我國(guó)電力結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)呈現(xiàn)出“以煤為主”的基本格局，火力發(fā)電仍占據(jù)能源供應(yīng)的主導(dǎo)地位。電站鍋爐作為火電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能水平直接關(guān)系到能源利用效率與污染物控制能力。2022年全國(guó)電站鍋爐產(chǎn)量同比增長(zhǎng) 12.7% ，其中超臨界與超超臨界鍋爐占比高達(dá) 67.6% ，標(biāo)志著鍋爐設(shè)備正向高參數(shù)、大容量方向邁進(jìn)。然而，鍋爐參數(shù)提升與負(fù)荷響應(yīng)加劇了燃燒區(qū)域的流場(chǎng)耦合強(qiáng)度，也使得氮氧化物 （NO_x） ）的生成途徑更加復(fù)雜。 NO_x 排放已成為制約燃煤機(jī)組清潔化運(yùn)行的重要瓶頸，傳統(tǒng)依賴(lài)脫硝裝置的末端治理模式在實(shí)際運(yùn)行中面臨效率下降、系統(tǒng)負(fù)荷加劇等問(wèn)題?；谏鲜鎏魬?zhàn)，亟需從源頭燃燒過(guò)程入手，探索協(xié)同優(yōu)化路徑，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行的高效性與環(huán)保性的統(tǒng)一。

1.大型電站鍋爐燃燒系統(tǒng)與 NO_× 生成機(jī)理分析

1.1電站鍋爐燃燒系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

大型電站鍋爐作為現(xiàn)代煤電機(jī)組的核心裝備，其燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足能量轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，還需兼顧污染物生成控制、熱能傳遞穩(wěn)定性與運(yùn)行負(fù)荷響應(yīng)等多重技術(shù)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)構(gòu)成通常由爐膛本體、燃燒器系統(tǒng)、風(fēng)煤混配裝置、煙氣再循環(huán)路徑、輔助燃燒穩(wěn)定裝置以及燃盡風(fēng)系統(tǒng)等部分構(gòu)成，具有高度集成性與復(fù)雜耦合特性。

在典型的超超臨界煤粉鍋爐系統(tǒng)中，爐膛采用直立封閉型結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有過(guò)熱器與再熱器區(qū)域，以利于高溫?zé)煔鈱?duì)工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)高效換熱。燃燒器常布置于爐膛中部或下部四角，形成切向噴流布局，增強(qiáng)火焰旋轉(zhuǎn)特性，抑制局部高溫峰值，進(jìn)而減緩熱力型 NO_x 的生成趨勢(shì)。空氣供應(yīng)系統(tǒng)通常分為一次風(fēng)、二次風(fēng)及部分三次風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)控制與燃燒分級(jí)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)燃燒區(qū)域的氧量分布及火焰形態(tài)。煤粉輸送系統(tǒng)則依賴(lài)中速磨煤機(jī)與分離器，實(shí)現(xiàn)不同粒徑煤粉的按需送入，提高燃燒效率并降低爐膛碳?xì)埩袅?。此外，部分機(jī)組為提升低負(fù)荷運(yùn)行下的燃燒穩(wěn)定性，會(huì)引入等離子點(diǎn)火系統(tǒng)或燃?xì)廨o助點(diǎn)火裝置，以強(qiáng)化爐膛火焰中心區(qū)域的熱場(chǎng)耦合。在控制層面，燃燒系統(tǒng)已逐步集成DCS（分布式控制系統(tǒng)）與燃燒優(yōu)化控制模塊，通過(guò)多參數(shù)耦合調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)煤比、氧量、煙溫等關(guān)鍵變量的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

1.2NO_x 形成的物理化學(xué)機(jī)制

NO_x 的生成過(guò)程是大型電站鍋爐燃燒系統(tǒng)中不可忽視的化學(xué)路徑，其主要形式包括一氧化氮（NO）與二氧化氮 （NO₂） ，其中NO為主導(dǎo)組分，占比通常超過(guò)90% 1]。在高溫燃燒環(huán)境中， NO_x 主要經(jīng)由三種機(jī)理路徑生成：熱力型、燃料型與快

速型機(jī)制。

熱力型 NO_x （Thermal- NO_x| ）生成主要依據(jù)Zeldovich機(jī)理，在高溫條件（通常超過(guò) 1420^°C） 下，由空氣中的分子氮與氧氣直接反應(yīng)生成，反應(yīng)速率呈指數(shù)級(jí)依賴(lài)溫度上升。該過(guò)程對(duì)爐膛火焰中心區(qū)域的溫度峰值極為敏感，火焰穩(wěn)定性及局部氧量分布是調(diào)控其生成強(qiáng)度的關(guān)鍵變量。燃料型 NO_x （Fuel ?NO_x ）則來(lái)源于煤粉中固有的有機(jī)氮與無(wú)機(jī)氮在高溫裂解過(guò)程中釋放出的含氮前驅(qū)物，如氰基（-CN）、氨氣 （NH₃） ）等，這些中間產(chǎn)物與過(guò)量氧或自由基反應(yīng)后生成 NO_x ，其生成量依賴(lài)煤種特性、煤粉粒徑及局部過(guò)量空氣系數(shù)。快速型 NO_x （Prompt- NO_x） ）雖然整體貢獻(xiàn)較低，但在貧氧區(qū)域燃燒初期表現(xiàn)較為突出，源于自由碳?xì)浠鶊F(tuán)與氮?dú)庠诩ぐl(fā)態(tài)下的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，具有瞬時(shí)響應(yīng)性與路徑短促的特征。

2.大型電站鍋爐燃燒優(yōu)化與氮氧化物控制路徑

2.1區(qū)域供氧解耦控制

在電站鍋爐內(nèi)部，燃燒區(qū)存在多尺度氣流分布及氧濃度梯度，其局部富氧現(xiàn)象是熱力型氮氧化物高值生成的直接誘因。為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)精度的供氧調(diào)控，可把爐膛劃分為若干燃燒單元區(qū)域，構(gòu)建基于空間分層的局部供氧調(diào)節(jié)模型。每個(gè)區(qū)域配置獨(dú)立的激光氧傳感器和紅外煙氣溫度探測(cè)裝置，形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)。依托數(shù)據(jù)融合算法提取氧濃度變化趨勢(shì)及溫度波動(dòng)序列，使用模糊自適應(yīng)控制器預(yù)測(cè)空氣分布失衡風(fēng)險(xiǎn)，并將優(yōu)化指令反饋至風(fēng)門(mén)驅(qū)動(dòng)單元?？刂浦噶钷饤夓o態(tài)邊界值設(shè)定，轉(zhuǎn)而以實(shí)時(shí)判據(jù)函數(shù)為核心，執(zhí)行風(fēng)速、風(fēng)溫與風(fēng)向的三維解耦調(diào)節(jié)。各區(qū)域調(diào)節(jié)邏輯中嵌入邊界互饋約束，防止風(fēng)量遷移引發(fā)相鄰區(qū)域氣體短路或回流。同時(shí)，燃盡區(qū)應(yīng)配置動(dòng)態(tài)限氧邏輯，預(yù)設(shè)最小富氧閾值區(qū)間，保障碳燃盡效率不被犧牲。整體系統(tǒng)運(yùn)行中，需建立供氧閉環(huán)自診斷機(jī)制，對(duì)調(diào)節(jié)指令效果進(jìn)行量化評(píng)分，迭代優(yōu)化調(diào)節(jié)路徑，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)各區(qū)域燃燒條件趨于一致性，從根源控制 NO_x 峰值。

2.2煤質(zhì)識(shí)別與?？嘏浔?/p>

煤種差異直接影響 NO_x 的生成趨勢(shì)，尤其在摻混煤條件下，煤中含氮組分釋放速率與煤粉粒徑分布之間的失配，會(huì)放大燃料型 NO_x 的瞬時(shí)峰值。為建立燃煤動(dòng)態(tài)適應(yīng)路徑，應(yīng)在原煤輸送線(xiàn)上安裝在線(xiàn)煤質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)，采集揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)、氮含量等關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合紅外光譜與圖像采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多煤種混合識(shí)別與分級(jí)建模。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)決策模塊，將煤質(zhì)參數(shù)輸入粒徑分布優(yōu)化模型，計(jì)算每種煤在特定燃燒段應(yīng)對(duì)應(yīng)的粒徑目標(biāo)區(qū)間[2?；谳敵鼋Y(jié)果，調(diào)整磨煤機(jī)滾壓比和風(fēng)速配置，動(dòng)態(tài)控制煤粉粒徑范圍。輸送系統(tǒng)需設(shè)立分選分配裝置，使細(xì)粒煤粉優(yōu)先進(jìn)入主燃帶，粗粒煤粉引入燃盡區(qū)，從而精準(zhǔn)控制著火速率與燃盡程度。整套系統(tǒng)以數(shù)據(jù)閉環(huán)方式運(yùn)行，實(shí)時(shí)修正粒徑分布與煤種不匹配所帶來(lái)的燃燒偏差。在分粒進(jìn)料過(guò)程中需設(shè)置流量監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，避免因粒徑偏聚引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定。

2.3脈沖擾動(dòng)控溫技術(shù)

連續(xù)燃燒狀態(tài)下，燃燒區(qū)極易形成熱穩(wěn)態(tài)平臺(tái)，一旦該區(qū)域溫度持續(xù)位于Zeldovich反應(yīng)速率峰值區(qū)間，即使供氧調(diào)節(jié)亦難以顯著壓制 NO_x 生成。所以，建議引入脈沖擾動(dòng)控溫技術(shù)，對(duì)火焰溫度時(shí)序特性進(jìn)行有節(jié)奏干擾，破壞其熱態(tài)穩(wěn)定性。裝置結(jié)構(gòu)需在主燃帶噴口處設(shè)置可調(diào)頻脈沖氣閥，由變頻控制模塊驅(qū)動(dòng)，實(shí)施高頻（70-120Hz）燃料或輔助氣流短周期注入。擾動(dòng)脈沖周期長(zhǎng)度應(yīng)匹配煤粉燃燒波前移動(dòng)速度，使得火焰中心軸沿縱向形成周期性溫度擾動(dòng)帶。為確保擾動(dòng)信號(hào)有效傳播，建議在燃燒區(qū)外壁布設(shè)高靈敏紅外測(cè)溫陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫場(chǎng)分布的全域響應(yīng)監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)需構(gòu)建溫度波動(dòng)信號(hào)與NO生成速率之間的耦合響應(yīng)曲線(xiàn)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)修正擾動(dòng)幅度與注入頻率。配合擾動(dòng)節(jié)律變化，需引入局部供風(fēng)輔助調(diào)節(jié)以維持火焰穩(wěn)定性[3]。該路徑以周期打斷熱力反應(yīng)鏈為主軸，不依賴(lài)于外源化學(xué)還原劑，而是通過(guò)火焰結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)重塑 NO_x 形成條件，從根本上抑制熱峰支撐結(jié)構(gòu)的延續(xù)。

2.4前饋預(yù)測(cè)協(xié)同調(diào)控

在機(jī)組深調(diào)峰及頻繁負(fù)荷變動(dòng)背景下，鍋爐燃燒狀態(tài)受擾強(qiáng)度大、響應(yīng)滯后性強(qiáng)，若依賴(lài)傳統(tǒng)反饋控制，極易出現(xiàn)風(fēng)煤錯(cuò)配、火焰脫穩(wěn)或 NO_x 瞬態(tài)超排。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵在于構(gòu)建以預(yù)測(cè)為核心的前饋控制路徑，并將其嵌入DCS系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯中。系統(tǒng)需以鍋爐主蒸汽流量變化率、爐膛壓差曲線(xiàn)及磨煤出力變動(dòng)值為預(yù)測(cè)因子，通過(guò)多項(xiàng)式回歸或LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成未來(lái)60-180秒內(nèi)的負(fù)荷變動(dòng)預(yù)測(cè)模型。模型輸出預(yù)警等級(jí)后，提前下發(fā)風(fēng)量調(diào)節(jié)、燃料輸送、火焰位置修正等指令至執(zhí)行模塊。各子系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)窗口，確保調(diào)節(jié)動(dòng)作具有前瞻性與柔性。同時(shí)，需設(shè)置狀態(tài)識(shí)別模塊對(duì)當(dāng)前燃燒狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)處理，識(shí)別燃盡區(qū)是否出現(xiàn)超調(diào)、主燃區(qū)是否存在貧氧漂移等關(guān)鍵偏離點(diǎn)。在調(diào)控執(zhí)行策略中，推行多變量聯(lián)合修正機(jī)制，使風(fēng)速、煤量、氧濃度在不同反饋路徑中協(xié)同響應(yīng)，避免單一變量控制造成系統(tǒng)過(guò)調(diào)或耦合沖突。

3.結(jié)束語(yǔ)

大型電站鍋爐作為煤電系統(tǒng)的技術(shù)核心，其燃燒過(guò)程的微觀機(jī)制與控制邊界對(duì) NO_x 排放具有決定性影響。本文分別從區(qū)域供氧結(jié)構(gòu)重構(gòu)、燃料粒徑定向調(diào)控、火焰溫度擾動(dòng)設(shè)計(jì)與負(fù)荷預(yù)測(cè)前饋控制四個(gè)路徑切入，構(gòu)建了差異化、系統(tǒng)化的 NO_x 控制策略體系。未來(lái)，電站鍋爐燃燒控制技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步依賴(lài)于數(shù)字孿生、智能傳感、AI優(yōu)化等前沿手段。如何將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理機(jī)制深度融合，提升控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將成為大型電站鍋爐系統(tǒng)構(gòu)建面向“近零排放”目標(biāo)的關(guān)鍵方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]卞韶帥、劉凌、費(fèi)章勝等。電站鍋爐智能燃燒優(yōu)化基礎(chǔ)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].電力與能源，2024，45（01）：90-94+106.

[2]廖彭偉?；趧?dòng)態(tài)標(biāo)桿值的電站鍋爐燃燒控制優(yōu)化[J].熱能動(dòng)力工程，2023，38（05）：111-116.

[3]薛曉波、王洪江、范國(guó)朝?；跔t膛溫度場(chǎng)可視化的鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].能源科技，2022，20（03）：57-59+67 作者單位：北京國(guó)電電力有限公司大連開(kāi)發(fā)區(qū)熱電廠(chǎng)