BFG燃气机组燃烧系统工艺原理分析及过程控制
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、送风机等众多辅机等的安全，本文着重介绍BFG代表的燃料系统的保护和调节控制设计。
1BFG的置换
很明显，管道在投运使用前，里面肯定充满了空气，BFG在投运前必须要先经过管道才能进入炉膛，这里面就有个问题，BFG是含热量比较高的可燃性气体，遇见空气很容易发生爆炸（在炉膛内和空气混合燃烧是正常的）。为了避免这种情况，系统设计了置换用的N2，因为N2是惰性气体，和BFG接触就没有问题，设计是这样的，在BFG母管快关阀之后设计有置换用N2管道，如图所示，在BFG使用前，首先用N2充入管道系统，赶走里面的空气，这个过程比较慢，需要几个小时，结束后管道内部就充满了N2，然后再开快关门放入BFG，这样就不会发生爆炸了。
2BFG的密封
从图中可以看出，BFG母管上的两个快关阀是整个系统安全的重要屏障，系统一旦出现问题，就需要马上切断燃料，正常状态下，关断阀前一直是充满BFG燃料的，BFG是一种有毒的气体，一旦泄露会使人窒息甚至危及人的生命。为了避免BFG从快关门中泄漏，系统在阀门上设计了密封用N2管道，并设计有压力开关测点，一旦密封用压力出现问题，及时报警并切断BFG的供应确保BFG安全。由于密封用N2压力高于BFG压力，所以可以避免BFG以外泄漏。
3BFG的低压保护
前面已经提到，BFG在通过增压风机加压后，直接进入预热器预热到一定温度后才能进入炉膛燃烧，根据“热胀冷缩”的原理，在BFG质量不变的情况下，由于温度升高，BFG的体积会增大，这在燃料正常燃烧中没有问题，但是在BFG退出运行或者BFG系统保护动作的情况下就会出现以下问题：BFG停止后续供应，介与炉膛和BFG预热器间的管道内的BFG温度会越来越低，体积越来越小，相对大气会形成真空，这样管道四周的空气如果渗透到BFG管道中，也容易发生爆炸，为避免这种状态发生，在BFG预热器后设计了N2防真空保护系统，一旦发生BFG管道压力降低，立即充入惰性的N2，确保管道压力稳定。
4BFG的压力调节
BFG增压风机的入口调门主要是用来调节出口压力保持相对稳定，因为出口压力并不是一个固定值，随着锅炉负荷的提高，需要的BFG量会增加，出口压力也需要相应的提高。但是在某个固定的工况下比如BFG流量需求不变的情况下，BFG增压风机的出口压力要求是固定的。这里面的扰动主要有几个，即母管供给压力波动、BFG热值出现波动和BFG需求量出现变化，前两项属于外部扰动，后面一项属于内部扰动，无论那种情况出现，压力调节系统都要及时正确的作出反应，是BFG压力重新达到动态平衡。
5BFG流量的调节
前面已经指出，BFG燃烧系统配置有18个相同的燃烧器，每个燃烧器上配置有一个流量测量装置和和一个流量调节门，用来控制燃烧器负荷。流量调节门设计有快关功能，以满足快速切断燃料的保护需要，当BFG的热值发生波动或者BFG和炉膛的差压发生变化时，都会影响到燃烧器的负荷，需要调节门及时正确的调节，以克服扰动。另外，为保证BFG充分的燃烧，BFG燃料调节控制方案需要按照做如下设计：加负荷前必须先加风才能加BFG，减负荷前必须先减BFG后才能减风。
6系统风量调节
锅炉在每次投云运前，都要先将炉膛内部可能存在的燃料吹扫干净，以避免在点火阶段燃料聚集，发生爆炸，吹扫方法是用足够的风量将全炉膛吹扫一定时间，吹扫需要所有风门全部打开投入使用，确保不留吹扫死角。系统为每个燃烧器都配置一个风量风量调节门，风量管道上设计有风量测量装置，确保配风准确、可靠。在锅炉烟道的尾部设计有氧量测量装置，如果发现烟气中含氧量下降，就代表风量不够，需要加风，氧量主要起矫正作用，风量的需要量主要靠计算燃料量而得。
六 结语
从上面分析可以看出，BFG燃气机组是十分经济的，可以避免钢厂大量能源浪费，又可以有主于缓解目前电量紧张的局面。通过以上保护控制系统和调节控制系统的设计，可以确保BFG安全稳定的燃烧，经过实际检验，是全面可靠的。
