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案例頻道★遼寧華電鐵嶺發電有限公司張志，高寵博，肖光皓
關鍵詞：脫硝控制；鍋爐特性；協調控制；前饋控制
火電機組的環保改造主要是指對現役存量機組進行脫硫、脫硝、脫碳、減煙塵和汞及其化合物的設備進行更新和技術改造，目前國內主要是對脫硫和脫硝進行大面積改造以適應GB132230-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的要求。本文主要針對機組脫硝改造后造成協調控制系統無法投入的問題進行分析以及在控制策略上進行完善。鑒于超臨界、超超臨界機組普遍采用低NOX燃燒器，本文進行相應脫硝改造的機組是20世紀90年代投產的300MW、600MW等級汽包爐機組，它們在控制上出現的基本上都是由于分層配風、弱化燃燒導致的主蒸汽壓力波動大、鍋爐負荷響應慢等問題。
1 火電廠鍋爐內NOX生成機理及常用控制技術
1.1 爐內NOX生成機理
火電廠鍋爐燃燒過程中生成的NOX有三種途徑：熱力型NOX是在燃燒過程中，空氣中的氮氣在高溫下氧化而產生的氮氧化物；快速型或稱瞬時型NOX是在碳化氫燃料過濃時燃燒產生的氮氧化物；燃料型NOX是燃料中含有的氮的化合物在燃燒過程中經熱分解和氧化而成的氮氧化物。
熱力型NOX，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NOX的生成速度按指數規律增長。以煤粉爐為例，在燃燒溫度為1350攝氏度時，幾乎100%是燃料型NOX，但當溫度為1600攝氏度時，熱力型NOX可占爐內NOX總量的25%～30%。
快速型NOX，是先通過燃料產生的烴離子基團撞擊空氣中的氮分子，生成中間產物，再進一步被氧化成NOX。在燃煤鍋爐中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氫類燃料時才予以考慮。
燃料型NOX，煤中的氮一般以氮原子的形態與各種碳氫化合物結合成氮的環狀或鏈狀化合物，因此，燃燒時有機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熱分解和氧化反應而生成的物質就是燃料型NOX。燃料型NOX的生成過程十分復雜，要涉及多種化學反應和化學動力學參數，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分和焦炭中的比例有關，隨空氣-燃料混合比、溫度和氧量等燃燒條件而變。經研究發現，燃料型NOX主要來源于揮發分氮的轉化，占總量的60%～90%，其余來源于焦碳氮。
燃煤鍋爐排放NOX，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NOX的生成與溫度、壓力、氮濃度、氧濃度以及停留時間有關。反應溫度、過剩空氣系數和停留時間對熱力型NOX的生成有決定性影響。
1.2 NOX常用排放控制技術
經過多年的研究及發展，燃煤鍋爐NOX控制主要分為爐內的NOX燃燒技術和煙氣脫硝技術兩類：爐內低氮燃燒技術主要采用低NOX燃燒器、爐內空氣分級燃燒等技術；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 爐內結焦、積灰嚴重
低NOX燃燒器、爐內空氣分級燃燒技術，使爐內煤粉燃燒過程拉長，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結焦、積灰加劇。在快速變負荷或高負荷階段尤其明顯。
2.2 制粉系統出力降低
煙氣脫硝改造后，造成空氣預熱器入口煙溫降低過多并導致磨入口一次風溫度下降過大，使制粉系統干燥出力不足。
2.3 NH3逃逸對下游設備影響
少量的NH3隨煙氣逃逸出反應器，催化劑的氧化作用使部分SO2氧化為SO3，與NH3反應生成大量氧化物，沉積在催化劑表面和空氣預熱器換熱管上，冷凝后析出晶體物質，與煙塵混合，降低了催化劑的活性，增大了空氣預熱器的換熱阻力和堵塞、腐蝕風險。
2.4 協調控制系統無法投入
經過燃燒器和脫硝改造后，鍋爐燃燒嚴重滯后，經過測算在負荷低于480MW時，從煤量進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；在負荷大于480MW時，相應鍋爐起壓時間甚至延遲到3分鐘左右，造成汽輪機調閥全開情況下功率也無法嚴格跟隨AGC指令變化。因此，協調控制策略邏輯優化著重解決機組變負荷能力差、主蒸汽溫度波動大、劣質煤低負荷穩定燃燒以及機組經濟運行問題，在滿足電網AGC功能要求以及提高機組經濟運行前提下，提高機組運行的安全性和穩定性。
此外，需要指出的是燃燒的滯后，導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 脫硝改造后的優化內容
隨著火電機組脫硫和脫硝改造的全面開展，鍋爐燃燒的實際狀況發生了很大的改變，特別是燃燒器配風的改造，使燃料在爐內分段逐級燃燒，實現了降低NOX的目的。但這種分層配風方式對機組燃燒、各層二次風擋板的控制、總風量及爐內氧量控制等提出了新的要求并直接關系著機組運行的安全性、穩定性和經濟性。因此，對鍋爐送風系統、二次風系統的控制策略及燃料配風進行控制上的總體優化及運行方式調整非常必要。在保證環保指標的同時，減少電網“兩個細則”的考核，對提高機組運行的自動控制水平，降低運行人員的勞動強度具有重要意義。
3.1 二次風系統控制策略完善
針對機組運行過程投運煤粉的每層二次風門，優化燃料量與二次風門擋板開度的對應關系，擬合運行過程燃料量變化與最優二次風門開度曲線。
針對機組運行過程不投運煤粉的每層二次風門，優化負荷與二次風門擋板開度的對應關系，既保證燃燒器的冷卻，又實現合理的二次風與爐膛差壓。
對送風機及氧量控制策略進行研究，將送風機控制二次風母管壓力、燃燒器風門控制風量及氧量的方式改為由送風控制總風量并最終確保省煤器出口氧量的串級控制策略，同時在高負荷時考慮如何兼顧送風機出力及二次風壓變化，確保送風機的安全運行。
在不同負荷段特別是高負荷段，通過對相關二次風擋板的調整，優化燃燒過程配風變化對NOX生成的影響，實現低氮燃燒。
研究確定合適的風煤比曲線、一次風量與二次風量配比曲線，實現鍋爐燃燒的經濟性和鍋爐響應熱負荷變化的快速性。
3.2 燃燒系統整體控制策略完善
在機組高負荷階段，針對鍋爐燃燒慣性大的特點，重點解決升負荷階段各過熱段超溫問題；同時研究風量和燃料的相關控制策略，實現機組負荷變化的快速性并兼顧好送風、燃料、氧量間的匹配。
3.3 供熱控制方式的控制完善
在機組供熱投入后，優化熱負荷的相關控制策略，實現鍋爐供熱條件下的相關控制。
4 機組協調控制策略完善
主蒸汽壓力控制是協調控制系統關鍵的環節，主蒸汽壓力變化過程對機組的外特性來說影響機組的變負荷，對內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組非常重要。在機組的整個模擬量控制策略中，不僅要考慮機、爐間的協調一致，還要考慮燃料和送風的匹配、主再熱蒸汽溫度控制等問題。
4.1 鍋爐主控回路
根據機組直接能量平衡或直接指令平衡控制策略，重新構造平衡邏輯。在鍋爐主控PID調節器上增加負荷指令函數和變負荷燃料前饋信號作為燃料量指令的前饋信號，同時增加隨負荷指令的變參數控制邏輯。
4.2 煤質校正回路
新增加煤質校正回路，實現煤質校正自動計算，以此滿足運行過程煤質變化的問題。同時對煤質校正調節的參數進行整定，使其適應不同運行工況，但是在煤質劇烈變化或煤層投運變化劇烈時，由運行人員及時手動預先干預調整。
4.3 汽輪機主控回路
將汽輪機主控回路優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AGC方式對負荷快速響應的要求，同時兼顧機、爐能量的平衡。根據汽輪機主控主要控制機組功率偏差的策略，對調節參數進行優化。同時根據一次調頻要求，在汽輪機主控回路單獨分離一次調頻負荷信號為直通分量，并增加一次調頻動作時閉鎖主蒸汽壓力偏差對負荷指令的修正功能，確保一次調頻動作方向正確、幅度足夠。
4.4 變負荷前饋控制
為了適應機組連續變負荷的能力，新增加了機組變負荷前饋控制邏輯，主要由變負荷前饋及變負荷結束時的“剎車”回路、燃料量前饋回路、給水量前饋回路和送風量前饋回路組成。通過不同的變負荷速率，形成一定比例關系的燃料、給水和送風量并進入各子控制系統，滿足機組連續變負荷對功率、壓力和溫度的要求。
4.5 送風及引風控制
原送風機控制二次風壓，燃燒器風門調節燃料量對應的總風量，同時氧量調節直接修正燃燒風量的設定，設置為送風機控制總風量，二次風擋板開度用于匹配燃料量變化并通過尾部煙道氧量調節進行總風量校正。根據變負荷要求同步增加送風變負荷前饋回路，實現在滿足環保對NOX排放前提下縮短進入鍋爐燃料的燃燒時間，提高風煤比的響應速度，進而提高機組變負荷能力。同時根據脫硝改造后風道阻力的變化，進一步完善送風對引風的前饋功能。
4.6 一次風機控制
鍋爐燃燒率的變化決定鍋爐負荷的響應速度，因此，為提高鍋爐燃燒率，必須增強變負荷過程的風粉比控制，一次風干燥并攜帶煤粉量成為變負荷過程的關鍵。
一次風機系統增加變容量風壓偏置回路，同時完善偏置自動跟蹤切換回路。一次風壓設定使用實發功率，因給煤機稱重不準且時常發生棚煤現象造成給煤機轉速飛升，無法使用磨煤機最大給煤量作為一次風壓設定信號。控制上修改一次風機風壓設定為最大給煤機轉速指令換算的最大給煤量函數，同時在變負荷中對一次風壓設定偏置進行最大±3kPa變動。
4.7 磨煤機冷熱風擋板控制
增加磨煤機冷熱風擋板之間的交叉前饋，實現增加磨一次風量時，熱風擋板打開的同時冷熱風擋板按一定前饋同步增加開度。
優化磨煤機出口溫度控制，增加冷熱風擋板交叉限制前饋，熱風擋板對冷風擋板前饋30%，給煤機指令對冷風擋板前饋-20%，冷風擋板對熱風擋板前饋-20%；給煤機指令對熱風增加前饋，并在熱風流量控制指令之上增加變容量風量偏置回路，進一步提高動態風粉比的變化幅度。
此外，熱風擋板的控制上增加磨一次風量設定偏置自動跟蹤功能，確保調節過程上的無擾切換。
5 結語
當前的火電機組，由于國家環保政策的要求，必須進行脫硝系統的改造及控制優化，同時脫硝系統的增加又使單元機組各個控制子系統的控制有必要進行重新調試。做好這兩個方面的調試優化工作，不管是對火電機組的環保運行，還是對提升關鍵電能指標，都具有重要的現實意義。
作者簡介：
張 志（1977-），男，工程師，碩士，現就職于遼寧華電鐵嶺發電有限公司，主要從事火電機組自動控制方面的研究。
參考文獻：
[1] 淮南市電機工程學會. 火電機組典型案例技術分析及防范措施[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.
[2] 趙志丹, 高奎, 陳志剛, 等. 超(超)臨界機組模擬量控制系統的調試及優化[M]. 北京: 中國電力出版社, 2016.
摘自《自動化博覽》2024年7月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號