陳 波，羅志浩，張永軍

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

火電機(jī)組一般采用增壓風(fēng)機(jī)提高原煙氣壓力，以克服脫硫裝置產(chǎn)生的壓降。在風(fēng)煙系統(tǒng)中，引風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)控制爐膛壓力，增壓風(fēng)機(jī)以控制其進(jìn)出口差壓或者入口壓力的方法來(lái)滿(mǎn)足脫硫系統(tǒng)的壓力要求。近年來(lái)，隨著環(huán)保要求的提高，脫硝已成為機(jī)組需要具備的功能。脫硝系統(tǒng)大多安裝在空預(yù)器中，為了克服新增脫硝裝置需要的壓力，必須增加引風(fēng)機(jī)出力。因此，在增大引風(fēng)機(jī)出力的同時(shí)保留增壓風(fēng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)增引風(fēng)機(jī)方案）和增大引風(fēng)機(jī)出力的同時(shí)取消增壓風(fēng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案）成為改造的兩套可選方案。本文就兩套方案進(jìn)行靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析和特殊工況分析，分別得出了兩套方案實(shí)施后可能對(duì)熱工控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響，并對(duì)比某實(shí)際改造工程的數(shù)據(jù)，從熱工控制方面給出了火電廠脫硝工程中風(fēng)煙系統(tǒng)改造方案的對(duì)比分析結(jié)論，為同類(lèi)改造的方案選擇提供參考。

1 風(fēng)煙系統(tǒng)改造方案的靜態(tài)分析

火電廠脫硝工程中風(fēng)煙系統(tǒng)改造方案可分別簡(jiǎn)化為圖1和圖2所示。假設(shè)煙氣為定常流動(dòng)的理想氣體，根據(jù)伯努利方程，對(duì)兩套方案進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定工況下的分析。

圖1 采用增引風(fēng)機(jī)的方案

圖2 采用聯(lián)合風(fēng)機(jī)的方案

1.1 增引風(fēng)機(jī)方案分析

如圖1所示，在系統(tǒng)中選取7個(gè)切面，分別是鍋爐爐膛出口切面1-1′、引風(fēng)機(jī)入口切面2-2′、引風(fēng)機(jī)出口切面3-3′、增引風(fēng)機(jī)管道中段切面4-4′、增壓風(fēng)機(jī)入口切面5-5′、增壓風(fēng)機(jī)出口切面6-6′和脫硫裝置入口切面7-7′。忽略氣體的高度勢(shì)能后，先對(duì)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析：

爐膛出口至引風(fēng)機(jī)入口：

引風(fēng)機(jī)出口至增引風(fēng)機(jī)管道中段：

引風(fēng)機(jī)全壓升：

式中：Pi為 i-i′切面上的靜壓；vi為 i-i′切面上的流速； ΔHi-j為 i-i′切面至 j-j′切面的管道壓損；（i，j=1，2，…）。由上述3個(gè)公式可以推導(dǎo)出：

式中：P1為爐膛壓力；P4為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力。

由此可知，在系統(tǒng)中煙氣處于定常流動(dòng)，即平衡狀態(tài)時(shí)，爐膛壓力受到引風(fēng)機(jī)出力和增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的影響。

對(duì)增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)同理分析可知，在系統(tǒng)中煙氣處于定常流動(dòng)，即平衡狀態(tài)時(shí)，脫硫系統(tǒng)入口的原煙氣壓力受到增壓風(fēng)機(jī)出力和增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的影響。

由上述公式分析推導(dǎo)可得：

1.2 聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案分析

如圖2所示，在系統(tǒng)中選取4個(gè)切面，分別是鍋爐爐膛出口切面1-1′、聯(lián)合風(fēng)機(jī)入口切面2-2′、聯(lián)合風(fēng)機(jī)出口切面3-3′和脫硫裝置入口切面7-7′。忽略氣體的高度勢(shì)能后，按照上述方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析可得：

1.3 對(duì)比結(jié)論

根據(jù)兩套方案的靜態(tài)分析結(jié)果，對(duì)比式（5）和（6）可以得出如下結(jié)論：

（1）增引風(fēng)機(jī)方案中，引風(fēng)機(jī)改造需要增加的壓升只需滿(mǎn)足克服空預(yù)器中脫硝裝置的需要；聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案中，引風(fēng)機(jī)改造需要增加的壓升除需滿(mǎn)足克服空預(yù)器中脫硝裝置的需要外，還要滿(mǎn)足脫硫系統(tǒng)的壓升。

（2）兩套方案中原引風(fēng)機(jī)的特性均發(fā)生了變化，和送風(fēng)機(jī)的配比關(guān)系亦發(fā)生了改變，需要對(duì)原爐膛壓力控制回路中的送風(fēng)機(jī)前饋、原RB回路中引/送風(fēng)機(jī)的上限定值進(jìn)行調(diào)整。

（3）增引風(fēng)機(jī)方案中，爐膛壓力由引風(fēng)機(jī)出力和增壓風(fēng)機(jī)入口壓力決定，其中增壓風(fēng)機(jī)入口壓力由增壓風(fēng)機(jī)出力和脫硫入口原煙氣壓力要求（即負(fù)荷）決定，爐膛壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)控制振蕩的情況。而聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案中，爐膛壓力僅由引風(fēng)機(jī)出力和脫硫入口原煙氣壓力要求決定，控制過(guò)程環(huán)節(jié)單一，不會(huì)出現(xiàn)控制振蕩的情況。

（4）增引風(fēng)機(jī)方案中，增壓風(fēng)機(jī)入口壓力由增壓風(fēng)機(jī)出力和脫硫入口原煙氣壓力要求決定。實(shí)施引風(fēng)機(jī)擴(kuò)容后，增壓風(fēng)機(jī)和煙氣流量的配比關(guān)系仍保持不變，無(wú)須調(diào)整。聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案中，原增壓風(fēng)機(jī)入口壓力點(diǎn)已無(wú)實(shí)際意義，爐膛壓力與脫硫系統(tǒng)的原煙氣壓力要求直接相關(guān)，而原煙氣的壓力要求并不是定值，將隨負(fù)荷而改變，因此需要完善爐膛壓力控制中的根據(jù)負(fù)荷段的變參數(shù)調(diào)節(jié)功能。若脫硫系統(tǒng)含有GGH（氣-氣加熱器），則原煙氣壓力要求較高，需要綜合考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程中管道的承壓能力。

2 風(fēng)煙系統(tǒng)改造方案的動(dòng)態(tài)分析

將火電廠脫硝工程中風(fēng)煙系統(tǒng)改造方案分別簡(jiǎn)化為如圖3和圖4所示。假設(shè)煙氣為非定常流動(dòng)的理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，對(duì)兩套方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況下的分析。

圖3 采用增引風(fēng)機(jī)的方案

圖4 采用聯(lián)合風(fēng)機(jī)的方案

2.1 增引風(fēng)機(jī)方案分析

如圖3所示，在系統(tǒng)中選取3個(gè)容積，分別是鍋爐爐膛容積V1、增引風(fēng)機(jī)之間的管道容積V2和增壓風(fēng)機(jī)后至脫硫裝置入口的管道容積V3。采用集總參數(shù)法，表征上述容積的壓力參數(shù)分別為爐膛壓力P1、增壓風(fēng)機(jī)入口壓力P2和脫硫裝置入口前的原煙氣壓力P3。根據(jù)理想氣體特性PV=mRT，分別對(duì)3個(gè)容積的壓力求導(dǎo)，可得：

爐膛壓力：

增壓風(fēng)機(jī)入口壓力：

脫硫裝置入口前原煙氣壓力：

式中：m為煙氣質(zhì)量；T為煙氣溫度；R為氣體常量。

若變化過(guò)程中煙氣溫度保持不變，那么容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化與容積的比值將決定該容積內(nèi)壓力變化的大小。假設(shè)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)速度相同，針對(duì)增引風(fēng)機(jī)方案可以得出如下結(jié)論：

（1）增壓風(fēng)機(jī)入口前壓力變化量最大，這主要是由于該處容積最小，且該容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化同時(shí)受到引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)出力的影響，因而變化也較大所導(dǎo)致。

（2）脫硫裝置入口前原煙氣壓力變化最小，這主要是由于該容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化僅受增壓風(fēng)機(jī)和排煙壓力影響，因此變化最小所導(dǎo)致。

（3）爐膛容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化雖然同時(shí)受到引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)出力的影響，變化較大，但是爐膛容積最大，因此爐膛壓力的變化介于上述兩者壓力之間。

2.2 聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案分析

如圖4所示，在系統(tǒng)中選取2個(gè)容積，分別是鍋爐爐膛容積V1和引風(fēng)機(jī)后至脫硫裝置入口的管道容積V3。按照上述方法和改造前系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，可得：

（1）由于容積V2和V3合并，因此脫硫裝置入口前原煙氣壓力變化更小，有利于控制。

（2）由于增壓風(fēng)機(jī)的取消，引風(fēng)機(jī)后壓力（即脫硫裝置入口前原煙氣壓力）的變化遠(yuǎn)小于原系統(tǒng)中增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的變化。因此，風(fēng)機(jī)合并改造后，在調(diào)節(jié)過(guò)程中鍋爐爐膛中煙氣質(zhì)量的變化要小于風(fēng)機(jī)合并改造前。故在煙氣質(zhì)量大幅變化時(shí)，聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案有利于爐膛壓力的控制。

2.3 對(duì)比結(jié)論

圖5和圖6分別為某600 MW機(jī)組在增引風(fēng)機(jī)方案和聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案時(shí)風(fēng)煙系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)壓力的控制情況。

從圖5和圖6的對(duì)比可以看出，采用聯(lián)合風(fēng)機(jī)控制時(shí)，即使?fàn)t膛壓力變化較大，脫硫系統(tǒng)入口前原煙氣壓力的波動(dòng)也較風(fēng)機(jī)合并改造前平穩(wěn)。同時(shí)系統(tǒng)中減少了壓力波動(dòng)最大的增壓風(fēng)機(jī)入口壓力環(huán)節(jié)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖5 增引風(fēng)機(jī)控制時(shí)風(fēng)煙系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)壓力變化情況

圖6 聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案改造后風(fēng)煙系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)壓力變化情況

3 特殊工況下的分析對(duì)比

特殊工況是指脫硫旁路擋板快開(kāi)和RUNBACK工況，這兩種工況對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)的擾動(dòng)都比較大。

3.1 脫硫旁路擋板快開(kāi)工況

圖7和圖8分別為兩套方案下脫硫旁路擋板相關(guān)的風(fēng)煙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖7 采用增引風(fēng)機(jī)的方案

圖8 采用聯(lián)合風(fēng)機(jī)的方案

脫硫旁路擋板快開(kāi)前，由于有增壓風(fēng)機(jī)的存在，1-1′切面和2-2′切面上的壓力將小于3-3′切面和4-4′切面上的壓力。而當(dāng)脫硫旁路擋板快開(kāi)后，原煙氣將不經(jīng)過(guò)脫硫裝置而直通大氣。因此不論采用何種改造方案，原煙氣壓力都將快速降至排煙壓力，即在旁路擋板快開(kāi)后，1-1′，2-2′，3-3′和4-4′切面上的壓力都將等于排煙壓力。所以增引風(fēng)機(jī)方案中引風(fēng)機(jī)后的壓力變化將小于聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案。

考慮到脫硫旁路擋板快開(kāi)后，聯(lián)合風(fēng)機(jī)后的靜壓隨原煙氣壓力快速下降，同時(shí)由于聯(lián)合風(fēng)機(jī)后的管道壓力快速下降，使得原煙氣流速增加，其動(dòng)壓是上升的。所以當(dāng)脫硫旁路擋板快開(kāi)后，聯(lián)合風(fēng)機(jī)后的煙氣全壓下降幅度小于靜壓下降幅度。因此爐膛壓力第一波的下降幅度將小于原煙氣的下降幅度，該過(guò)程是可控的。從某600 MW機(jī)組風(fēng)機(jī)合并改造后的試驗(yàn)曲線看，爐膛壓力第一波的下降幅度遠(yuǎn)小于原煙氣的下降幅度，整個(gè)過(guò)程控制平穩(wěn)。

對(duì)于脫硫旁路擋板快開(kāi)工況，增引風(fēng)機(jī)方案對(duì)過(guò)程參數(shù)的沖擊較小，而聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案雖然擾動(dòng)較大，但是過(guò)程處于受控狀態(tài)，而且可以根據(jù)需要增加引風(fēng)機(jī)的前饋。

3.2 RUNBACK工況

發(fā)生RUNBACK工況時(shí)，爐膛內(nèi)煙氣質(zhì)量大幅快速變化，將導(dǎo)致?tīng)t膛壓力和脫硫裝置入口前原煙氣壓力大幅度變化。在聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案中，考慮到聯(lián)合風(fēng)機(jī)出口無(wú)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)，控制環(huán)節(jié)單一，同時(shí)聯(lián)合風(fēng)機(jī)后管道容積內(nèi)的質(zhì)量變化小于增引風(fēng)機(jī)方案，因此風(fēng)煙系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)壓力的變化幅度將小于增引風(fēng)機(jī)方案。圖9所示為某600 MW機(jī)組風(fēng)機(jī)合并改造后的引風(fēng)機(jī)RUNBACK試驗(yàn)曲線，可以看出風(fēng)機(jī)合并改造后，RUNBACK工況下?tīng)t膛壓力和原煙氣壓力變化幅度均較小，RUNN BACK成功的可能性更大。

4 結(jié)論

根據(jù)以上定性分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在熱工控制方面可以得出如下結(jié)論：

（1）聯(lián)合風(fēng)機(jī)方案的特點(diǎn)在于：經(jīng)過(guò)對(duì)爐膛壓力控制回路的調(diào)整，增加變參數(shù)控制回路后，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)控制要求。系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)單一，減少了增壓風(fēng)機(jī)入口壓力這一波動(dòng)最大的控制點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中整個(gè)控制不易振蕩、更加穩(wěn)定。系統(tǒng)在RUNBACK等煙氣質(zhì)量大幅變化的惡劣工況下穩(wěn)定性較高。由于聯(lián)合風(fēng)機(jī)管道后煙氣壓力直接和原煙氣要求相關(guān)，若脫硫系統(tǒng)含有GGH，則聯(lián)合風(fēng)機(jī)管道后煙氣壓力較高，需要綜合考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程中管道的承壓能力。

圖9 引風(fēng)機(jī)RUNBACK試驗(yàn)曲線

（2）增引風(fēng)機(jī)方案的特點(diǎn)在于：系統(tǒng)對(duì)引風(fēng)機(jī)后的壓力是可控的，在穩(wěn)態(tài)工況下，易于提高爐膛壓力控制精度。在修正送/引風(fēng)機(jī)配比關(guān)系、調(diào)整引風(fēng)機(jī)控制參數(shù)后，系統(tǒng)可以滿(mǎn)足對(duì)RUNBACK等煙氣質(zhì)量大幅變化的惡劣工況的控制要求。該控制方式可以滿(mǎn)足原煙氣壓力較高時(shí)管道承壓能力的要求。

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[3]周明.風(fēng)機(jī)的恒風(fēng)量控制系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2007.