一、概述
高爐煤氣（Blast Furnace Gas）簡(jiǎn)稱BFG，分析了低熱值BFG作為燃料的聯(lián)合循環(huán)燃汽輪機(jī)的特點(diǎn)，采取的技術(shù)改造以及聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，表明了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)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(diǎn)是熱值低，燃燒穩(wěn)定性差，含含灰量大。過去傳統(tǒng)采用對(duì)空燃燒后排放掉，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。后來逐步過度到將BFG混入電廠燃煤機(jī)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(shí)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(gè)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(shí)。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(duì)空燃燒，白白浪費(fèi)掉大量資源。通過建設(shè)燃?xì)鈾C(jī)組，把BFG在鍋爐燃燒后的能量轉(zhuǎn)換為電能，在目前全社會(huì)都在講節(jié)能、環(huán)保而且煤價(jià)又高漲的情況下，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、設(shè)備的組成及原理
發(fā)電廠的汽機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jìn)入汽輪機(jī)，通過沖擊汽輪機(jī)葉片帶動(dòng)汽輪機(jī)大軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jī)輔機(jī)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(tái)50%容量高爐煤氣增壓風(fēng)機(jī)。鍋爐左右墻對(duì)沖燃燒，燃燒器為共18個(gè)，分左右墻各三層對(duì)稱布置。微正壓燃燒（設(shè)置兩臺(tái)50%容量送風(fēng)機(jī)）。高爐煤氣設(shè)有一臺(tái)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(jī)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(jì)有兩個(gè)，主要起系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作后起到快速關(guān)閉作用，同時(shí)因?yàn)殚y門比較大，運(yùn)行時(shí)為了避免BFG燃料泄漏，需要使用N2（氮?dú)猓┻M(jìn)行密封。
2.、BFG增壓風(fēng)機(jī)
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(jī)加壓后才能順利進(jìn)入爐膛，增壓風(fēng)機(jī)入口設(shè)計(jì)有入口調(diào)門，用來調(diào)節(jié)出口的BFG的流量，出口設(shè)計(jì)有出口電動(dòng)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(jìn)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(duì)BFG在預(yù)熱器中進(jìn)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(jìn)行旁路，然后重新混合。
4.、BFG燃燒器
離開預(yù)熱器后，BFG進(jìn)入兩個(gè)下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個(gè)收集管。帶有九個(gè)支線連接的兩個(gè)收集管為燃燒器供應(yīng)BFG。
18個(gè)BFG噴嘴由支線進(jìn)行供給，并且裝配有單獨(dú)的BFG流量測(cè)定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個(gè)支線都有快速關(guān)閉閥。
5.、BFG熱值儀
BFG發(fā)熱量通過兩個(gè)發(fā)熱量測(cè)定設(shè)備確定。 因此可以確定點(diǎn)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(duì)供給的BFG燃料的熱值進(jìn)行測(cè)量，設(shè)備配置了“CQ”熱值儀進(jìn)行測(cè)量，位置在BFG預(yù)熱器前。
6.、送風(fēng)機(jī)
系統(tǒng)配置兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)，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(gè)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(gè)壓力（P1）和溫度（T1）修正測(cè)量裝置以補(bǔ)償BFG的的流量F。排流點(diǎn)下游供應(yīng)線路被分成兩條線路。每一條線路配備有一個(gè)切斷擋板。
接下來BFG到達(dá)三個(gè)增壓風(fēng)機(jī)。經(jīng)過增壓后進(jìn)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(gè)發(fā)熱量測(cè)定設(shè)備確定。 因此可以確定點(diǎn)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?dú)鈱?shí)現(xiàn)。連接器位于主管關(guān)閉設(shè)備的下游。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)有適合用戶使用的壓縮空氣，對(duì)用氮?dú)舛杌蠊艿肋M(jìn)行清掃，方便進(jìn)入。該連接器位于氮?dú)膺B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(jìn)行旁路，然后重新混合。
離開預(yù)熱器后，BFG進(jìn)入兩個(gè)下降管，在燃燒器上方將BFG分成兩個(gè)收集管。帶有九個(gè)支線連接的兩個(gè)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(duì)兩個(gè)收集管排水。18個(gè)BFG噴嘴由支線進(jìn)行供給，并且裝配有單獨(dú)的BFG流量測(cè)定裝置和流量控制擋板。除了控制擋板以外，每一個(gè)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(jìn)入爐膛燃燒前的溫度（T2、T3），BFG與爐膛差壓，爐膛壓力，每個(gè)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(gè)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(jī)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?yàn)楣┙o壓力過高，會(huì)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?yàn)楣艿乐睆绞呛愣ǖ?，預(yù)熱器出口壓力越高，進(jìn)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(jī)入口調(diào)節(jié)門來控制。
BFG進(jìn)入爐膛燃燒前的溫度是保證燃料能夠正常燃燒的保護(hù)條件，因?yàn)槿剂先紵氨仨毤訜岬揭欢囟炔拍芊€(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(yùn)主燃料BFG。
18個(gè)燃燒器的設(shè)計(jì)是相同的，只是布置的位置不同，每個(gè)燃燒器管線上都布置有BFG流量測(cè)量裝置，用來測(cè)量BFG流量，計(jì)算出每個(gè)燃燒器負(fù)荷，如果單個(gè)燃燒器負(fù)荷過大會(huì)燒壞設(shè)備的。
燃燒器配置的風(fēng)量。每個(gè)燃燒器都配置有一個(gè)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(huì)導(dǎo)致燃料燃燒不充分，爐膛有爆炸的危險(xiǎn)。
2、工藝過程的主要干擾因素
從示意圖中可以看出，整個(gè)BFG燃燒過程的核心是控制燃料的供應(yīng)壓力、流量，測(cè)出BFG的熱值和控制配風(fēng)量。BFG增壓風(fēng)機(jī)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(huì)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(gè)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(shí)時(shí)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(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量出來，才能計(jì)算出進(jìn)入爐膛的能量?，F(xiàn)將影響B(tài)FG燃?xì)鈾C(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行的主要外部擾動(dòng)因素分述如下：
2.1 BFG熱值的變化對(duì)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(jī)組負(fù)荷相對(duì)固定的情況下，由于進(jìn)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(shí)測(cè)量出來，以對(duì)BFG流量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
假定在爐膛能量需求不動(dòng)的情況下，BFG的熱值由于外部擾動(dòng)作用升高，由于燃燒器燃燒的BFG流量并沒有減少，所以進(jìn)入爐膛的能量必然會(huì)升高，偏離需求值，為了重新達(dá)到動(dòng)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(duì)鍋爐負(fù)荷的影響
BFG燃料壓力變化的擾動(dòng)原因主要可分為兩部分：供給壓力擾動(dòng)和爐膛壓力擾動(dòng)。
BFG風(fēng)機(jī)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(dòng)會(huì)導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)出口壓力發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而影響B(tài)FG預(yù)熱器出口壓力，擾動(dòng)進(jìn)入爐膛的燃料量，所以BFG增壓風(fēng)機(jī)入口調(diào)門需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，來消除擾動(dòng)，維持母管壓力穩(wěn)定。
爐膛壓力波動(dòng)稱為內(nèi)部擾動(dòng)。由于爐膛處于正壓運(yùn)行狀態(tài)，BFG燃料要想進(jìn)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(jìn)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(dòng)時(shí)，很快會(huì)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(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響進(jìn)入爐膛的燃料速度。
2.3 風(fēng)量的變化對(duì)鍋爐負(fù)荷的影響
鍋爐設(shè)計(jì)有兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)，自然風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣預(yù)熱器加熱，因?yàn)橐环矫胬滹L(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(huì)造成大量的浪費(fèi)，所以用來對(duì)送風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)量進(jìn)行加熱。通過測(cè)量燃料的熱值和流量，可以計(jì)算出燃燒需要的風(fēng)量。運(yùn)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(jī)組正常運(yùn)行首先是要保證安全，其次是穩(wěn)定。這里面對(duì)控制系統(tǒng)就提出了兩個(gè)要求，一是保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)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(yùn)行工況，即魯棒性強(qiáng)，減少運(yùn)行人員負(fù)擔(dān)，為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保證。這里的保護(hù)系統(tǒng)不但指整個(gè)機(jī)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(jī)等眾多輔機(jī)等的安全，本文著重介紹BFG代表的燃料系統(tǒng)的保護(hù)和調(diào)節(jié)控制設(shè)計(jì)。
1 BFG的置換
很明顯，管道在投運(yùn)使用前，里面肯定充滿了空氣，BFG在投運(yùn)前必須要先經(jīng)過管道才能進(jìn)入爐膛，這里面就有個(gè)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(jì)了置換用的N2，因?yàn)镹2是惰性氣體，和BFG接觸就沒有問題，設(shè)計(jì)是這樣的，在BFG母管快關(guān)閥之后設(shè)計(jì)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(gè)過程比較慢，需要幾個(gè)小時(shí)，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(huì)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(gè)快關(guān)閥是整個(gè)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(huì)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(jì)了密封用N2管道，并設(shè)計(jì)有壓力開關(guān)測(cè)點(diǎn)，一旦密封用壓力出現(xiàn)問題，及時(shí)報(bào)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(hù)
前面已經(jīng)提到，BFG在通過增壓風(fēng)機(jī)加壓后，直接進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱到一定溫度后才能進(jìn)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(huì)增大，這在燃料正常燃燒中沒有問題，但是在BFG退出運(yùn)行或者BFG系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作的情況下就會(huì)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(huì)越來越低，體積越來越小，相對(duì)大氣會(huì)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(jì)了N2防真空保護(hù)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(jī)的入口調(diào)門主要是用來調(diào)節(jié)出口壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，因?yàn)槌隹趬毫Σ⒉皇且粋€(gè)固定值，隨著鍋爐負(fù)荷的提高，需要的BFG量會(huì)增加，出口壓力也需要相應(yīng)的提高。但是在某個(gè)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(jī)的出口壓力要求是固定的。這里面的擾動(dòng)主要有幾個(gè)，即母管供給壓力波動(dòng)、BFG熱值出現(xiàn)波動(dòng)和BFG需求量出現(xiàn)變化，前兩項(xiàng)屬于外部擾動(dòng)，后面一項(xiàng)屬于內(nèi)部擾動(dòng)，無論那種情況出現(xiàn)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)都要及時(shí)正確的作出反應(yīng)，是BFG壓力重新達(dá)到動(dòng)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(gè)相同的燃燒器，每個(gè)燃燒器上配置有一個(gè)流量測(cè)量裝置和和一個(gè)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(jì)有快關(guān)功能，以滿足快速切斷燃料的保護(hù)需要，當(dāng)BFG的熱值發(fā)生波動(dòng)或者BFG和爐膛的差壓發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)影響到燃燒器的負(fù)荷，需要調(diào)節(jié)門及時(shí)正確的調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)。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(jì)：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(yùn)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(diǎn)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(shí)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(gè)燃燒器都配置一個(gè)風(fēng)量風(fēng)量調(diào)節(jié)門，風(fēng)量管道上設(shè)計(jì)有風(fēng)量測(cè)量裝置，確保配風(fēng)準(zhǔn)確、可靠。在鍋爐煙道的尾部設(shè)計(jì)有氧量測(cè)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(jì)算燃料量而得。

六 結(jié)語(yǔ)
從上面分析可以看出，BFG燃?xì)鈾C(jī)組是十分經(jīng)濟(jì)的，可以避免鋼廠大量能源浪費(fèi)，又可以有主于緩解目前電量緊張的局面。通過以上保護(hù)控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以確保BFG安全穩(wěn)定的燃燒，經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，是全面可靠的。