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★遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司張志，高寵博，肖光皓

關(guān)鍵詞：脫硝控制；鍋爐特性；協(xié)調(diào)控制；前饋控制

火電機(jī)組的環(huán)保改造主要是指對現(xiàn)役存量機(jī)組進(jìn)行脫硫、脫硝、脫碳、減煙塵和汞及其化合物的設(shè)備進(jìn)行更新和技術(shù)改造，目前國內(nèi)主要是對脫硫和脫硝進(jìn)行大面積改造以適應(yīng)GB132230-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。本文主要針對機(jī)組脫硝改造后造成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法投入的問題進(jìn)行分析以及在控制策略上進(jìn)行完善。鑒于超臨界、超超臨界機(jī)組普遍采用低NO_X燃燒器，本文進(jìn)行相應(yīng)脫硝改造的機(jī)組是20世紀(jì)90年代投產(chǎn)的300MW、600MW等級汽包爐機(jī)組，它們在控制上出現(xiàn)的基本上都是由于分層配風(fēng)、弱化燃燒導(dǎo)致的主蒸汽壓力波動大、鍋爐負(fù)荷響應(yīng)慢等問題。

1　火電廠鍋爐內(nèi)NO_X生成機(jī)理及常用控制技術(shù)

1.1　爐內(nèi)NO_X生成機(jī)理

火電廠鍋爐燃燒過程中生成的NO_X有三種途徑：熱力型NO_X是在燃燒過程中，空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸a(chǎn)生的氮氧化物；快速型或稱瞬時型NO_X是在碳化氫燃料過濃時燃燒產(chǎn)生的氮氧化物；燃料型NO_X是燃料中含有的氮的化合物在燃燒過程中經(jīng)熱分解和氧化而成的氮氧化物。

熱力型NO_X，溫度在氮氧化物生成的過程中具有決定性作用，隨著溫度的升高，熱力型NO_X的生成速度按指數(shù)規(guī)律增長。以煤粉爐為例，在燃燒溫度為1350攝氏度時，幾乎100%是燃料型NO_X，但當(dāng)溫度為1600攝氏度時，熱力型NO_X可占爐內(nèi)NO_X總量的25%～30%。

快速型NO_X，是先通過燃料產(chǎn)生的烴離子基團(tuán)撞擊空氣中的氮分子，生成中間產(chǎn)物，再進(jìn)一步被氧化成NO_X。在燃煤鍋爐中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳?xì)漕惾剂蠒r才予以考慮。

燃料型NO_X，煤中的氮一般以氮原子的形態(tài)與各種碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成氮的環(huán)狀或鏈狀化合物，因此，燃燒時有機(jī)物中的原子氮容易分解出來并生成氮氧化物。這種燃料中的氮氧化物經(jīng)熱分解和氧化反應(yīng)而生成的物質(zhì)就是燃料型NO_X。燃料型NO_X的生成過程十分復(fù)雜，要涉及多種化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)動力學(xué)參數(shù)，它的生成和破壞過程與燃料中的氮分子受熱分解后在揮發(fā)分和焦炭中的比例有關(guān)，隨空氣-燃料混合比、溫度和氧量等燃燒條件而變。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，燃料型NO_X主要來源于揮發(fā)分氮的轉(zhuǎn)化，占總量的60%～90%，其余來源于焦碳氮。

燃煤鍋爐排放NO_X，主要由NO、NO₂及微量N₂O組成，其中NO體積超過90%，NO₂體積為5%～10%，N₂O體積約為1%。在燃燒過程中，熱力型NO_X的生成與溫度、壓力、氮濃度、氧濃度以及停留時間有關(guān)。反應(yīng)溫度、過剩空氣系數(shù)和停留時間對熱力型NO_X的生成有決定性影響。

1.2　NO_X常用排放控制技術(shù)

經(jīng)過多年的研究及發(fā)展，燃煤鍋爐NO_X控制主要分為爐內(nèi)的NO_X燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)兩類：爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)主要采用低NO_X燃燒器、爐內(nèi)空氣分級燃燒等技術(shù)；煙氣脫硝主要采用選擇性催化還原脫硝、選擇性非催化還原脫硝等。

2　脫硝改造后鍋爐特性的主要變化

2.1　爐內(nèi)結(jié)焦、積灰嚴(yán)重

低NO_X燃燒器、爐內(nèi)空氣分級燃燒技術(shù)，使?fàn)t內(nèi)煤粉燃燒過程拉長，爐膛出口煙溫升高，空氣分級會造成飛灰含量的增加和爐內(nèi)結(jié)焦、積灰加劇。在快速變負(fù)荷或高負(fù)荷階段尤其明顯。

2.2　制粉系統(tǒng)出力降低

煙氣脫硝改造后，造成空氣預(yù)熱器入口煙溫降低過多并導(dǎo)致磨入口一次風(fēng)溫度下降過大，使制粉系統(tǒng)干燥出力不足。

2.3　NH₃逃逸對下游設(shè)備影響

少量的NH₃隨煙氣逃逸出反應(yīng)器，催化劑的氧化作用使部分SO₂氧化為SO₃，與NH₃反應(yīng)生成大量氧化物，沉積在催化劑表面和空氣預(yù)熱器換熱管上，冷凝后析出晶體物質(zhì)，與煙塵混合，降低了催化劑的活性，增大了空氣預(yù)熱器的換熱阻力和堵塞、腐蝕風(fēng)險。

2.4　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法投入

經(jīng)過燃燒器和脫硝改造后，鍋爐燃燒嚴(yán)重滯后，經(jīng)過測算在負(fù)荷低于480MW時，從煤量進(jìn)入爐膛到氧量顯著變化需要1.5分鐘，到鍋爐主蒸汽壓力變化需要2分鐘的純遲延時間；在負(fù)荷大于480MW時，相應(yīng)鍋爐起壓時間甚至延遲到3分鐘左右，造成汽輪機(jī)調(diào)閥全開情況下功率也無法嚴(yán)格跟隨AGC指令變化。因此，協(xié)調(diào)控制策略邏輯優(yōu)化著重解決機(jī)組變負(fù)荷能力差、主蒸汽溫度波動大、劣質(zhì)煤低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒以及機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題，在滿足電網(wǎng)AGC功能要求以及提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行前提下，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

此外，需要指出的是燃燒的滯后，導(dǎo)致鍋爐的輻射換熱減少、過熱面換熱增加、過熱減溫水量偏大，有必要在改造燃燒器的同時，增加減溫水的總體流量。

3　脫硝改造后的優(yōu)化內(nèi)容

隨著火電機(jī)組脫硫和脫硝改造的全面開展，鍋爐燃燒的實際狀況發(fā)生了很大的改變，特別是燃燒器配風(fēng)的改造，使燃料在爐內(nèi)分段逐級燃燒，實現(xiàn)了降低NO_X的目的。但這種分層配風(fēng)方式對機(jī)組燃燒、各層二次風(fēng)擋板的控制、總風(fēng)量及爐內(nèi)氧量控制等提出了新的要求并直接關(guān)系著機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。因此，對鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)、二次風(fēng)系統(tǒng)的控制策略及燃料配風(fēng)進(jìn)行控制上的總體優(yōu)化及運(yùn)行方式調(diào)整非常必要。在保證環(huán)保指標(biāo)的同時，減少電網(wǎng)“兩個細(xì)則”的考核，對提高機(jī)組運(yùn)行的自動控制水平，降低運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度具有重要意義。

3.1　二次風(fēng)系統(tǒng)控制策略完善

針對機(jī)組運(yùn)行過程投運(yùn)煤粉的每層二次風(fēng)門，優(yōu)化燃料量與二次風(fēng)門擋板開度的對應(yīng)關(guān)系，擬合運(yùn)行過程燃料量變化與最優(yōu)二次風(fēng)門開度曲線。

針對機(jī)組運(yùn)行過程不投運(yùn)煤粉的每層二次風(fēng)門，優(yōu)化負(fù)荷與二次風(fēng)門擋板開度的對應(yīng)關(guān)系，既保證燃燒器的冷卻，又實現(xiàn)合理的二次風(fēng)與爐膛差壓。

對送風(fēng)機(jī)及氧量控制策略進(jìn)行研究，將送風(fēng)機(jī)控制二次風(fēng)母管壓力、燃燒器風(fēng)門控制風(fēng)量及氧量的方式改為由送風(fēng)控制總風(fēng)量并最終確保省煤器出口氧量的串級控制策略，同時在高負(fù)荷時考慮如何兼顧送風(fēng)機(jī)出力及二次風(fēng)壓變化，確保送風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

在不同負(fù)荷段特別是高負(fù)荷段，通過對相關(guān)二次風(fēng)擋板的調(diào)整，優(yōu)化燃燒過程配風(fēng)變化對NO_X生成的影響，實現(xiàn)低氮燃燒。

研究確定合適的風(fēng)煤比曲線、一次風(fēng)量與二次風(fēng)量配比曲線，實現(xiàn)鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐響應(yīng)熱負(fù)荷變化的快速性。

3.2　燃燒系統(tǒng)整體控制策略完善

在機(jī)組高負(fù)荷階段，針對鍋爐燃燒慣性大的特點，重點解決升負(fù)荷階段各過熱段超溫問題；同時研究風(fēng)量和燃料的相關(guān)控制策略，實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷變化的快速性并兼顧好送風(fēng)、燃料、氧量間的匹配。

3.3　供熱控制方式的控制完善

在機(jī)組供熱投入后，優(yōu)化熱負(fù)荷的相關(guān)控制策略，實現(xiàn)鍋爐供熱條件下的相關(guān)控制。

4　機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略完善

主蒸汽壓力控制是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主蒸汽壓力變化過程對機(jī)組的外特性來說影響機(jī)組的變負(fù)荷，對內(nèi)特性來說影響鍋爐的汽溫控制，所以選取合適的滑壓曲線對于機(jī)組非常重要。在機(jī)組的整個模擬量控制策略中，不僅要考慮機(jī)、爐間的協(xié)調(diào)一致，還要考慮燃料和送風(fēng)的匹配、主再熱蒸汽溫度控制等問題。

4.1　鍋爐主控回路

根據(jù)機(jī)組直接能量平衡或直接指令平衡控制策略，重新構(gòu)造平衡邏輯。在鍋爐主控PID調(diào)節(jié)器上增加負(fù)荷指令函數(shù)和變負(fù)荷燃料前饋信號作為燃料量指令的前饋信號，同時增加隨負(fù)荷指令的變參數(shù)控制邏輯。

4.2　煤質(zhì)校正回路

新增加煤質(zhì)校正回路，實現(xiàn)煤質(zhì)校正自動計算，以此滿足運(yùn)行過程煤質(zhì)變化的問題。同時對煤質(zhì)校正調(diào)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行整定，使其適應(yīng)不同運(yùn)行工況，但是在煤質(zhì)劇烈變化或煤層投運(yùn)變化劇烈時，由運(yùn)行人員及時手動預(yù)先干預(yù)調(diào)整。

4.3　汽輪機(jī)主控回路

將汽輪機(jī)主控回路優(yōu)化為以功率偏差為主、主蒸汽壓力偏差為輔的控制策略，以適應(yīng)AGC方式對負(fù)荷快速響應(yīng)的要求，同時兼顧機(jī)、爐能量的平衡。根據(jù)汽輪機(jī)主控主要控制機(jī)組功率偏差的策略，對調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時根據(jù)一次調(diào)頻要求，在汽輪機(jī)主控回路單獨(dú)分離一次調(diào)頻負(fù)荷信號為直通分量，并增加一次調(diào)頻動作時閉鎖主蒸汽壓力偏差對負(fù)荷指令的修正功能，確保一次調(diào)頻動作方向正確、幅度足夠。

4.4　變負(fù)荷前饋控制

為了適應(yīng)機(jī)組連續(xù)變負(fù)荷的能力，新增加了機(jī)組變負(fù)荷前饋控制邏輯，主要由變負(fù)荷前饋及變負(fù)荷結(jié)束時的“剎車”回路、燃料量前饋回路、給水量前饋回路和送風(fēng)量前饋回路組成。通過不同的變負(fù)荷速率，形成一定比例關(guān)系的燃料、給水和送風(fēng)量并進(jìn)入各子控制系統(tǒng)，滿足機(jī)組連續(xù)變負(fù)荷對功率、壓力和溫度的要求。

4.5　送風(fēng)及引風(fēng)控制

原送風(fēng)機(jī)控制二次風(fēng)壓，燃燒器風(fēng)門調(diào)節(jié)燃料量對應(yīng)的總風(fēng)量，同時氧量調(diào)節(jié)直接修正燃燒風(fēng)量的設(shè)定，設(shè)置為送風(fēng)機(jī)控制總風(fēng)量，二次風(fēng)擋板開度用于匹配燃料量變化并通過尾部煙道氧量調(diào)節(jié)進(jìn)行總風(fēng)量校正。根據(jù)變負(fù)荷要求同步增加送風(fēng)變負(fù)荷前饋回路，實現(xiàn)在滿足環(huán)保對NO_X排放前提下縮短進(jìn)入鍋爐燃料的燃燒時間，提高風(fēng)煤比的響應(yīng)速度，進(jìn)而提高機(jī)組變負(fù)荷能力。同時根據(jù)脫硝改造后風(fēng)道阻力的變化，進(jìn)一步完善送風(fēng)對引風(fēng)的前饋功能。

4.6　一次風(fēng)機(jī)控制

鍋爐燃燒率的變化決定鍋爐負(fù)荷的響應(yīng)速度，因此，為提高鍋爐燃燒率，必須增強(qiáng)變負(fù)荷過程的風(fēng)粉比控制，一次風(fēng)干燥并攜帶煤粉量成為變負(fù)荷過程的關(guān)鍵。

一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)增加變?nèi)萘匡L(fēng)壓偏置回路，同時完善偏置自動跟蹤切換回路。一次風(fēng)壓設(shè)定使用實發(fā)功率，因給煤機(jī)稱重不準(zhǔn)且時常發(fā)生棚煤現(xiàn)象造成給煤機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，無法使用磨煤機(jī)最大給煤量作為一次風(fēng)壓設(shè)定信號。控制上修改一次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓設(shè)定為最大給煤機(jī)轉(zhuǎn)速指令換算的最大給煤量函數(shù)，同時在變負(fù)荷中對一次風(fēng)壓設(shè)定偏置進(jìn)行最大±3kPa變動。

4.7　磨煤機(jī)冷熱風(fēng)擋板控制

增加磨煤機(jī)冷熱風(fēng)擋板之間的交叉前饋，實現(xiàn)增加磨一次風(fēng)量時，熱風(fēng)擋板打開的同時冷熱風(fēng)擋板按一定前饋同步增加開度。

優(yōu)化磨煤機(jī)出口溫度控制，增加冷熱風(fēng)擋板交叉限制前饋，熱風(fēng)擋板對冷風(fēng)擋板前饋30%，給煤機(jī)指令對冷風(fēng)擋板前饋-20%，冷風(fēng)擋板對熱風(fēng)擋板前饋-20%；給煤機(jī)指令對熱風(fēng)增加前饋，并在熱風(fēng)流量控制指令之上增加變?nèi)萘匡L(fēng)量偏置回路，進(jìn)一步提高動態(tài)風(fēng)粉比的變化幅度。

此外，熱風(fēng)擋板的控制上增加磨一次風(fēng)量設(shè)定偏置自動跟蹤功能，確保調(diào)節(jié)過程上的無擾切換。

5　結(jié)語

當(dāng)前的火電機(jī)組，由于國家環(huán)保政策的要求，必須進(jìn)行脫硝系統(tǒng)的改造及控制優(yōu)化，同時脫硝系統(tǒng)的增加又使單元機(jī)組各個控制子系統(tǒng)的控制有必要進(jìn)行重新調(diào)試。做好這兩個方面的調(diào)試優(yōu)化工作，不管是對火電機(jī)組的環(huán)保運(yùn)行，還是對提升關(guān)鍵電能指標(biāo)，都具有重要的現(xiàn)實意義。

作者簡介：

張　志（1977-），男，工程師，碩士，現(xiàn)就職于遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，主要從事火電機(jī)組自動控制方面的研究。

參考文獻(xiàn)：

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摘自《自動化博覽》2024年7月刊