張緒炎， 楊景祺， 康 磊， 周文臺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院， 上海 200240)

低氮燃燒器改造后機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略的研究

張緒炎， 楊景祺， 康 磊， 周文臺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院， 上海 200240)

針對低氮燃燒器改造后機組不能滿足電網(wǎng)自動發(fā)電量控制(AGC)控制要求的情況，對鍋爐燃燒特性、機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)以及AGC控制的響應(yīng)性進行了研究，主要分析了爐膛氧體積分?jǐn)?shù)、分離燃盡風(fēng)(SOFA)擋板開度、周界風(fēng)擋板開度、二次風(fēng)擋板開度對NOx生成的影響以及一次風(fēng)量控制對機組響應(yīng)性的影響，在此基礎(chǔ)上對機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計和調(diào)試.結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化后的機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略不僅實現(xiàn)了AGC控制的穩(wěn)定運行，而且保證了AGC控制中對精度的要求和響應(yīng)性的要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用在多臺低氮燃燒器改造的機組上，表明了該控制策略具有推廣性和復(fù)制性.

低氮燃燒器改造； 控制響應(yīng)性； 協(xié)調(diào)控制； 優(yōu)化設(shè)計

近年來為了滿足環(huán)保要求，燃煤電廠NOx排放越來越受到重視.為降低NOx排放，各電廠都進行了低氮燃燒器的改造.但在低氮燃燒器改造后，鍋爐的燃燒效率有所降低，機組主汽壓力、主汽溫度的調(diào)節(jié)特性都會發(fā)生變化，導(dǎo)致機組對電網(wǎng)自動發(fā)電量控制(AGC)控制的響應(yīng)性能和控制精度均有所下降，這些問題較集中地表現(xiàn)在國內(nèi)在運330 MW及以下機組，主要是燃燒器改造后鍋爐主燃燒區(qū)的燃燒率下降，鍋爐工質(zhì)吸熱下降.對于國內(nèi)600 MW及以上機組，由于在鍋爐總體設(shè)計上考慮了NOx的排放要求，鍋爐的總體燃燒放熱和工質(zhì)吸熱設(shè)計合理，因此在600 MW及以上機組上燃燒效率下降的現(xiàn)象并不突出.為保證在運330 MW機組低氮燃燒器改造后運行的穩(wěn)定性，適應(yīng)電網(wǎng)AGC的控制要求，有必要對低氮燃燒器改造后的機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略進行研究.

針對在運機組低氮燃燒器改造后鍋爐燃燒特性變化的特點，筆者圍繞機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)量控制、燃料控制和鍋爐主控控制，主要從氧體積分?jǐn)?shù)、二次風(fēng)門、周界風(fēng)、一次風(fēng)和鍋爐主控等方面進行控制調(diào)節(jié)，最終使機組的調(diào)節(jié)特性能滿足生產(chǎn)的要求.

1 低氮燃燒器的運行方式

1.1 NOx的生成機理

NOx主要指NO和NO2，鍋爐燃燒過程中生成的氮氧化物有3種：燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx.

燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，進一步氧化后生成的.燃料型NOx與氧的濃度和燃燒溫度有關(guān)，空氣越多(即氧量越多)，NOx生成量越多.

熱力型NOx是空氣中的氮在高溫下氧化生成的.影響熱力型NOx生成量的主要因素是燃燒反應(yīng)溫度，在1 350 ℃以下，熱力型NOx的生成量很少，隨著溫度的上升，熱力型NOx會急劇增加[1].

1.2 低氮燃燒器的改造

低氮燃燒器改造的主要目的是控制燃料型NOx及熱力型NOx的生成量，主要方法是控制鍋爐內(nèi)局部區(qū)域的空燃比和爐內(nèi)燃燒的最高溫度.

目前，低氮燃燒器改造的主要方式是采用分級送風(fēng)技術(shù)[2].在主燃燒器上方一定距離處增加燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)噴口設(shè)計為可以上下左右擺動，運行時通過噴口擺動以實現(xiàn)燃盡區(qū)內(nèi)合理的空氣分布，進而實現(xiàn)很好的燃盡效果.

低氮燃燒器改造后將鍋爐燃燒區(qū)域分成3個區(qū)域：主燃燒區(qū)、集中還原區(qū)和燃盡區(qū).其中主燃燒區(qū)的風(fēng)量占總風(fēng)量的70%，處于欠氧狀態(tài)下燃燒，控制了燃料型NOx的生成量.在降低主燃燒區(qū)NOx生成量的同時，也降低了主燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度.高位燃盡風(fēng)量約占總風(fēng)量的30%，燃盡風(fēng)用于將未燃盡的燃料顆粒燃盡，降低飛灰含碳量，同時燃盡風(fēng)的增加降低了煙氣溫度和熱力型NOx的生成量.

2 協(xié)調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)性

低氮燃燒器的改造降低了主燃燒區(qū)的燃燒強度和鍋爐輻射傳熱的強度，降低了鍋爐汽水流程中壓力、溫度參數(shù)對燃燒的響應(yīng)性，機組主汽壓力、主汽溫度的調(diào)節(jié)特性均發(fā)生了變化，導(dǎo)致機組不能滿足電網(wǎng)AGC控制響應(yīng)性能和控制精度的要求.在達(dá)到NOx排放要求的基礎(chǔ)上，通過對機爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制策略進行優(yōu)化，盡量提高主蒸汽參數(shù)對燃燒的響應(yīng)性，以滿足AGC控制的需求.

2.1 爐膛氧體積分?jǐn)?shù)對NOx生成的影響

煤粉燃燒過程就是各種劇烈的化學(xué)反應(yīng)過程，氧體積分?jǐn)?shù)越高，揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒過程越快，生成的NOx越多，通過試驗記錄了在300 MW、250 MW和200 MW負(fù)荷下NOx質(zhì)量濃度、飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下簡稱飛灰含碳量)、排煙溫度與氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系，結(jié)果如表1～表4所示.

表1 300 MW負(fù)荷下調(diào)整氧體積分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果

表2 250 MW負(fù)荷下調(diào)整氧體積分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果

2.2 燃盡風(fēng)擋板開度對NOx生成的影響

燃盡風(fēng)的配置主要是為了降低NOx的生成量，采用分級配風(fēng)模式[3]，在主燃燒區(qū)以缺氧方式運行，降低了燃料型NOx生成量.而分離燃盡風(fēng)(SOFA)則是在爐溫較低區(qū)域進行補風(fēng)，實現(xiàn)進一步的燃燒，降低飛灰含碳量，并降低熱力型NOx生成量.因此如何配置SOFA以達(dá)到既能降低NOx生成量又能降低飛灰含碳量[4]，提高主燃燒區(qū)的燃燒效率較為關(guān)鍵.鍋爐設(shè)置有4層SOFA，分別為SOFA1～SOFA4，由于4層SOFA位置不同，對NOx生成量及飛灰含碳量的影響不盡相同，因此需調(diào)整每層SOFA擋板開度，并研究其對NOx生成的影響.在300 MW負(fù)荷、2.2%氧體積分?jǐn)?shù)的條件下，調(diào)整SOFA擋板開度，NOx質(zhì)量濃度和飛灰含碳量的變化見表5.

表3 200 MW負(fù)荷下調(diào)整氧體積分?jǐn)?shù)試驗結(jié)果

表4 負(fù)荷與最優(yōu)氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

表5 SOFA擋板開度與NOx質(zhì)量濃度和飛灰含碳量的關(guān)系

Tab.5 Relations of SOFA damper opening with NOxconcentration and fly ash carbon content

名稱擋板開度/%NOx質(zhì)量濃度/(mg·m-3)飛灰含碳量/%SOFA1～SOFA41002503.11SOFA4SOFA3SOFA2SOFA15070100502302.48SOFA4SOFA3SOFA2SOFA1507080452402.56

從理論上講，SOFA擋板開度太大，雖然有利于減少NOx的生成，但是也會減少主燃燒區(qū)的供風(fēng)，不利于降低飛灰含碳量.因此，在沒有大幅度影響NOx生成的情況下，適當(dāng)減小SOFA擋板開度，增加主燃燒區(qū)的供風(fēng)，有利于降低飛灰含碳量.

在300 MW、250 MW和200 MW負(fù)荷下，保持氧體積分?jǐn)?shù)為定值，調(diào)整每層SOFA擋板開度，在滿足NOx排放要求的條件下，負(fù)荷與SOFA擋板開度的關(guān)系見表6.

表6 SOFA擋板開度與負(fù)荷、氧體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

2.3 二次風(fēng)擋板開度的調(diào)整

調(diào)整二次風(fēng)擋板開度的目的是既能有效控制NOx的生成量，又能合理降低飛灰含碳量，提高主燃燒區(qū)的燃燒效率.表7給出了二次風(fēng)擋板開度與負(fù)荷的關(guān)系.

表7 二次風(fēng)擋板開度與負(fù)荷的關(guān)系

2.4 一次風(fēng)量控制系統(tǒng)

2.4.1 磨煤機一次風(fēng)風(fēng)速及煤粉濃度調(diào)平

在中速磨煤機制粉系統(tǒng)中，一次風(fēng)承擔(dān)著煤粉的輸送任務(wù)，尤其在低氮燃燒器改造后，鍋爐的燃燒效率有所下降，一次風(fēng)系統(tǒng)需要均勻送粉、實時送粉，這對鍋爐穩(wěn)定燃燒、提高鍋爐燃燒響應(yīng)性具有重要意義.

如圖1所示，來自空氣預(yù)熱器的熱一次風(fēng)與來自一次風(fēng)機的冷一次風(fēng)混合后進入磨煤機，對煤粉進行加熱干燥以保證磨煤機的出口溫度.一次風(fēng)與煤粉混合后經(jīng)4個一次風(fēng)管再通過燃燒器進入爐膛，表8給出了在低氮燃燒器改造后的機組運行調(diào)研中，A、B、C、D、E磨煤機對應(yīng)的每層燃燒器一次風(fēng)管的煤粉濃度和一次風(fēng)風(fēng)速.

表8 未優(yōu)化的燃燒器一次風(fēng)管的煤粉濃度和一次風(fēng)風(fēng)速

圖1 磨煤機一次風(fēng)送粉圖

表8中各磨煤機的一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度偏差都較大，而運行中的一次風(fēng)母管壓力參數(shù)必須要保證最低風(fēng)速下一次風(fēng)管中不堵粉，這就使有些一次風(fēng)管的一次風(fēng)風(fēng)速過高，送粉不均勻，從而影響鍋爐運行效率.

在磨煤機煤粉輸送過程中，4個一次風(fēng)管的一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度應(yīng)盡量平衡，才能保證一次風(fēng)均勻送粉以及鍋爐穩(wěn)定燃燒，并提高一次風(fēng)機的運行效率.經(jīng)過對磨煤機一次風(fēng)粉混合管道上的調(diào)整門和磨煤機分配器上的煤粉分配門進行多次調(diào)整，得到4個一次風(fēng)管的一次風(fēng)風(fēng)速和煤粉濃度的關(guān)系(見表9).

表9 優(yōu)化后的燃燒器一次風(fēng)管的煤粉濃度和一次風(fēng)風(fēng)速

2.4.2 一次風(fēng)控制系統(tǒng)

磨煤機一次風(fēng)控制中必須保證2個控制指標(biāo)，一個是磨煤機出口溫度，另一個是保證磨煤機給煤量的一次風(fēng)量.

在常規(guī)的磨煤機一次風(fēng)控制中，利用冷風(fēng)門擋板開度控制磨煤機出口溫度，利用熱風(fēng)門擋板開度控制一次風(fēng)量.采用這樣的控制策略既保證了一次風(fēng)對煤粉的干燥又確保了煤粉的輸送.

由于多臺磨煤機的熱風(fēng)均來自空氣預(yù)熱器的熱一次風(fēng)母管，因此要達(dá)到通過調(diào)節(jié)磨煤機熱風(fēng)門擋板開度來實現(xiàn)熱風(fēng)流量的有效控制，還必須保證一次風(fēng)母管壓力.一般來說，一次風(fēng)母管壓力采用調(diào)節(jié)一次風(fēng)機出口擋板開度或一次風(fēng)機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn).磨煤機一次風(fēng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

p=f(Ud)

(1)

(2)

Tc=C

(3)

式中：p為一次風(fēng)母管壓力指令，kPa；Ud為機組負(fù)荷指令，MW；Fair為磨煤機一次風(fēng)量指令，t/h；fu為對應(yīng)給煤機給煤量，t/h；Tc為磨煤機出口溫度，℃；C為常量.

從式(1)～式(3)可以看出，一次風(fēng)母管壓力是機組負(fù)荷指令的函數(shù)，當(dāng)負(fù)荷一定時，一次風(fēng)母管壓力一定，保證了各磨煤機一次風(fēng)量的需求.各磨煤機一次風(fēng)量是給煤量的函數(shù)，兩者是動態(tài)的跟隨關(guān)系.為了提高送粉系統(tǒng)的響應(yīng)性，一次風(fēng)量指令中增加了給煤量的動態(tài)微分.

由于磨煤機一次風(fēng)測點在冷熱風(fēng)門擋板之后、磨煤機之前，測量條件不利于一次風(fēng)量測量信號的穩(wěn)定性，因此多數(shù)在運磨煤機一次風(fēng)量控制中不投自動，僅投運一次風(fēng)母管壓力控制.對于這樣的運行方式，要提高磨煤機的送風(fēng)響應(yīng)性就必須考慮一次風(fēng)母管壓力跟隨鍋爐燃料變化的響應(yīng)性，在給煤量變化時一次風(fēng)母管壓力快速變化，盡量快速輸送煤粉進入爐膛.

在這種控制方式下，如果一次風(fēng)母管壓力指令跟隨機組負(fù)荷指令，只能是跟隨其靜態(tài)控制特性，不能滿足燃燒發(fā)生變化時對燃料的輸送需求；如果一次風(fēng)母管壓力指令跟隨汽輪機調(diào)節(jié)級壓力，由于調(diào)節(jié)級壓力是調(diào)節(jié)參數(shù)，當(dāng)機組負(fù)荷指令變化時，一次風(fēng)母管壓力指令遲后于機組負(fù)荷指令，燃燒調(diào)解時延遲于燃料量，無論從靜態(tài)或動態(tài)方面都不適合做一次風(fēng)母管壓力指令.

結(jié)合實際運行情況，一次風(fēng)母管壓力跟隨投運給煤機的給煤量變化是合適的，磨煤機出口溫度指令是一個常量.此時磨煤機一次風(fēng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(4)

Δp=pe-p

(5)

(6)

式中：pe為一次風(fēng)母管壓力設(shè)定值，kPa；fu，i為第i臺給煤機給煤量，t/h；Ai為第i臺給煤機的運行狀態(tài)，運行為1，停止為0；Ne為實際負(fù)荷，MW；ΔN為負(fù)荷指令與實際負(fù)荷的差值，MW；Command為一次風(fēng)母管壓力控制指令，%；Kp和Kr分別為一次風(fēng)母管壓力控制的比例系數(shù)和前饋系數(shù)；Ti為一次風(fēng)母管壓力控制的積分時間，s.

圖2的現(xiàn)場調(diào)試曲線表明，一次風(fēng)母管壓力跟隨給煤量的變化基本可以保證一次風(fēng)實時送粉的需求，提高了鍋爐燃燒的響應(yīng)性.

圖2 一次風(fēng)母管壓力隨給煤量變化的調(diào)節(jié)曲線

2.5 協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

采用基于直接能量平衡(DEB)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)，其是以汽輪機的能量需求作為鍋爐輸入能量的設(shè)定值，控制目的是在任何工況下都能保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求相平衡.

DEB協(xié)調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

式中：p1為調(diào)節(jié)級壓力，MPa；pt為汽輪機調(diào)門前壓力測量值，MPa；ps為主汽壓力設(shè)定值，MPa；pd為汽包壓力，MPa；Ck為鍋爐蓄熱系數(shù).

圖3為本次優(yōu)化前的部分協(xié)調(diào)控制(CCS)圖.

低氮燃燒器改造后，鍋爐主燃燒區(qū)處于欠氧狀態(tài)，主燃燒區(qū)的溫度有所降低，導(dǎo)致鍋爐燃燒的響應(yīng)性下降，反映出鍋爐主汽壓力對燃料變化的響應(yīng)下降.采用DEB協(xié)調(diào)系統(tǒng)的一個重要特點是：DEB協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制的平衡參數(shù)是主汽壓力，調(diào)節(jié)對象是熱量信號(導(dǎo)前的汽包壓力)[5]，而在整個蒸汽系統(tǒng)中鍋爐汽包壓力對燃料變化的響應(yīng)要優(yōu)先于主汽壓力對燃料變化的響應(yīng)，因此研究整定汽包壓力微分的動態(tài)參數(shù)對提高鍋爐對燃料變化的響應(yīng)是有積極作用的，這一點對低氮燃燒器改造后的控制系統(tǒng)優(yōu)化具有重要意義.

圖3 本次優(yōu)化前的部分CCS控制圖

在AGC調(diào)節(jié)過程中，機組負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化，僅僅實現(xiàn)調(diào)節(jié)過程輸入與輸出的平衡是不夠的.為了分析機組的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，利用Matlab仿真技術(shù)建立機組鍋爐、汽輪機動態(tài)數(shù)據(jù)模型，以DEB協(xié)調(diào)系統(tǒng)為基本控制方案，分析鍋爐主控指令、機組動態(tài)前饋各參量的變化以及一次風(fēng)控制指令對機組負(fù)荷、主汽壓力和主汽溫度的影響.

系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中增加了機組負(fù)荷與燃料的靜態(tài)平衡關(guān)系和機組負(fù)荷指令與實際負(fù)荷的功差信號對燃料指令的動態(tài)關(guān)系，并將該關(guān)系以前饋的形式作用到鍋爐主控系統(tǒng)中，提高AGC控制的負(fù)荷響應(yīng)性，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(8)

式中：BD為鍋爐主控指令，%；n為DEB控制器的積分時間，s；Kpm為控制器比例；Nmw為經(jīng)過負(fù)荷變化率限制后的機組負(fù)荷指令，MW.

在現(xiàn)場進行大量的試驗和調(diào)整,確定被控對象的動態(tài)特性和靜態(tài)關(guān)系.從鍋爐給料、送粉和燃燒3個方面進行控制系統(tǒng)修改，優(yōu)化了鍋爐的一次風(fēng)母管壓力控制系統(tǒng)、鍋爐送風(fēng)控制系統(tǒng)、氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)、燃燒器二次風(fēng)門控制系統(tǒng)、燃燒器周界風(fēng)門控制系統(tǒng)、鍋爐主控系統(tǒng)和協(xié)調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示.

經(jīng)優(yōu)化后的協(xié)調(diào)系統(tǒng)最終實現(xiàn)了某電廠1號和2號機組燃燒系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)和AGC控制系統(tǒng)的投運，如圖5所示，控制系統(tǒng)在200～300 MW負(fù)荷內(nèi)能穩(wěn)定運行，在負(fù)荷變化率為7 MW/min的設(shè)定參數(shù)下，AGC 增減負(fù)荷速率、AGC調(diào)節(jié)精度、機組的響應(yīng)性和穩(wěn)定性均能滿足電網(wǎng)控制要求.

圖4 本次優(yōu)化部分的CCS圖

圖5 機組負(fù)荷與壓力調(diào)節(jié)曲線

3 結(jié) 論

(1) 鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度、飛灰含碳量和鍋爐燃燒效率等參數(shù)在不同機組負(fù)荷中對應(yīng)不同的二次風(fēng)擋板開度、周界風(fēng)擋板開度、SOFA擋板開度，要提高低氮燃燒器改造后的機爐協(xié)調(diào)響應(yīng)性，需要通過試驗找出這些參數(shù)之間的關(guān)系.

(2) 在確定以上參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，才能制定出一次風(fēng)指令的控制方案、鍋爐主控指令與機組負(fù)荷指令的動靜態(tài)參數(shù)，最終實現(xiàn)機組運行的響應(yīng)性和穩(wěn)定性.

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Study on the Control Strategy of a Boiler-Turbine Coordinated Control System After Low NOxCombustion Retrofit

ZHANGXuyan,YANGJingqi,KANGLei,ZHOUWentai

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

To solve the problem of a power unit that can't response the requirement of AGC control after low NOxcombustion retrofit on the boiler, a study was conducted on the combustion characteristics of the boiler, the regulating quality of the coordinated control system and the response ability of the AGC control, including an analysis on the effects of following factors on the NOxformation, such as the oxygen concentration in the furnace, the openings of SOFA damper, surrounding air damper and secondary air damper etc., while the influence of primary air combustion control on the unit response was investigated. On above basis, an optimized design and commissioning were carried out for the boiler-turbine coordinated control system. Results show that not only stable operation, but also high accuracy and quick response of the AGC control are achieved via the optimized coordinated control strategy, which has been successfully applied in low NOxcombustion retrofit of several units, proving the control strategy to be extendable and replicable.

low NOxcombustion retrofit; control response; coordinated control; design optimization

1674-7607(2017)08-0634-06

TK223.7

A

510.80

2016-08-25

2016-09-18

基于知識與大數(shù)據(jù)的燃煤電站智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究及應(yīng)用資助項目(16111106300)

張緒炎(1980-)，男，湖北大冶人，工程師，碩士，主要從事電站自動控制方面的研究.電話(Tel.)：021-64358710-485； E-mail：zhangxuyan@speri.com.cn．