冶金燃气余热发电体系的控制原理研究
我国冶金行业的冶金燃气资源的余热综合利用发电技术已经兴起，采用燃气轮机装置进行冶金燃气资源的余热利用在国内已经有案例，但是燃烧低热值煤气的燃汽轮机燃烧器装置需要采用特殊制造工艺。采用蒸汽轮机组发电装置的高炉煤气资源的余热利用，国内也有成功的工程业绩，投资相对低廉。
冶金轧钢生产流程的三种煤气余热资源综合发电供热利用，余热体系既要满足冶金主体生产过程的能量平衡，也要满足余热煤气的发电供热生产过程的能量平衡。其工艺发电过程能量平衡及控制原理的研究，对冶金行业综合环保、余热利用、能源优化、经济效益等方面均有很大的社会意义。
一、能量平衡体系与可控边界的分析
冶金行业生产工艺流程是大规模的连续性生产过程。高炉、焦炉、转炉煤气的生成有很多不确定性，无论煤气种类、气量、热值均会随生产流程的变化而变化。自备电厂的电负荷和热负荷的需求也随冶金生产过程变化而变化。靠工人操作控制，来不及跟踪流程的煤气种类、压力、流量、热值的波动以及负荷多种变量实时变化。
该生产过程是一个非常复杂的多变量对象，自动调配这个庞大的能量平衡体系，自动维系整个能量体系的输入和输出能量平衡，没有一个成熟地、简单地控制方法可以直接解决这个体系的平衡。
根据能量平衡原理，采用DCS的自动控制系统，首先要界定DCS可调范围概念：正常工况的产气量、热值均会随生产流程在一定允许范围内变化，其发电供热段生产也与之相应，是DCS可调整范围；在特殊情况下气量和热值量会超出变化允许范围，DCS进入报警保护阶段；在冶金工艺生产方式发生变化.会导致电厂的生产方式的变化，不属于自动调整范畴。
例如，停掉一台高炉，工艺流程的冶金燃气就会明显减少，减少的煤气量超出锅炉负荷可调节范围，同时又没有足够的焦炉煤气和转炉煤气的补充，就要考虑停掉一台锅炉。电热负荷点的负荷减少，要停掉一台汽轮机。
zui大化利用余热，燃气资源要zui大化被利用发电、供热，要优先企业内部电、热负荷需求。明确自动控制方案时，首先要确定燃气、发电、需求侧各工艺段调控边界，分析如下：
1）冶金生产流程运行方式变化：主体流程运行方式变化是事前变量，要通过调度指令，调整电厂的运行方式。
2）需求侧负荷点的大设备的投入、退出：根据工艺生产需要，用电、用热设备的增减，会影响电厂的电、热负荷的输出，也要通过调度指令，调整电厂的运行方式。
3）主体流程出现故障：由于设有储气罐，在*时间内，不会波及电厂的燃料层供应，出现故障信息后，电厂要有相应的故障保护措施。调度中心要根据可恢复故障、或不可恢复故障程度迅速发出指令，指导、调整电厂的生产运行方式。
4）发电设备的投退或故障：发电厂的锅炉汽轮机设备的启停和运行方式操作，以值长指令为依据。
如上图所示，根据总体系能量平衡关系，为了便于各段的能量平衡调节控制，我们把这个大体系分成4段相对独立相互关联的子能量平衡体系。
工艺三种煤气的生成，与电厂锅炉燃料消耗平衡，全部煤气送入锅炉；
4台燃气锅炉的入炉燃料，与送到母管蒸汽能量平衡，保证母管压力稳定；
母管蒸汽能量，与各电负荷点的电负荷平衡，内部负荷优先；
母管蒸汽能量，与热网的热负荷平衡，维系热网压力稳定，不影响供电；
要维系主体流程煤气与电厂的大热力体系平衡，在热力体系的可调整范围内，各子段热力体系平衡层面调控原则是：
1）以气定汽：zui大化利用炼钢炉的所产生的可燃煤气，把全部生成煤气送入锅炉转化成为蒸汽；
2）气量、含量互补：3种煤气的生成量，以及3种煤气中的热值含量均在一定范围内变化，3种煤气能够自动互补产"气"。即如果测量出某煤气的CO含量偏低，自动增加煤气流量补偿含量的不足，或者通过另外两路煤气，自动跟进补充总热值。确保输入锅炉的总热量。
输出总热量=锅炉效率x输入总热量
3）以汽定电：锅炉所产生的蒸汽，要zui大化的用于发电，发电优先平衡内部电负荷，电量不够或多余靠电网平衡。冷凝机组专职发电。抽汽机组选择"以电定热"，优先保证电负荷，同时维持供热。
4）以热定电、以电定热：抽汽机可以"以热定电或以电定热"方式运行，选择"以热定电"，以提供热负荷为主，靠调整汽轮机的调压器，改变所提供的热负荷量，同时提供电负荷。抽汽机组也可以"以电定热"，要看哪种负荷对工艺更重要，和更有后备保障系统支持来确定。
5）供热网平衡：在机组抽汽负荷可调范围内，靠机组调压器调节供热负荷，确保热网压力稳定。超出机组调压可调范围，需要靠减温减压器调节热网负荷。或者靠其它汽源保证。
实现大热力体系的自动化控制，根据DCS中常规PID控制规律的控制域，一定要进行专家解偶一个层面一个回路的进行热力平衡控制。负荷优化分配，包括煤气资源的优化分配，不能依靠一个控制回路，完成通过一个指令完成从煤气的资源的变化到上网负荷的全程控制。有时，热力体系在输入输出平衡的状态下，克服外部和内部小扰动，有自平衡能力。引入DCS控制，会使得体系无论在小扰动时、或大扰动时获得及时准确的平衡效果。
在发电设备半热态或冷态，不能够自动投运锅炉汽机，这时的主体工艺的煤气过剩，就要采用储备或短期放空方式。钢厂主体生产方式的搭配需要调度中心去优化，紧急状况下，维护安全生产比余热利用更重要。
总之，特殊工况不能够列入自动调控范畴，只有在大热力体系相对平衡确定的前提下，即主体过程会产生大约有XXX大卡煤气量，有XXX电负荷、热负荷需求，电厂要投入X台锅炉，启动X汽轮机。在一定的范围内，通过DCS实现煤气负荷优化分配、自动调节电，热负荷。
二、燃气燃料优化的两次分配原理
三种可燃煤气：冶金燃气、转炉煤气和焦炉煤气。冶金燃气热值zui低，焦炉煤气热值zui高。热值低的煤气着火点低，容易熄火，不利于稳定燃烧。而锅炉在燃烧时有负荷越高，燃烧越稳定；负荷越低，燃烧就不稳定的特点。
*次分配：燃料分配要防止锅炉低负荷熄火，确保每台锅炉在50％以上负荷运行，燃料*次分配初步要满足维持每台锅炉50％以上负荷的煤气燃料来源。锅炉50％负荷热值，由锅炉厂的热力计算提供。
总热量公式：R（aG×COG×QG）＋（aJ×COJ×QJ）＋（az×COz×QJ）
R——三种煤气母管中总热值；
aG——CO含量与热值的平均换算系数；
COG——冶金燃气的实时CO含量；
QG——锅炉煤气实时流量；
把能源调度中心下达各类煤气总量，用各类煤气母管CO含量，初步自动计算，相加，除以一台锅炉的50％额定负荷耗热量（见锅炉厂热力计算），决定需要投入几台锅炉参与运行调控。三种煤气总量由调度中心下达指令，电厂的运行方式由值长决定。DCS可以自动根据三种煤气测量总量进行*次分配计算。
第二次分配：根据"以气定汽"原则：要zui大的利用工艺产生的各种煤气资源，我们只有维持炉前煤气压力略高于炉膛压力，zui大限度的把产生的煤气送入锅炉。采用各炉前煤气母管压力PG/PJ/PZ，作为一次控制量，设三种煤气管压力控回路，维持PG点压力整定略高于锅膛压力，这样保证入炉煤气燃半是衡流源，不管锅炉的吃入的煤气量多少，只要一次分配合理，就能够把炉前的煤气燃料可靠稳定。一旦PG点压力有变化，煤气压力调节器就会自动调整调门开度，保持PG点压力不变。称为燃料第二次分配。
由于事先确定了投运锅炉的数量，为了防止某台锅炉抢气源，几台炉前的同类煤气压力设值要一致，就能够自动准确完成第二次燃料分配任务。第二次分配对锅炉稳定燃烧非常重要。
PG01＝PG02＝PG04
PJ01＝PJ02PJ03＝PJ04
Pz01＝Pz02Pz03＝Pz04
通过DCS可以自动根据三种煤气测量总热量，和负荷点的电热负荷测量参数，采用热力计算公式，统一换算成为热量进行运算。DCS完成实计算与输入输出能量平衡控制。
△N1＃炉＝（R-（aeNe总＋aR总N总）/4
△N＃凝汽机＝Rpo/4-aeNe1
△N#1抽汽机＝Rpo/4（aeNe1＋aRNR1）
式中：R--煤气母管总热量；Rpo——蒸汽母管总热值；
ae——电热转换平均系数；aR——热蒸汽与煤汽热转换平均系统；
Ne1——1＃机电负荷量；Ne总——电厂总电负荷量；
NR1——1＃机热负荷量；NR总——电厂总热负荷量；
生成实时负荷曲经，增减产量曲线、发电量曲线、供热量曲线。
三、燃气锅炉母管制控制原理
蒸汽母管压力恒定是表征锅炉供汽量与汽机耗汽量平衡的标志。运行中维持蒸汽母管压力恒定不变。母管制并列运行的四台锅炉要响应母管压力的变化，共同维持母管压力的稳定。如果1台锅炉承担变负荷运行不够，可以采用2台锅炉承担，其余锅炉带固定负荷运行。
锅炉实测热量信号作为燃料主控的被调量，煤气母管COG的变化量作为前馈修正量。配风量，与燃料量经过小值比较选择器，取较小者作为燃料主控器的给定值，以保证动态过程中，燃料量小于风量。
四、燃气锅炉燃烧主控调节要点
虽然煤气流量可以测量，但煤气的热值成份是在一定范围内变化，不能准确的反映锅炉真实的燃料量信号，采用热量信号Q代替煤气量信号，以适应煤气成份的变化。
Q＝D＋ＣdPb/dt
式中：D为锅炉蒸汽流量。
C为锅炉的蓄热能力。
Pb为汽包压力。
Q代表锅炉实际负荷的热量。
锅炉主控调节器接受锅炉负荷指令信号后，与热量信号Q进行比较，送出一个燃料开度命令，由开度命令来决定各煤气阀门的开度。
三种气体燃烧值差异影响会调节品质，锅炉的燃料来自冶金燃气、转炉煤气、焦炉煤气，各种气体的热值差异较大，如果用同一个PID控制，达不到满意品质，对每一台锅炉的每种煤气设置了一套燃烧调节器。为了使锅炉然烧的燃料扰动zui小化，进行负荷调整时，只让一种煤气调节器在投入自动状态。
如果锅炉出力达上限，此时闭锁压力增高煤气总调节阀，其他三台炉将分配多余的冶金燃气。如果锅炉负荷〈50％，报警，此时闭锁减高锅煤气总调节阀，维持负荷不再降低，确保锅炉不熄火。
燃气锅炉送风调节，根据三种气体的比例关系，算出一个风量修正系数。氧量较正调节与一氧化碳进行微调，均是要对送风进行修正。
