低氮燃烧器改造后机炉协调系统控制策略的研究

张绪炎， 杨景祺， 康 磊， 周文台

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

低氮燃烧器改造后机炉协调系统控制策略的研究

张绪炎， 杨景祺， 康 磊， 周文台

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

针对低氮燃烧器改造后机组不能满足电网自动发电量控制(AGC)控制要求的情况，对锅炉燃烧特性、机炉协调系统的调节品质以及AGC控制的响应性进行了研究，主要分析了炉膛氧体积分数、分离燃尽风(SOFA)挡板开度、周界风挡板开度、二次风挡板开度对NOx生成的影响以及一次风量控制对机组响应性的影响，在此基础上对机炉协调系统进行了优化设计和调试.结果表明：经过优化后的机炉协调系统控制策略不仅实现了AGC控制的稳定运行，而且保证了AGC控制中对精度的要求和响应性的要求，现已成功应用在多台低氮燃烧器改造的机组上，表明了该控制策略具有推广性和复制性.

低氮燃烧器改造； 控制响应性； 协调控制； 优化设计

近年来为了满足环保要求，燃煤电厂NOx排放越来越受到重视.为降低NOx排放，各电厂都进行了低氮燃烧器的改造.但在低氮燃烧器改造后，锅炉的燃烧效率有所降低，机组主汽压力、主汽温度的调节特性都会发生变化，导致机组对电网自动发电量控制(AGC)控制的响应性能和控制精度均有所下降，这些问题较集中地表现在国内在运330 MW及以下机组，主要是燃烧器改造后锅炉主燃烧区的燃烧率下降，锅炉工质吸热下降.对于国内600 MW及以上机组，由于在锅炉总体设计上考虑了NOx的排放要求，锅炉的总体燃烧放热和工质吸热设计合理，因此在600 MW及以上机组上燃烧效率下降的现象并不突出.为保证在运330 MW机组低氮燃烧器改造后运行的稳定性，适应电网AGC的控制要求，有必要对低氮燃烧器改造后的机炉协调系统控制策略进行研究.

针对在运机组低氮燃烧器改造后锅炉燃烧特性变化的特点，笔者围绕机炉协调系统中的风量控制、燃料控制和锅炉主控控制，主要从氧体积分数、二次风门、周界风、一次风和锅炉主控等方面进行控制调节，最终使机组的调节特性能满足生产的要求.

1 低氮燃烧器的运行方式

1.1 NOx的生成机理

NOx主要指NO和NO2，锅炉燃烧过程中生成的氮氧化物有3种：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx.

燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，进一步氧化后生成的.燃料型NOx与氧的浓度和燃烧温度有关，空气越多(即氧量越多)，NOx生成量越多.

热力型NOx是空气中的氮在高温下氧化生成的.影响热力型NOx生成量的主要因素是燃烧反应温度，在1 350 ℃以下，热力型NOx的生成量很少，随着温度的上升，热力型NOx会急剧增加[1].

1.2 低氮燃烧器的改造

低氮燃烧器改造的主要目的是控制燃料型NOx及热力型NOx的生成量，主要方法是控制锅炉内局部区域的空燃比和炉内燃烧的最高温度.

目前，低氮燃烧器改造的主要方式是采用分级送风技术[2].在主燃烧器上方一定距离处增加燃尽风，燃尽风喷口设计为可以上下左右摆动，运行时通过喷口摆动以实现燃尽区内合理的空气分布，进而实现很好的燃尽效果.

低氮燃烧器改造后将锅炉燃烧区域分成3个区域：主燃烧区、集中还原区和燃尽区.其中主燃烧区的风量占总风量的70%，处于欠氧状态下燃烧，控制了燃料型NOx的生成量.在降低主燃烧区NOx生成量的同时，也降低了主燃烧区内的燃烧速度和温度.高位燃尽风量约占总风量的30%，燃尽风用于将未燃尽的燃料颗粒燃尽，降低飞灰含碳量，同时燃尽风的增加降低了烟气温度和热力型NOx的生成量.

2 协调系统的响应性

低氮燃烧器的改造降低了主燃烧区的燃烧强度和锅炉辐射传热的强度，降低了锅炉汽水流程中压力、温度参数对燃烧的响应性，机组主汽压力、主汽温度的调节特性均发生了变化，导致机组不能满足电网AGC控制响应性能和控制精度的要求.在达到NOx排放要求的基础上，通过对机炉协调系统控制策略进行优化，尽量提高主蒸汽参数对燃烧的响应性，以满足AGC控制的需求.

2.1 炉膛氧体积分数对NOx生成的影响

煤粉燃烧过程就是各种剧烈的化学反应过程，氧体积分数越高，挥发分燃烧和焦炭燃烧过程越快，生成的NOx越多，通过试验记录了在300 MW、250 MW和200 MW负荷下NOx质量浓度、飞灰含碳质量分数(以下简称飞灰含碳量)、排烟温度与氧体积分数的关系，结果如表1～表4所示.

表1 300 MW负荷下调整氧体积分数试验结果

表2 250 MW负荷下调整氧体积分数试验结果

2.2 燃尽风挡板开度对NOx生成的影响

燃尽风的配置主要是为了降低NOx的生成量，采用分级配风模式[3]，在主燃烧区以缺氧方式运行，降低了燃料型NOx生成量.而分离燃尽风(SOFA)则是在炉温较低区域进行补风，实现进一步的燃烧，降低飞灰含碳量，并降低热力型NOx生成量.因此如何配置SOFA以达到既能降低NOx生成量又能降低飞灰含碳量[4]，提高主燃烧区的燃烧效率较为关键.锅炉设置有4层SOFA，分别为SOFA1～SOFA4，由于4层SOFA位置不同，对NOx生成量及飞灰含碳量的影响不尽相同，因此需调整每层SOFA挡板开度，并研究其对NOx生成的影响.在300 MW负荷、2.2%氧体积分数的条件下，调整SOFA挡板开度，NOx质量浓度和飞灰含碳量的变化见表5.

表3 200 MW负荷下调整氧体积分数试验结果

表4 负荷与最优氧体积分数的关系

表5 SOFA挡板开度与NOx质量浓度和飞灰含碳量的关系

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

名称挡板开度/%NOx质量浓度/(mg·m-3)飞灰含碳量/%SOFA1～SOFA41002503.11SOFA4SOFA3SOFA2SOFA15070100502302.48SOFA4SOFA3SOFA2SOFA1507080452402.56

从理论上讲，SOFA挡板开度太大，虽然有利于减少NOx的生成，但是也会减少主燃烧区的供风，不利于降低飞灰含碳量.因此，在没有大幅度影响NOx生成的情况下，适当减小SOFA挡板开度，增加主燃烧区的供风，有利于降低飞灰含碳量.

在300 MW、250 MW和200 MW负荷下，保持氧体积分数为定值，调整每层SOFA挡板开度，在满足NOx排放要求的条件下，负荷与SOFA挡板开度的关系见表6.

表6 SOFA挡板开度与负荷、氧体积分数的关系

2.3 二次风挡板开度的调整

调整二次风挡板开度的目的是既能有效控制NOx的生成量，又能合理降低飞灰含碳量，提高主燃烧区的燃烧效率.表7给出了二次风挡板开度与负荷的关系.

表7 二次风挡板开度与负荷的关系

2.4 一次风量控制系统

2.4.1 磨煤机一次风风速及煤粉浓度调平

在中速磨煤机制粉系统中，一次风承担着煤粉的输送任务，尤其在低氮燃烧器改造后，锅炉的燃烧效率有所下降，一次风系统需要均匀送粉、实时送粉，这对锅炉稳定燃烧、提高锅炉燃烧响应性具有重要意义.

如图1所示，来自空气预热器的热一次风与来自一次风机的冷一次风混合后进入磨煤机，对煤粉进行加热干燥以保证磨煤机的出口温度.一次风与煤粉混合后经4个一次风管再通过燃烧器进入炉膛，表8给出了在低氮燃烧器改造后的机组运行调研中，A、B、C、D、E磨煤机对应的每层燃烧器一次风管的煤粉浓度和一次风风速.

表8 未优化的燃烧器一次风管的煤粉浓度和一次风风速

图1 磨煤机一次风送粉图

表8中各磨煤机的一次风风速和煤粉浓度偏差都较大，而运行中的一次风母管压力参数必须要保证最低风速下一次风管中不堵粉，这就使有些一次风管的一次风风速过高，送粉不均匀，从而影响锅炉运行效率.

在磨煤机煤粉输送过程中，4个一次风管的一次风风速和煤粉浓度应尽量平衡，才能保证一次风均匀送粉以及锅炉稳定燃烧，并提高一次风机的运行效率.经过对磨煤机一次风粉混合管道上的调整门和磨煤机分配器上的煤粉分配门进行多次调整，得到4个一次风管的一次风风速和煤粉浓度的关系(见表9).

表9 优化后的燃烧器一次风管的煤粉浓度和一次风风速

2.4.2 一次风控制系统

磨煤机一次风控制中必须保证2个控制指标，一个是磨煤机出口温度，另一个是保证磨煤机给煤量的一次风量.

在常规的磨煤机一次风控制中，利用冷风门挡板开度控制磨煤机出口温度，利用热风门挡板开度控制一次风量.采用这样的控制策略既保证了一次风对煤粉的干燥又确保了煤粉的输送.

由于多台磨煤机的热风均来自空气预热器的热一次风母管，因此要达到通过调节磨煤机热风门挡板开度来实现热风流量的有效控制，还必须保证一次风母管压力.一般来说，一次风母管压力采用调节一次风机出口挡板开度或一次风机转速来实现.磨煤机一次风控制系统数学表达式如下：

p=f(Ud)

(1)

(2)

Tc=C

(3)

式中：p为一次风母管压力指令，kPa；Ud为机组负荷指令，MW；Fair为磨煤机一次风量指令，t/h；fu为对应给煤机给煤量，t/h；Tc为磨煤机出口温度，℃；C为常量.

从式(1)～式(3)可以看出，一次风母管压力是机组负荷指令的函数，当负荷一定时，一次风母管压力一定，保证了各磨煤机一次风量的需求.各磨煤机一次风量是给煤量的函数，两者是动态的跟随关系.为了提高送粉系统的响应性，一次风量指令中增加了给煤量的动态微分.

由于磨煤机一次风测点在冷热风门挡板之后、磨煤机之前，测量条件不利于一次风量测量信号的稳定性，因此多数在运磨煤机一次风量控制中不投自动，仅投运一次风母管压力控制.对于这样的运行方式，要提高磨煤机的送风响应性就必须考虑一次风母管压力跟随锅炉燃料变化的响应性，在给煤量变化时一次风母管压力快速变化，尽量快速输送煤粉进入炉膛.

在这种控制方式下，如果一次风母管压力指令跟随机组负荷指令，只能是跟随其静态控制特性，不能满足燃烧发生变化时对燃料的输送需求；如果一次风母管压力指令跟随汽轮机调节级压力，由于调节级压力是调节参数，当机组负荷指令变化时，一次风母管压力指令迟后于机组负荷指令，燃烧调解时延迟于燃料量，无论从静态或动态方面都不适合做一次风母管压力指令.

结合实际运行情况，一次风母管压力跟随投运给煤机的给煤量变化是合适的，磨煤机出口温度指令是一个常量.此时磨煤机一次风控制系统数学表达式如下：

(4)

Δp=pe-p

(5)

(6)

式中：pe为一次风母管压力设定值，kPa；fu，i为第i台给煤机给煤量，t/h；Ai为第i台给煤机的运行状态，运行为1，停止为0；Ne为实际负荷，MW；ΔN为负荷指令与实际负荷的差值，MW；Command为一次风母管压力控制指令，%；Kp和Kr分别为一次风母管压力控制的比例系数和前馈系数；Ti为一次风母管压力控制的积分时间，s.

图2的现场调试曲线表明，一次风母管压力跟随给煤量的变化基本可以保证一次风实时送粉的需求，提高了锅炉燃烧的响应性.

图2 一次风母管压力随给煤量变化的调节曲线

2.5 协调系统优化

采用基于直接能量平衡(DEB)的协调系统，其是以汽轮机的能量需求作为锅炉输入能量的设定值，控制目的是在任何工况下都能保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求相平衡.

DEB协调系统的数学表达式为

(7)

式中：p1为调节级压力，MPa；pt为汽轮机调门前压力测量值，MPa；ps为主汽压力设定值，MPa；pd为汽包压力，MPa；Ck为锅炉蓄热系数.

图3为本次优化前的部分协调控制(CCS)图.

低氮燃烧器改造后，锅炉主燃烧区处于欠氧状态，主燃烧区的温度有所降低，导致锅炉燃烧的响应性下降，反映出锅炉主汽压力对燃料变化的响应下降.采用DEB协调系统的一个重要特点是：DEB协调系统控制的平衡参数是主汽压力，调节对象是热量信号(导前的汽包压力)[5]，而在整个蒸汽系统中锅炉汽包压力对燃料变化的响应要优先于主汽压力对燃料变化的响应，因此研究整定汽包压力微分的动态参数对提高锅炉对燃料变化的响应是有积极作用的，这一点对低氮燃烧器改造后的控制系统优化具有重要意义.

图3 本次优化前的部分CCS控制图

在AGC调节过程中，机组负荷在较大范围内变化，仅仅实现调节过程输入与输出的平衡是不够的.为了分析机组的响应性和稳定性，利用Matlab仿真技术建立机组锅炉、汽轮机动态数据模型，以DEB协调系统为基本控制方案，分析锅炉主控指令、机组动态前馈各参量的变化以及一次风控制指令对机组负荷、主汽压力和主汽温度的影响.

系统的优化设计中增加了机组负荷与燃料的静态平衡关系和机组负荷指令与实际负荷的功差信号对燃料指令的动态关系，并将该关系以前馈的形式作用到锅炉主控系统中，提高AGC控制的负荷响应性，数学表达式如下：

(8)

式中：BD为锅炉主控指令，%；n为DEB控制器的积分时间，s；Kpm为控制器比例；Nmw为经过负荷变化率限制后的机组负荷指令，MW.

在现场进行大量的试验和调整,确定被控对象的动态特性和静态关系.从锅炉给料、送粉和燃烧3个方面进行控制系统修改，优化了锅炉的一次风母管压力控制系统、锅炉送风控制系统、氧体积分数控制系统、燃烧器二次风门控制系统、燃烧器周界风门控制系统、锅炉主控系统和协调系统，如图4所示.

经优化后的协调系统最终实现了某电厂1号和2号机组燃烧系统、协调系统和AGC控制系统的投运，如图5所示，控制系统在200～300 MW负荷内能稳定运行，在负荷变化率为7 MW/min的设定参数下，AGC 增减负荷速率、AGC调节精度、机组的响应性和稳定性均能满足电网控制要求.

图4 本次优化部分的CCS图

图5 机组负荷与压力调节曲线

3 结 论

(1) 锅炉出口NOx质量浓度、飞灰含碳量和锅炉燃烧效率等参数在不同机组负荷中对应不同的二次风挡板开度、周界风挡板开度、SOFA挡板开度，要提高低氮燃烧器改造后的机炉协调响应性，需要通过试验找出这些参数之间的关系.

(2) 在确定以上参数关系的基础上，才能制定出一次风指令的控制方案、锅炉主控指令与机组负荷指令的动静态参数，最终实现机组运行的响应性和稳定性.

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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

基于知识与大数据的燃煤电站智能协调优化控制研究及应用资助项目(16111106300)

张绪炎(1980-)，男，湖北大冶人，工程师，硕士，主要从事电站自动控制方面的研究.电话(Tel.)：021-64358710-485； E-mail：zhangxuyan@speri.com.cn．