使用前，里面肯定充滿了空氣，BFG在投運前必須要先經(jīng)過管道才能進入爐膛，這里面就有個問題，BFG是含熱量比較高的可燃性氣體，遇見空氣很容易發(fā)生爆炸（在爐膛內(nèi)和空氣混合燃燒是正常的）。為了避免這種情況，系統(tǒng)設(shè)計了置換用的N2，因為N2是惰性氣體，和BFG接觸就沒有問題，設(shè)計是這樣的，在BFG母管快關(guān)閥之后設(shè)計有置換用N2管道，如圖所示，在BFG使用前，首先用N2充入管道系統(tǒng)，趕走里面的空氣，這個過程比較慢，需要幾個小時，結(jié)束后管道內(nèi)部就充滿了N2，然后再開快關(guān)門放入BFG，這樣就不會發(fā)生爆炸了。
2 BFG的密封
從圖中可以看出，BFG母管上的兩個快關(guān)閥是整個系統(tǒng)安全的重要屏障，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，就需要馬上切斷燃料，正常狀態(tài)下，關(guān)斷閥前一直是充滿BFG燃料的，BFG是一種有毒的氣體，一旦泄露會使人窒息甚至危及人的生命。為了避免BFG從快關(guān)門中泄漏，系統(tǒng)在閥門上設(shè)計了密封用N2管道，并設(shè)計有壓力開關(guān)測點，一旦密封用壓力出現(xiàn)問題，及時報警并切斷BFG的供應(yīng)確保BFG安全。由于密封用N2壓力高于BFG壓力，所以可以避免BFG以外泄漏。
3 BFG的低壓保護
前面已經(jīng)提到，BFG在通過增壓風(fēng)機加壓后，直接進入預(yù)熱器預(yù)熱到一定溫度后才能進入爐膛燃燒，根據(jù)“熱脹冷縮”的原理，在BFG質(zhì)量不變的情況下，由于溫度升高，BFG的體積會增大，這在燃料正常燃燒中沒有問題，但是在BFG退出運行或者BFG系統(tǒng)保護動作的情況下就會出現(xiàn)以下問題：BFG停止后續(xù)供應(yīng)，介與爐膛和BFG預(yù)熱器間的管道內(nèi)的BFG溫度會越來越低，體積越來越小，相對大氣會形成真空，這樣管道四周的空氣如果滲透到BFG管道中，也容易發(fā)生爆炸，為避免這種狀態(tài)發(fā)生，在BFG預(yù)熱器后設(shè)計了N2防真空保護系統(tǒng)，一旦發(fā)生BFG管道壓力降低，立即充入惰性的N2，確保管道壓力穩(wěn)定。
4 BFG的壓力調(diào)節(jié)
BFG增壓風(fēng)機的入口調(diào)門主要是用來調(diào)節(jié)出口壓力保持相對穩(wěn)定，因為出口壓力并不是一個固定值，隨著鍋爐負(fù)荷的提高，需要的BFG量會增加，出口壓力也需要相應(yīng)的提高。但是在某個固定的工況下比如BFG流量需求不變的情況下，BFG增壓風(fēng)機的出口壓力要求是固定的。這里面的擾動主要有幾個，即母管供給壓力波動、BFG熱值出現(xiàn)波動和BFG需求量出現(xiàn)變化，前兩項屬于外部擾動，后面一項屬于內(nèi)部擾動，無論那種情況出現(xiàn)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)都要及時正確的作出反應(yīng)，是BFG壓力重新達(dá)到動態(tài)平衡。
5 BFG流量的調(diào)節(jié)
前面已經(jīng)指出，BFG燃燒系統(tǒng)配置有18個相同的燃燒器，每個燃燒器上配置有一個流量測量裝置和和一個流量調(diào)節(jié)門，用來控制燃燒器負(fù)荷。流量調(diào)節(jié)門設(shè)計有快關(guān)功能，以滿足快速切斷燃料的保護需要，當(dāng)BFG的熱值發(fā)生波動或者BFG和爐膛的差壓發(fā)生變化時，都會影響到燃燒器的負(fù)荷，需要調(diào)節(jié)門及時正確的調(diào)節(jié)，以克服擾動。另外，為保證BFG充分的燃燒，BFG燃料調(diào)節(jié)控制方案需要按照做如下設(shè)計：加負(fù)荷前必須先加風(fēng)才能加BFG，減負(fù)荷前必須先減BFG后才能減風(fēng)。
6 系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)
鍋爐在每次投云運前，都要先將爐膛內(nèi)部可能存在的燃料吹掃干凈，以避免在點火階段燃料聚集，發(fā)生爆炸，吹掃方法是用足夠的風(fēng)量將全爐膛吹掃一定時間，吹掃需要所有風(fēng)門全部打開投入使用，確保不留吹掃死角。系統(tǒng)為每個燃燒器都配置一個風(fēng)量風(fēng)量調(diào)節(jié)門，風(fēng)量管道上設(shè)計有風(fēng)量測量裝置，確保配風(fēng)準(zhǔn)確、可靠。在鍋爐煙道的尾部設(shè)計有氧量測量裝置，如果發(fā)現(xiàn)煙氣中含氧量下降，就代表風(fēng)量不夠，需要加風(fēng)，氧量主要起矯正作用，風(fēng)量的需要量主要靠計算燃料量而得。
六 結(jié)語
從上面分析可以看出，BFG燃?xì)鈾C組是十分經(jīng)濟的，可以避免鋼廠大量能源浪費，又可以有主于緩解目前電量緊張的局面。通過以上保護控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以確保BFG安全穩(wěn)定的燃燒，經(jīng)過實際檢驗，是全面可靠的。