磨煤机启停导致氮氧化物波动控制技术研究

宋益纯

（国家能源集团山东电力有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

直吹式制粉系统燃煤火电机组，在中高负荷段参与电网自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）运行时，经常需要启、停磨煤机，改变入炉煤量。磨煤机启停期间，出口温度以及入口冷热一次风量的控制不同于正常运行工况，相关文献对此进行了大量的研究和优化［1-3］。磨煤机的启停还易造成烟气中氮氧化物（NOx）浓度的急剧变化，对脱硝系统稳定运行形成非常大的扰动。相关文献［4-5］对机组正常运行阶段脱硝喷氨控制系统提出了多种优化控制方案，但涉及磨煤机启停阶段的控制方案较少，虽然此种工况占机组运行时段的比例较小，但因此时锅炉燃烧工况波动造成脱硝系统大幅扰动、喷氨量过多造成氨逃逸超标，形成的硫酸铵盐附着在空预器、袋式除尘器上，长期积累导致空预器差压和除尘器差压的升高，增加引风机电耗。文献［6］选取磨煤机启、停信号构建喷氨量前馈补偿器，优化喷氨控制系统，解决磨煤机启、停过程中脱硝反应器出口NOx浓度超标问题。在磨煤机启、停阶段，若能降低脱硝反应器入口NOx浓度波动幅度，会比控制出口NOx浓度更容易、更有利于防止NOx超标排放及减少氨逃逸量。因此，有必要研究磨煤机启、停期间导致脱硝反应器入口烟气NOx浓度波动的主要原因，采取针对性措施进行消除。

1 研究对象

选取火电厂应用较多的双进双出钢球磨煤机进行研究。某火电厂600 MW 机组配置6 台双进双出钢球磨煤机，锅炉本体形式为∏型布置，一次中间再热、单炉膛、尾部双烟道结构，平衡通风、露天布置、前后墙对冲燃烧方式，高负荷段经常启停的为A磨。

图1 为A 磨启停期间脱硝反应器入口NOx浓度波动曲线。

由图1可知，磨煤机启动后、给煤机启动前，锅炉出口NOx浓度开始上升；磨煤机停止前，锅炉出口NOx浓度开始波动且磨煤机停止后大幅下降。NOx浓度的波动原因比较复杂，在启动给煤机前和停止给煤机前即已出现，不仅与磨煤机的运行状态有关，还与其他参数的变化有关。

2 磨煤机启停阶段影响NOx浓度因素分析

2.1 给煤量

由图1 可知，在给煤机落煤前，锅炉出口NOx即出现了快速上升；给煤机停运前，给煤量消失之后一段时间锅炉出口NOx浓度才出现大幅下降。磨煤机启动和停止时给煤机未运行，无新增原煤进入磨煤机，因此磨煤机启停期间锅炉出口NOx浓度大幅波动与给煤量无关。

图1 A磨启停期间脱硝反应器入口NOx波动曲线

2.2 煤位

双进双出钢球磨煤机采用差压式料位计检测煤位，正常启、停磨时煤位均处于低位，紧急停磨时煤位处于正常煤位。查询正常停磨和紧急停磨期间NOx浓度波动情况，正常停磨、煤位较低时NOx浓度波动幅度不定，有时高、有时低，但普遍比紧急停磨时的波动幅度小，说明停磨时的煤位高低与NOx浓度波动存在关联性。由于差压式料位计在低煤位时测量误差较大，磨内少量存煤或无煤所测得的煤位区别不明显，差压法测量值仅作为参考［7］，因此，正常停磨时无法通过煤位分析NOx浓度的波动情况。

2.3 停磨前吹扫时间

给煤机停止给煤后，需要保持磨煤机一定时间的运行，将磨中的存煤磨成煤粉吹入炉膛。查询分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）中A 磨煤机最近100 次停止前有关参数变化曲线，统计并分析停磨前的吹扫时间、不同吹扫时间与停磨后锅炉出口NOx浓度波动幅度之间的对应关系。图2 是磨煤机停运前不同吹扫时间与停磨次数统计。

图2中，吹扫时间小于5 min 的停磨次数为2次，均为紧急停磨；吹扫时间大于35 min 的停磨次数为3 次，均为磨煤机定期检修前的停磨；吹扫时间为5～15 min（含15 min）的停磨次数最多，其次是停磨前吹扫15～25 min（含25 min）。由以上数据可知，运行人员大多习惯吹扫15 min 左右将磨停运，主要原因是为了减少磨煤机的启停时间、降低电耗［8］。

图2 磨煤机停运前吹扫时间与停磨次数统计

为了分析不同吹扫时间对停磨后锅炉出口NOx浓度波动幅度的影响，对上述100 次停磨按吹扫时间对应的锅炉出口NOx质量浓度平均波动幅度进行统计，图3是二者之间的对应关系曲线。

图3 停磨吹扫时间与NOx波动幅度对应关系

由图3 可知，停磨前吹扫时间越短，停磨后锅炉出口NOx浓度波动幅度越大；当吹扫时间大于35 min时，NOx浓度波动幅度很小，说明吹扫时间是影响停磨后NOx浓度波动幅度的主要因素，其原因在于磨内存煤未吹净时，停止磨煤机导致对应的燃烧器突然灭火，从而使该燃烧器出口区域温度突然降低、燃烧生成的NOx浓度突然减少；磨内存煤吹净后停磨时，所对应的燃烧器出口火焰是缓慢熄灭的，燃烧工况未出现突变，因此NOx浓度波动幅度很小。

2.4 一次风和二次风

磨煤机通过容量风（一次风）携带煤粉，容量风由冷一次风和热一次风混合后进入磨煤机。在冷、热一次风混合前，各自通过调节挡板调节风量，混合后通过混合风关断阀进入磨煤机。图4 是磨煤机启动期间容量风挡板开度、混合一次风压、给煤量、二次风挡板开度、磨煤机电流和锅炉出口NOx浓度波动变化曲线。

2.4.1 容量风量

由图4 可知，磨煤机启动前，容量风挡板开度保持在最小，但混合一次风压突升，随后锅炉出口NOx浓度大幅升高，而此时磨煤机、给煤机均未启动，表明此时因打开混合一次风关断阀，虽然未打开容量风调节挡板，但已有容量风进入了磨煤机内，原因是，容量风调节挡板关闭不严存在漏风，磨煤机内上次停磨时未吹净的煤粉被容量风带入炉膛燃烧，导致NOx浓度快速上升。因此，磨煤机启动前容量风量无法按预期的调节量缓慢增加，是影响锅炉出口NOx浓度波动的因素之一。

2.4.2 二次风量

图4 中，A 磨对应的A、B 侧燃烧器二次风调节挡板开度曲线为阶跃变化，说明该磨煤机对应的燃烧器二次风量调节未投入自动方式。由于磨煤机启停期间进入炉膛的煤粉量变化较大，二次风量不与其进行同步调节，会导致氧量的大幅波动，生成的NOx浓度也会大幅波动［9］。经与运行人员交流，确认机组的总风量根据负荷指令的变化自动调节，而每台磨对应的燃烧器二次风量均未投入自动方式。二次风调节挡板是燃烧器所有部件中对NOx浓度影响最大的设备［10］，因此，启停磨时二次风量未进行同步调节是影响NOx浓度波动的又一主要因素。

图4 启磨期间磨相关参数变化曲线

2.5 其他因素

目前，燃煤锅炉广泛采用了低氮燃烧技术，以减少NOx的生成，但磨煤机启停阶段由于风煤比较大，主燃烧器区域进入的空气相对较多，降低了低氮燃烧技术的控制效果，该工况难以避免，但是，如果在磨煤机启动时将进入燃烧器的煤粉量尽可能平稳地增加，则NOx浓度也会相对平缓增加而不会出现大幅跃升；同理，如果在磨煤机停止前将内部的存煤磨碎吹净，使对应的燃烧器火焰由强到弱直到最后熄灭，则NOx浓度也会由高到低平缓下降而不会突降，减少对脱硝系统的扰动。

3 磨煤机启停优化控制方案

3.1 停磨期间吹扫控制逻辑优化

根据以上分析，停磨前将磨内存煤吹净是解决启停磨期间NOx浓度大幅波动问题的根本措施。为实现这一目标，需要研究确定磨煤机吹扫时机、吹扫条件并合理控制吹扫时间。

3.1.1 吹扫时机和吹扫条件的确定

正常停磨前，给煤量逐渐减少，煤位逐渐下降，当煤位下降到较低位置时，停止给煤机运行，此时磨煤机内存煤只出不进，其运行方式即为吹扫阶段，通过DCS判断给煤机、磨煤机运行状态，即可确定。为了将煤粉吹入炉膛，容量风的风速或风量需要保持一定范围，通过查询历史曲线及试验，该机组一次风压正常运行期间基本保持不变，容量风门开度保持在20%、实际容量风量不低于量程的20%，可满足吹扫需要。相关控制逻辑如图5所示。

图5 吹扫时机判断和吹扫条件的建立

图5 中，对磨煤机和给煤机运行情况的判断逻辑，其中2 s 的延时是为了区别磨煤机紧急停机和正常停机，其工作原理是：当给煤机和磨煤机紧急停运时，二者同时或先后跳闸，则不再执行吹扫程序，不将容量风门置吹扫开度；如果给煤机停运2 s 后磨煤机仍在运行，则将容量风门开度自动开至20%，20 s后如果检测到容量风量不低于20%，则可确认磨煤机吹扫条件满足。

3.1.2 吹扫时间的确定

给煤机停运后，当吹扫风量一定时，磨内存煤吹干净需要的时间与存煤量的多少有关。根据2.3 节分析与现场试验数据，当A、B 两侧平均煤位差压信号首次低至100 Pa 时停止给煤机落煤，保持容量风门开度约为20%、容量风量不低于20%，连续吹扫35 min 可确保存煤吹净。当煤位差压值高于此值时停止给煤机运行，还需要延长吹扫时间，经过试验，A侧、B 侧平均煤位差压信号下降速度基本与吹扫时间成正比，大约1 Pa/s，如图6所示。

图6 磨煤机料位差压与吹扫时间对应关系

由图6 可知，煤位差压高于100 Pa 时停止给煤机落煤，所需吹扫时间将大于35 min，总吹扫时间可根据式（1）进行计算。

式中：t为吹扫时间，s；Δp为磨煤机料位差压，Pa，Δp≥100 Pa。

料位差压值大于100 Pa时，首先按1 s/Pa的对应关系将超过100 Pa 的部分转换为吹扫时间，再加上35 min（2 100 s）；若料位差压值等于或小于100 Pa，则吹扫时间直接取2 100 s。

3.1.3 吹扫时间的自动计时

设置吹扫时间的自动计时功能，可以指导运行人员准确掌握停磨前的吹扫时间，避免吹扫时间过长或过短，同时，对吹扫是否顺利完成进行记录，为下次启磨时分别针对不同的吹扫时间采取不同的控制方案提供依据。图7是基于DCS的吹扫倒计时流程。

图7 基于DCS的吹扫倒计时流程

3.2 启停磨期间容量风量折算燃料量算法优化

入炉煤量和风量匹配性越好，烟气中的氧量和NOx浓度越稳定。但入炉煤量难以直接测量，对于双进双出磨煤机，常将容量风量（一次风量）或一次风压折算为入炉煤量参与锅炉主控调节。空载启动的双进双出磨煤机，煤位的建立滞后于一次风量的建立，因此启动过程初期尽管一次风量较大，但是进入炉膛的煤粉量较少；停磨前吹扫期间，一次风量不变，但其中携带的煤粉越来越少，导致折算后的煤量不准确，影响机组主汽压、风煤比、风量等自动控制系统调节性能，烟气中氧量和NOx浓度因此也会大幅波动。文献［11］提出了一种双进双出磨煤机入炉煤量软测量方法，利用磨煤机煤粉流量与容量风门开度、一次风压力、料位等关键参数，采用分段线性函数构造锅炉入炉煤量软测量模型；文献［12］在火电机组协调控制回路采用基于内部模型控制，解决超临界火电机组在AGC调频下启动制粉系统过程中扰动大的问题；文献［13］采用容量风挡板开度、一次风压和磨煤机料位及磨煤机是否吹净等参数综合折算入炉煤量，解决了入炉煤量计算偏差大引发的机组参数波动大的问题。

3.2.1 停磨吹扫期间容量风量折算燃料量的算法优化

停磨前，如果每次都保持吹扫相关条件的固定，只有容量风中的煤粉浓度随吹扫时间变化，寻找吹扫过程中容量风中煤粉量和吹扫时间的对应规律，比将容量风门开度、一次风压、磨料位等参数进行综合折算，更简单、更易于确保折算的准确性。

当煤位高于100 Pa时，给煤机尚在运行，不属于吹扫工况，燃料量的折算仍保持正常算法。当煤位低于100 Pa时，若保持一次风压不变，将容量风门开度固定为20%，此时容量风量不低于20%，连续吹扫35 min 可确保存煤吹净，因此，每次吹扫时均按以上条件进行，则吹扫期间燃料量的折算系数可从1（或100%）经过35 min后变为零。考虑到吹扫至30～35 min 时间段时，容量风中的煤粉量已非常少，对总燃料量的计算影响较小，因此，当吹扫时间至30 min时，可将折算系数提前变为零，如图8所示。

图8 停磨期间容量风量折算系数与吹扫时间关系曲线

3.2.2 启磨期间容量风量折算燃料量的算法优化

设容量风量折算为燃料量的折算系数为K，磨煤机进煤到出粉的延迟时间为100 s，则：

1）当上次停磨为紧急停磨时（ΔP煤位差压值＞100 Pa），再次启磨后，K取值为1；

2）当上次停磨已吹扫完成，再次启磨后、给煤机未运行时，K取值为0；给煤机下煤后，K取值从0 开始每秒增加0.01，100 s后变为1

式中：t为给煤机运行时间，t≤100 s。

3）当上次停磨时吹扫已开始但未完成，启磨后、给煤机未运行时，该过程相当于停磨前的吹扫过程的延续，K取值按吹扫中断时的数值，且按图8 所示曲线变化，后续过程进一步细分为两种情况：一是继续吹扫直到吹扫时间加上次停磨时的吹扫时间累计满30 min 后给煤机启动落煤，此时的K值按式（2）规律变化；二是继续吹扫时间加上次停磨时的吹扫时间累计不足30 min 给煤机启动落煤，则启动给煤机后

式中：K为容量风量折算为燃料量的折算系数，其值≤1；K0为K的初始值，磨煤机上次停磨前和启磨后累计吹扫时间；t为给煤机启动后运行时间，s。

式（3）反映了磨煤机停磨吹扫时间和启磨时吹扫时间共同对折算系数的影响。

另外，磨内若有存煤，暖磨期间一次风即会将部分煤粉快速带入炉膛，但随后煤粉量快速减少，直到磨煤机启动后，又有一部分煤粉快速进入炉膛，导致总燃料量和其他参数的波动。上述工况下想要准确地将容量风折算为燃料量难度很大，因此，应尽量将磨煤机吹净后停磨。

3.3 启停磨期间燃烧器二次风量控制策略

启停磨期间，对应的燃烧器二次风量调节全程投入自动，其大小应在不小于最小风量的前提下与折算后的燃料量相匹配，以准确反映吹扫时间对容量风中煤粉浓度的影响。

4 效果验证

4.1 正常启停磨运行情况

将A磨启停优化控制逻辑在DCS中进行组态，A磨对应的二次风量控制投入自动，按正常停磨程序进行试验：

将A1、A2 给煤机煤量减至最小，待两侧煤位差压降至100 kPa 以下时，停止给煤机运行，DCS 自动启动倒计时，倒计时结束后人工停止磨煤机运行，观察停磨前后锅炉A、B 侧出口NOx质量浓度波动范围分别为：A 侧267～299 mg/m3；B 侧258～293 mg/m3。波动幅度分别为：A侧32 mg/m3；B侧35 mg/m3。

停磨期间，NOx浓度波动幅度较改进前大幅减小。

再次启磨暖磨期间，锅炉A、B 侧出口NOx质量浓度波动分别为：A侧273～312 mg/m3；B侧258～289mg/m3。波动幅度为：A侧39 mg/m3；B侧：31 mg/m3。

磨煤机、给煤机启动后，NOx浓度缓慢上升，未出现大幅波动。

4.2 停磨吹扫中断情况下试运行情况

在A 磨停磨前吹扫15 min 后停止其运行，观察锅炉A、B 侧出口NOx质量浓度波动范围，分别为：A侧：237～301 mg/m3；B 侧：249～323 mg/m3。波动幅度分别为：A侧：64 mg/m3；B侧：76 mg/m3。

7 h 后机组负荷上升，A 磨暖磨、启动，观察锅炉A、B 侧出口NOx质量浓度波动范围，分别为：A 侧：262～335 mg/m3；B侧：277～346 mg/m3。波动幅度分别为：A侧：73 mg/m3；B侧：69 mg/m3。

上述数据表明，停磨前吹扫不彻底，即使二次风量投入自动，因启停磨时进入炉膛的煤粉量突变仍会导致NOx较大幅度波动。

5 结语

合理控制停磨前吹扫时间将磨内存煤吹净，是解决启停磨导致锅炉出口NOx浓度大幅波动问题的主要手段。启停磨期间，将容量风量合理折算为燃料量并将燃烧器对应的二次风量调节投入自动，是稳定燃烧工况、避免烟气中NOx浓度波动的有效措施。吹净后的磨煤机再次启动时，从磨煤机暖磨、给煤机下煤到磨出煤粉需要一段时间，与不吹净的磨煤机相比，增加锅炉出力的速度相对较慢，运行人员可以通过提前暖磨来缩短制粉系统启动响应时间，满足机组负荷变化需要。