張 瑩，付 星，魏 靜

（1.華能新疆輪臺(tái)熱電分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841600；2.國(guó)家電投集團(tuán)平潭能源有限公司，福建 福州 350440；3.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013）

0 引言

目前，國(guó)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(lái)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(fù)荷的簡(jiǎn)單函數(shù)，當(dāng)鍋爐入爐煤質(zhì)變化時(shí)，氧量給定值沒(méi)有考慮煤質(zhì)變化對(duì)氧量需求的變化，很難保證鍋爐在最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行［1］。針對(duì)目前鍋爐普遍缺乏有效燃燒效率檢測(cè)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(cè)量裝置并將CO測(cè)量數(shù)據(jù)引入機(jī)組分散控制系統(tǒng)（DCS）。根據(jù)CO與O2量所對(duì)應(yīng)的鍋爐煙氣熱損失的特性關(guān)系，采用以燃料量進(jìn)行過(guò)量空氣的粗調(diào)，以CO含量進(jìn)行細(xì)調(diào)的燃燒調(diào)整新控制策略。通過(guò)優(yōu)化DCS送風(fēng)控制邏輯，實(shí)時(shí)在線修正氧量給定值，實(shí)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(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的工況下，同時(shí)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(wèn)題

1.1 常規(guī)送風(fēng)控制策略

目前國(guó)內(nèi)電站煤粉鍋爐燃燒控制設(shè)計(jì)以控制合適的過(guò)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(fù)荷改變而變化，常規(guī)燃燒控制的DCS邏輯中，將負(fù)荷信號(hào)通過(guò)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)隨負(fù)荷而改變的最佳含氧量信號(hào)，作為氧量校正調(diào)節(jié)器的給定值，不同負(fù)荷下的最佳氧量值由鍋爐熱效率試驗(yàn)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(gè)有燃料量前饋的風(fēng)量和氧量?jī)蓚€(gè)調(diào)節(jié)器組成的串級(jí)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的校正調(diào)節(jié)，主要是起到細(xì)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(yùn)行于較經(jīng)濟(jì)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(wèn)題

1.2.1 單一控制氧量的不全面性

煙氣含氧量?jī)H僅是燃燒過(guò)程中反映過(guò)量空氣的狀態(tài)數(shù)據(jù)之一，單純通過(guò)氧量來(lái)監(jiān)測(cè)控制燃燒不足以準(zhǔn)確判斷出真實(shí)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(huì)燃燒不充分，煙氣中將會(huì)含有未燃盡的可燃?xì)怏w，使燃燒效率降低。

1.2.2 煤質(zhì)變化對(duì)氧量控制的影響

入爐煤質(zhì)變化時(shí)，燃料量和送風(fēng)量的最佳比值并不是一個(gè)常數(shù)，因?yàn)椴煌瑹嶂档拿海枰煌乃惋L(fēng)量。常規(guī)送風(fēng)控制方案中，氧量給定值僅考慮了負(fù)荷對(duì)氧量的影響。入爐煤種頻繁波動(dòng)時(shí)，氧量給定值并沒(méi)有因?yàn)槊嘿|(zhì)變化做相應(yīng)的修正，容易造成爐膛缺風(fēng)或過(guò)量空氣過(guò)多。

1.2.3 氧量測(cè)量誤差大的必然性

在鍋爐實(shí)際燃燒控制時(shí)，由于各種原因，運(yùn)行人員一般會(huì)控制較大的過(guò)量空氣系數(shù)，實(shí)際表現(xiàn)是氧量偏大，這會(huì)使鍋爐運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。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(shí)氧量值。煤粉鍋爐的爐膛、各受熱面的煙道總是在負(fù)壓下運(yùn)行，在爐膛及煙道的結(jié)構(gòu)不十分嚴(yán)密的情況下，會(huì)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(cè)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?jī)?yōu)化送風(fēng)控制的優(yōu)點(diǎn)

2.1 CO含量不受鍋爐負(fù)荷影響

煙氣中的CO是含碳燃料在燃燒過(guò)程中生成的一種中間產(chǎn)物，不論煤質(zhì)、負(fù)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(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，圖2所示為鍋爐熱損失與過(guò)量空氣、CO含量關(guān)系曲線。

圖2 鍋爐熱損失與過(guò)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(fù)荷下，鍋爐熱損失隨過(guò)量空氣的增加都呈先減小后增加的趨勢(shì)，鍋爐熱損失變化過(guò)程大致可以分為3種典型工況。當(dāng)過(guò)量空氣偏少，由于沒(méi)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(shí)鍋爐熱損失也隨之增大；當(dāng)過(guò)量空氣增大，由于不完全燃燒損失減小，鍋爐不同負(fù)荷下都運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)域時(shí)（見(jiàn)曲線②和④的最低拐點(diǎn)），雖然其對(duì)應(yīng)的O2濃度是不同的，但始終對(duì)應(yīng)著一個(gè)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(shí)鍋爐效率較高；但隨著過(guò)量空氣繼續(xù)增大，鍋爐過(guò)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(guò)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(shí)由于送風(fēng)機(jī)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(guò)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(shí)，可以通過(guò)控制CO含量在一固定范圍內(nèi)，去實(shí)時(shí)修正氧量給定值來(lái)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(dòng)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(duì)于煙氣CO含量測(cè)量和O2含量測(cè)量的影響是不同的。假設(shè)一臺(tái)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(duì)變化量可達(dá)39%。由于空氣中沒(méi)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(shí)，CO含量降低至227.5 mg／Nm3，CO含量的相對(duì)變化量只有9%，CO測(cè)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(shuō)明了煙氣中CO含量的測(cè)量值相對(duì)氧量更為準(zhǔn)確，對(duì)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(shí)，煙氣CO含量不隨鍋爐負(fù)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(duì)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(wú)論鍋爐的負(fù)荷、煤質(zhì)如何變化，當(dāng)鍋爐處于最佳燃燒工況時(shí)，煙氣中的CO含量始終保持在某一范圍內(nèi)，這一相對(duì)固定的范圍稱(chēng)為 CO 控制帶（125～375 mg／Nm3）。在過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí)，CO含量變化較快，有利于CO控制送風(fēng)量，通過(guò)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(guò)量空氣系數(shù)增加，鍋爐運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)域時(shí)，CO值變小且穩(wěn)定、變化緩慢，CO含量不再隨過(guò)量空氣系數(shù)增加發(fā)生大的變化，這時(shí)用CO含量作為控制信號(hào)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(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大時(shí)，雖然過(guò)氧燃燒，鍋爐燃燒充分，但熱損失很大，鍋爐效率低，可以通過(guò)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(jí)控制邏輯中，增加CO修正氧量算法，通過(guò)設(shè)置切換開(kāi)關(guān)，實(shí)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(shí)，切換至CO／O2串級(jí)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(shí)，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(shí)，切換至CO／O2串級(jí)PID控制，在線修正減小氧量給定值。

運(yùn)行過(guò)程中若出現(xiàn)氧量正常，CO含量遠(yuǎn)高于正常值（750 mg／Nm3）且處于上升趨勢(shì)時(shí)，表明 CO檢測(cè)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(dòng)退出CO自動(dòng)控制方式，運(yùn)行人員結(jié)合風(fēng)粉在線系統(tǒng)、飛灰測(cè)碳系統(tǒng)等系統(tǒng)的參數(shù)，判斷不完全燃燒的根源，進(jìn)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(gè)有CO量前饋調(diào)節(jié)的串級(jí)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(fù)荷函數(shù)發(fā)生器F（X1）對(duì)應(yīng)的氧量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)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(shí)，切換開(kāi)關(guān)選擇CO量校正控制方式，CO量校正調(diào)節(jié)器自動(dòng)輸出值增大，發(fā)出校正信號(hào)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(shí)，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)較大，CO量校正調(diào)節(jié)器發(fā)出校正信號(hào)，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(shí)，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(guò)程中，在保證鍋爐燃料燃燒充分的前提下，減小送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度，送、引風(fēng)機(jī)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(jī)組，在鍋爐省煤器出口水平煙道加裝兩套一氧化碳測(cè)量裝置，并把測(cè)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(jí)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(huà)面中增加CO量PID控制器操作端，運(yùn)行人員可在DCS畫(huà)面上進(jìn)行CO量給定值設(shè)置以及手動(dòng)、自動(dòng)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(dòng)，CO校正回路要合理設(shè)置延遲時(shí)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(gè)負(fù)荷點(diǎn)下進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)測(cè)試3個(gè)工況，其中各負(fù)荷第一個(gè)工況采用圖1所示的常規(guī)氧量校正的送風(fēng)控制運(yùn)行方式，其他兩個(gè)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(yùn)行方式，通過(guò)試驗(yàn)獲得不同負(fù)荷點(diǎn)，兩種運(yùn)行方式下的氧量最佳值和負(fù)荷的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下，優(yōu)化控制運(yùn)行方式下的氧量比常規(guī)控制運(yùn)行方式下的氧量低1%左右。其中350 MW負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況下，常規(guī)送風(fēng)控制方式的實(shí)測(cè)氧量平均值為3.65%（過(guò)?？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(yùn)行方式下，CO含量給定值250 mg／Nm3，實(shí)測(cè)氧量平均值為2.62%（過(guò)?？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(tái)350 MW機(jī)組一年運(yùn)行6000 h，一年將節(jié)省煤2520t，每噸標(biāo)煤以650元計(jì)算，一年內(nèi)全廠兩臺(tái)機(jī)組可獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益為327.6萬(wàn)元。

圖4 兩種控制方式的氧量和負(fù)荷的關(guān)系曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

CO與O2相結(jié)合的新型送風(fēng)控制系統(tǒng)，通過(guò)控制CO的控制帶，在線修正氧量給定值，使鍋爐運(yùn)行中的送風(fēng)量與燃料量之間的比值始終自動(dòng)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(shí)，單一通過(guò)氧量控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量精確、快速控制的問(wèn)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(dá)到最優(yōu)，具有良好的應(yīng)用前景。