張 瑩，付 星，魏 靜

（1.華能新疆輪臺熱電分公司，新疆 庫爾勒 841600；2.國家電投集團平潭能源有限公司，福建 福州 350440；3.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

目前，國內(nèi)多數(shù)大型燃煤鍋爐燃燒控制原則是以煙氣中的含氧量來控制燃燒效率，傳統(tǒng)送風(fēng)控制方案中，鍋爐氧量給定值只是負荷的簡單函數(shù)，當(dāng)鍋爐入爐煤質(zhì)變化時，氧量給定值沒有考慮煤質(zhì)變化對氧量需求的變化，很難保證鍋爐在最佳經(jīng)濟狀態(tài)下運行［1］。針對目前鍋爐普遍缺乏有效燃燒效率檢測手段，致使鍋爐燃燒效率偏低，燃燒控制方案中有必要引入直接能反映燃燒效率的煙氣成分一氧化碳含量。在鍋爐省煤器出口水平煙道上加裝CO含量測量裝置并將CO測量數(shù)據(jù)引入機組分散控制系統(tǒng)（DCS）。根據(jù)CO與O2量所對應(yīng)的鍋爐煙氣熱損失的特性關(guān)系，采用以燃料量進行過量空氣的粗調(diào)，以CO含量進行細調(diào)的燃燒調(diào)整新控制策略。通過優(yōu)化DCS送風(fēng)控制邏輯，實時在線修正氧量給定值，實現(xiàn)鍋爐送風(fēng)量快速、精確控制，提高鍋爐燃燒效率，使鍋爐運行在最經(jīng)濟的工況下，同時有效控制污染物排放。

1 常規(guī)送風(fēng)控制策略及存在的問題

1.1 常規(guī)送風(fēng)控制策略

目前國內(nèi)電站煤粉鍋爐燃燒控制設(shè)計以控制合適的過量空氣系數(shù)為原則，控制燃料與空氣的適當(dāng)比例使鍋爐處于較佳燃燒狀態(tài)。為了使氧量給定值隨負荷改變而變化，常規(guī)燃燒控制的DCS邏輯中，將負荷信號通過一個函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個隨負荷而改變的最佳含氧量信號，作為氧量校正調(diào)節(jié)器的給定值，不同負荷下的最佳氧量值由鍋爐熱效率試驗確定后，設(shè)置在函數(shù)發(fā)生器中。

圖1所示為具有氧量校正調(diào)節(jié)的送風(fēng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個有燃料量前饋的風(fēng)量和氧量兩個調(diào)節(jié)器組成的串級控制系統(tǒng)，風(fēng)量調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是保持送風(fēng)量與燃料量的基本比例，起到快速粗調(diào)的作用［2］。氧量調(diào)節(jié)器的作用是在風(fēng)量調(diào)節(jié)器保證了燃料量與送風(fēng)量成基本比例的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)送風(fēng)量的校正調(diào)節(jié)，主要是起到細調(diào)的作用，保證燃料量與送風(fēng)量之間的最佳比值，使鍋爐運行于較經(jīng)濟燃燒工況。

圖1 帶氧量校正的送風(fēng)控制原理框圖

1.2 送風(fēng)控制存在的問題

1.2.1 單一控制氧量的不全面性

煙氣含氧量僅僅是燃燒過程中反映過量空氣的狀態(tài)數(shù)據(jù)之一，單純通過氧量來監(jiān)測控制燃燒不足以準(zhǔn)確判斷出真實燃燒狀況。氧量并不能反映爐內(nèi)煤粉和空氣混合狀況的好壞，即使氧量足夠，若風(fēng)粉混合不好，也會燃燒不充分，煙氣中將會含有未燃盡的可燃氣體，使燃燒效率降低。

1.2.2 煤質(zhì)變化對氧量控制的影響

入爐煤質(zhì)變化時，燃料量和送風(fēng)量的最佳比值并不是一個常數(shù)，因為不同熱值的煤，需要不同的送風(fēng)量。常規(guī)送風(fēng)控制方案中，氧量給定值僅考慮了負荷對氧量的影響。入爐煤種頻繁波動時，氧量給定值并沒有因為煤質(zhì)變化做相應(yīng)的修正，容易造成爐膛缺風(fēng)或過量空氣過多。

1.2.3 氧量測量誤差大的必然性

在鍋爐實際燃燒控制時，由于各種原因，運行人員一般會控制較大的過量空氣系數(shù)，實際表現(xiàn)是氧量偏大，這會使鍋爐運行不經(jīng)濟。氧量表由于漏風(fēng)、零位漂移等原因不能反映煙氣中的真實氧量值。煤粉鍋爐的爐膛、各受熱面的煙道總是在負壓下運行，在爐膛及煙道的結(jié)構(gòu)不十分嚴(yán)密的情況下，會有空氣從爐外漏入爐內(nèi)，而大氣中O2的比例近似為21%，氧量的測量很容易受到非配比空氣漏入煙道的影響而變得不準(zhǔn)確。

2 基于CO量優(yōu)化送風(fēng)控制的優(yōu)點

2.1 CO含量不受鍋爐負荷影響

煙氣中的CO是含碳燃料在燃燒過程中生成的一種中間產(chǎn)物，不論煤質(zhì)、負荷怎樣變化，煙氣中CO含量大小都可以全工況表征燃料未完全燃燒的程度［3］。煙氣中的CO量和O2量與鍋爐總的熱損失（鍋爐效率）有很強的關(guān)聯(lián)性，圖2所示為鍋爐熱損失與過量空氣、CO含量關(guān)系曲線。

圖2 鍋爐熱損失與過量空氣和CO含量關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖2中鍋爐熱損失變化曲線可以看出，不同負荷下，鍋爐熱損失隨過量空氣的增加都呈先減小后增加的趨勢，鍋爐熱損失變化過程大致可以分為3種典型工況。當(dāng)過量空氣偏少，由于沒有足夠的氧量供給完全燃燒，一氧化碳濃度快速上升（典型值375 mg／Nm3以上），燃料不完全燃燒損失較大，此時鍋爐熱損失也隨之增大；當(dāng)過量空氣增大，由于不完全燃燒損失減小，鍋爐不同負荷下都運行在最佳燃燒區(qū)域時（見曲線②和④的最低拐點），雖然其對應(yīng)的O2濃度是不同的，但始終對應(yīng)著一個CO濃度的范圍為125～375 mg／Nm3，鍋爐熱損失在此區(qū)間內(nèi)較低，此時鍋爐效率較高；但隨著過量空氣繼續(xù)增大，鍋爐過氧燃燒，CO含量幾乎保持為一較低的值，變化很?。ǖ湫椭?25 mg／Nm3以下），不完全燃燒損失保持較低，但由于鍋爐送風(fēng)量過大，煙氣量增多，排煙熱損失顯著增大，導(dǎo)致鍋爐總熱損失增大，同時由于送風(fēng)機電耗增加，鍋爐效率降低。

2.2 CO含量不受入爐煤質(zhì)的影響

隨著燃料的變化，完全燃燒所必需的過剩氧量也隨之發(fā)生變化，然而不論入爐煤質(zhì)優(yōu)劣，只要充分燃燒，CO含量都穩(wěn)定在固定區(qū)域值內(nèi)，一氧化碳控制不受燃料變化的影響。根據(jù)CO這一特性，當(dāng)煤質(zhì)變化時，可以通過控制CO含量在一固定范圍內(nèi)，去實時修正氧量給定值來調(diào)整風(fēng)量，避免總風(fēng)量不足或爐內(nèi)有燃燒器局部缺風(fēng)造成不完全燃燒，使燃燒系統(tǒng)自動適應(yīng)煤質(zhì)變化。

2.3 CO含量較O2含量受漏風(fēng)的影響小

鍋爐漏風(fēng)對于煙氣CO含量測量和O2含量測量的影響是不同的。假設(shè)一臺燃煤鍋爐的煙氣中氧含量為4%，若空氣漏入量為10%，氧氣含量將增至5.55%，氧量的相對變化量可達39%。由于空氣中沒有CO，假設(shè)煙氣中CO含量為 250 mg／Nm3，在空氣漏入量同樣為10%時，CO含量降低至227.5 mg／Nm3，CO含量的相對變化量只有9%，CO測量誤差不到氧量誤差的1／4。煙氣中CO含量受漏風(fēng)的影響明顯小于氧量受漏風(fēng)的影響，這也從一定程度上說明了煙氣中CO含量的測量值相對氧量更為準(zhǔn)確，對燃燒調(diào)整更具有直接指導(dǎo)意義。

根據(jù)以上分析，當(dāng)鍋爐熱損失最低，即燃燒效率最高時，煙氣CO含量不隨鍋爐負荷、燃料熱值高低等因素的變化而變化，這使得CO這種特征氣體成為理想的控制對象。

3 CO量與O2量相結(jié)合的送風(fēng)控制策略及應(yīng)用

由圖2中的CO和O2含量關(guān)系曲線可以看出，無論鍋爐的負荷、煤質(zhì)如何變化，當(dāng)鍋爐處于最佳燃燒工況時，煙氣中的CO含量始終保持在某一范圍內(nèi)，這一相對固定的范圍稱為 CO 控制帶（125～375 mg／Nm3）。在過量空氣系數(shù)較小時，CO含量變化較快，有利于CO控制送風(fēng)量，通過在線增加O2量給定值，將CO含量快速拉回需要的范圍。隨著過量空氣系數(shù)增加，鍋爐運行在最佳燃燒區(qū)域時，CO值變小且穩(wěn)定、變化緩慢，CO含量不再隨過量空氣系數(shù)增加發(fā)生大的變化，這時用CO含量作為控制信號不合適，采用常規(guī)送風(fēng)控制方案基于O2量控制送風(fēng)量即可。過量空氣系數(shù)過大時，雖然過氧燃燒，鍋爐燃燒充分，但熱損失很大，鍋爐效率低，可以通過CO值控制，適當(dāng)降低O2量給定值，將CO含量升至最佳燃燒區(qū)間以內(nèi)。因此，DCS常規(guī)氧量串級控制邏輯中，增加CO修正氧量算法，通過設(shè)置切換開關(guān)，實現(xiàn)上述3種工況的邏輯切換，控制策略如下：

1）CO 量高于控制帶上限（375 mg／Nm3）時，切換至CO／O2串級PID控制，在線修正增加氧量給定，以使CO量盡快回到125～375 mg／Nm3控制帶。

2）CO 量低于控制帶上限（375 mg／Nm3）且高于控制帶下限（125 mg／Nm3）時，即認(rèn)為 CO含量在正常范圍內(nèi)，切換至常規(guī)的氧量控制。

3）CO 量低于控制帶下限（125 mg／Nm3）時，切換至CO／O2串級PID控制，在線修正減小氧量給定值。

運行過程中若出現(xiàn)氧量正常，CO含量遠高于正常值（750 mg／Nm3）且處于上升趨勢時，表明 CO檢測儀表出現(xiàn)故障，或因燃燒器配風(fēng)不當(dāng)、風(fēng)粉混合不均勻等使燃燒惡化，DCS自動退出CO自動控制方式，運行人員結(jié)合風(fēng)粉在線系統(tǒng)、飛灰測碳系統(tǒng)等系統(tǒng)的參數(shù)，判斷不完全燃燒的根源，進行燃燒調(diào)整。

圖3所示為帶CO量修正氧量的送風(fēng)控制邏輯圖，具有CO含量校正調(diào)節(jié)的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以看做一個有CO量前饋調(diào)節(jié)的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖3中，CO量調(diào)節(jié)器的給定值設(shè)定為250 mg／Nm3，其作用是在氧量調(diào)節(jié)器保證了鍋爐負荷函數(shù)發(fā)生器F（X1）對應(yīng)的氧量的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)氧量的校正調(diào)節(jié)。當(dāng)煙氣中CO含量高于375 mg／Nm3時，切換開關(guān)選擇CO量校正控制方式，CO量校正調(diào)節(jié)器自動輸出值增大，發(fā)出校正信號增加氧量調(diào)節(jié)器的給定值，送風(fēng)量迅速增加，燃料充分燃燒，減少CO生成，直至 CO含量低于375 mg／Nm3，CO量調(diào)節(jié)器不再作用于氧量給定值的修正。當(dāng)煙氣中CO含量低于125 mg／Nm3時，此時過量空氣系數(shù)較大，CO量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號，減少氧量調(diào)節(jié)器的給定值，送風(fēng)量減少，CO量生成將增加；當(dāng)CO含量升至控制帶范圍之內(nèi)時，CO量調(diào)節(jié)器不再作用于氧量給定值的修正。在此調(diào)節(jié)過程中，在保證鍋爐燃料燃燒充分的前提下，減小送風(fēng)機動葉開度，送、引風(fēng)機電耗也將降低，提高了鍋爐效率。

圖3 基于CO量修正氧量的送風(fēng)控制邏輯圖

4 基于CO／O2燃燒優(yōu)化控制的應(yīng)用

某2×350 MW超臨界燃煤機組，在鍋爐省煤器出口水平煙道加裝兩套一氧化碳測量裝置，并把測量數(shù)據(jù)引入DCS。根據(jù)圖3的控制原理，在DCS常規(guī)的氧量串級控制邏輯中，增加CO含量修正氧量的送風(fēng)優(yōu)化控制算法，并在DCS畫面中增加CO量PID控制器操作端，運行人員可在DCS畫面上進行CO量給定值設(shè)置以及手動、自動狀態(tài)切換等操作。為防止CO值大幅度變化引起的鍋爐風(fēng)量波動，CO校正回路要合理設(shè)置延遲時間、速率限制以及上、下限限幅。

分別在 150 MW、200 MW、250 MW、300 MW、350 MW 5個負荷點下進行燃燒調(diào)整試驗，每個負荷點測試3個工況，其中各負荷第一個工況采用圖1所示的常規(guī)氧量校正的送風(fēng)控制運行方式，其他兩個工況采用基于CO量與O2量相結(jié)合的送風(fēng)優(yōu)化控制運行方式，通過試驗獲得不同負荷點，兩種運行方式下的氧量最佳值和負荷的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可見，每個負荷點下，優(yōu)化控制運行方式下的氧量比常規(guī)控制運行方式下的氧量低1%左右。其中350 MW負荷穩(wěn)定運行工況下，常規(guī)送風(fēng)控制方式的實測氧量平均值為3.65%（過?？諝庀禂?shù)為1.21）；基于CO與O2相結(jié)合的送風(fēng)優(yōu)化控制運行方式下，CO含量給定值250 mg／Nm3，實測氧量平均值為2.62%（過?？諝庀禂?shù)為1.14），氧含量降低了1.03%。有研究表明，氧量每變化1%，影響發(fā)電煤耗率1.2 g／（kW·h）左右。按一臺350 MW機組一年運行6000 h，一年將節(jié)省煤2520t，每噸標(biāo)煤以650元計算，一年內(nèi)全廠兩臺機組可獲得的直接經(jīng)濟效益為327.6萬元。

圖4 兩種控制方式的氧量和負荷的關(guān)系曲線圖

5 結(jié)語

CO與O2相結(jié)合的新型送風(fēng)控制系統(tǒng)，通過控制CO的控制帶，在線修正氧量給定值，使鍋爐運行中的送風(fēng)量與燃料量之間的比值始終自動保持最佳。該控制策略解決了鍋爐入爐煤質(zhì)變化或燃燒器配風(fēng)不當(dāng)時，單一通過氧量控制無法實現(xiàn)送風(fēng)量精確、快速控制的問題，使鍋爐不完全燃燒損失、排煙損失、送引風(fēng)電耗均降至最低，鍋爐效率達到最優(yōu)，具有良好的應(yīng)用前景。