★辽宁华电铁岭发电有限公司张志，高宠博，肖光皓

关键词：脱硝控制；锅炉特性；协调控制；前馈控制

火电机组的环保改造主要是指对现役存量机组进行脱硫、脱硝、脱碳、减烟尘和汞及其化合物的设备进行更新和技术改造，目前国内主要是对脱硫和脱硝进行大面积改造以适应GB132230-2011《火电厂大气污染物排放标准》的要求。本文主要针对机组脱硝改造后造成协调控制系统无法投入的问题进行分析以及在控制策略上进行完善。鉴于超临界、超超临界机组普遍采用低NO_X燃烧器，本文进行相应脱硝改造的机组是20世纪90年代投产的300MW、600MW等级汽包炉机组，它们在控制上出现的基本上都是由于分层配风、弱化燃烧导致的主蒸汽压力波动大、锅炉负荷响应慢等问题。

1　火电厂锅炉内NO_X生成机理及常用控制技术

1.1　炉内NO_X生成机理

火电厂锅炉燃烧过程中生成的NO_X有三种途径：热力型NO_X是在燃烧过程中，空气中的氮气在高温下氧化而产生的氮氧化物；快速型或称瞬时型NO_X是在碳化氢燃料过浓时燃烧产生的氮氧化物；燃料型NO_X是燃料中含有的氮的化合物在燃烧过程中经热分解和氧化而成的氮氧化物。

热力型NO_X，温度在氮氧化物生成的过程中具有决定性作用，随着温度的升高，热力型NO_X的生成速度按指数规律增长。以煤粉炉为例，在燃烧温度为1350摄氏度时，几乎100%是燃料型NO_X，但当温度为1600摄氏度时，热力型NO_X可占炉内NO_X总量的25%～30%。

快速型NO_X，是先通过燃料产生的烃离子基团撞击空气中的氮分子，生成中间产物，再进一步被氧化成NO_X。在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氢类燃料时才予以考虑。

燃料型NO_X，煤中的氮一般以氮原子的形态与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物，因此，燃烧时有机物中的原子氮容易分解出来并生成氮氧化物。这种燃料中的氮氧化物经热分解和氧化反应而生成的物质就是燃料型NO_X。燃料型NO_X的生成过程十分复杂，要涉及多种化学反应和化学动力学参数，它的生成和破坏过程与燃料中的氮分子受热分解后在挥发分和焦炭中的比例有关，随空气-燃料混合比、温度和氧量等燃烧条件而变。经研究发现，燃料型NO_X主要来源于挥发分氮的转化，占总量的60%～90%，其余来源于焦碳氮。

燃煤锅炉排放NO_X，主要由NO、NO₂及微量N₂O组成，其中NO体积超过90%，NO₂体积为5%～10%，N₂O体积约为1%。在燃烧过程中，热力型NO_X的生成与温度、压力、氮浓度、氧浓度以及停留时间有关。反应温度、过剩空气系数和停留时间对热力型NO_X的生成有决定性影响。

1.2　NO_X常用排放控制技术

经过多年的研究及发展，燃煤锅炉NO_X控制主要分为炉内的NO_X燃烧技术和烟气脱硝技术两类：炉内低氮燃烧技术主要采用低NO_X燃烧器、炉内空气分级燃烧等技术；烟气脱硝主要采用选择性催化还原脱硝、选择性非催化还原脱硝等。

2　脱硝改造后锅炉特性的主要变化

2.1　炉内结焦、积灰严重

低NO_X燃烧器、炉内空气分级燃烧技术，使炉内煤粉燃烧过程拉长，炉膛出口烟温升高，空气分级会造成飞灰含量的增加和炉内结焦、积灰加剧。在快速变负荷或高负荷阶段尤其明显。

2.2　制粉系统出力降低

烟气脱硝改造后，造成空气预热器入口烟温降低过多并导致磨入口一次风温度下降过大，使制粉系统干燥出力不足。

2.3　NH₃逃逸对下游设备影响

少量的NH₃随烟气逃逸出反应器，催化剂的氧化作用使部分SO₂氧化为SO₃，与NH₃反应生成大量氧化物，沉积在催化剂表面和空气预热器换热管上，冷凝后析出晶体物质，与烟尘混合，降低了催化剂的活性，增大了空气预热器的换热阻力和堵塞、腐蚀风险。

2.4　协调控制系统无法投入

经过燃烧器和脱硝改造后，锅炉燃烧严重滞后，经过测算在负荷低于480MW时，从煤量进入炉膛到氧量显著变化需要1.5分钟，到锅炉主蒸汽压力变化需要2分钟的纯迟延时间；在负荷大于480MW时，相应锅炉起压时间甚至延迟到3分钟左右，造成汽轮机调阀全开情况下功率也无法严格跟随AGC指令变化。因此，协调控制策略逻辑优化着重解决机组变负荷能力差、主蒸汽温度波动大、劣质煤低负荷稳定燃烧以及机组经济运行问题，在满足电网AGC功能要求以及提高机组经济运行前提下，提高机组运行的安全性和稳定性。

此外，需要指出的是燃烧的滞后，导致锅炉的辐射换热减少、过热面换热增加、过热减温水量偏大，有必要在改造燃烧器的同时，增加减温水的总体流量。

3　脱硝改造后的优化内容

随着火电机组脱硫和脱硝改造的全面开展，锅炉燃烧的实际状况发生了很大的改变，特别是燃烧器配风的改造，使燃料在炉内分段逐级燃烧，实现了降低NO_X的目的。但这种分层配风方式对机组燃烧、各层二次风挡板的控制、总风量及炉内氧量控制等提出了新的要求并直接关系着机组运行的安全性、稳定性和经济性。因此，对锅炉送风系统、二次风系统的控制策略及燃料配风进行控制上的总体优化及运行方式调整非常必要。在保证环保指标的同时，减少电网“两个细则”的考核，对提高机组运行的自动控制水平，降低运行人员的劳动强度具有重要意义。

3.1　二次风系统控制策略完善

针对机组运行过程投运煤粉的每层二次风门，优化燃料量与二次风门挡板开度的对应关系，拟合运行过程燃料量变化与最优二次风门开度曲线。

针对机组运行过程不投运煤粉的每层二次风门，优化负荷与二次风门挡板开度的对应关系，既保证燃烧器的冷却，又实现合理的二次风与炉膛差压。

对送风机及氧量控制策略进行研究，将送风机控制二次风母管压力、燃烧器风门控制风量及氧量的方式改为由送风控制总风量并最终确保省煤器出口氧量的串级控制策略，同时在高负荷时考虑如何兼顾送风机出力及二次风压变化，确保送风机的安全运行。

在不同负荷段特别是高负荷段，通过对相关二次风挡板的调整，优化燃烧过程配风变化对NO_X生成的影响，实现低氮燃烧。

研究确定合适的风煤比曲线、一次风量与二次风量配比曲线，实现锅炉燃烧的经济性和锅炉响应热负荷变化的快速性。

3.2　燃烧系统整体控制策略完善

在机组高负荷阶段，针对锅炉燃烧惯性大的特点，重点解决升负荷阶段各过热段超温问题；同时研究风量和燃料的相关控制策略，实现机组负荷变化的快速性并兼顾好送风、燃料、氧量间的匹配。

3.3　供热控制方式的控制完善

在机组供热投入后，优化热负荷的相关控制策略，实现锅炉供热条件下的相关控制。

4　机组协调控制策略完善

主蒸汽压力控制是协调控制系统关键的环节，主蒸汽压力变化过程对机组的外特性来说影响机组的变负荷，对内特性来说影响锅炉的汽温控制，所以选取合适的滑压曲线对于机组非常重要。在机组的整个模拟量控制策略中，不仅要考虑机、炉间的协调一致，还要考虑燃料和送风的匹配、主再热蒸汽温度控制等问题。

4.1　锅炉主控回路

根据机组直接能量平衡或直接指令平衡控制策略，重新构造平衡逻辑。在锅炉主控PID调节器上增加负荷指令函数和变负荷燃料前馈信号作为燃料量指令的前馈信号，同时增加随负荷指令的变参数控制逻辑。

4.2　煤质校正回路

新增加煤质校正回路，实现煤质校正自动计算，以此满足运行过程煤质变化的问题。同时对煤质校正调节的参数进行整定，使其适应不同运行工况，但是在煤质剧烈变化或煤层投运变化剧烈时，由运行人员及时手动预先干预调整。

4.3　汽轮机主控回路

将汽轮机主控回路优化为以功率偏差为主、主蒸汽压力偏差为辅的控制策略，以适应AGC方式对负荷快速响应的要求，同时兼顾机、炉能量的平衡。根据汽轮机主控主要控制机组功率偏差的策略，对调节参数进行优化。同时根据一次调频要求，在汽轮机主控回路单独分离一次调频负荷信号为直通分量，并增加一次调频动作时闭锁主蒸汽压力偏差对负荷指令的修正功能，确保一次调频动作方向正确、幅度足够。

4.4　变负荷前馈控制

为了适应机组连续变负荷的能力，新增加了机组变负荷前馈控制逻辑，主要由变负荷前馈及变负荷结束时的“刹车”回路、燃料量前馈回路、给水量前馈回路和送风量前馈回路组成。通过不同的变负荷速率，形成一定比例关系的燃料、给水和送风量并进入各子控制系统，满足机组连续变负荷对功率、压力和温度的要求。

4.5　送风及引风控制

原送风机控制二次风压，燃烧器风门调节燃料量对应的总风量，同时氧量调节直接修正燃烧风量的设定，设置为送风机控制总风量，二次风挡板开度用于匹配燃料量变化并通过尾部烟道氧量调节进行总风量校正。根据变负荷要求同步增加送风变负荷前馈回路，实现在满足环保对NO_X排放前提下缩短进入锅炉燃料的燃烧时间，提高风煤比的响应速度，进而提高机组变负荷能力。同时根据脱硝改造后风道阻力的变化，进一步完善送风对引风的前馈功能。

4.6　一次风机控制

锅炉燃烧率的变化决定锅炉负荷的响应速度，因此，为提高锅炉燃烧率，必须增强变负荷过程的风粉比控制，一次风干燥并携带煤粉量成为变负荷过程的关键。

一次风机系统增加变容量风压偏置回路，同时完善偏置自动跟踪切换回路。一次风压设定使用实发功率，因给煤机称重不准且时常发生棚煤现象造成给煤机转速飞升，无法使用磨煤机最大给煤量作为一次风压设定信号。控制上修改一次风机风压设定为最大给煤机转速指令换算的最大给煤量函数，同时在变负荷中对一次风压设定偏置进行最大±3kPa变动。

4.7　磨煤机冷热风挡板控制

增加磨煤机冷热风挡板之间的交叉前馈，实现增加磨一次风量时，热风挡板打开的同时冷热风挡板按一定前馈同步增加开度。

优化磨煤机出口温度控制，增加冷热风挡板交叉限制前馈，热风挡板对冷风挡板前馈30%，给煤机指令对冷风挡板前馈-20%，冷风挡板对热风挡板前馈-20%；给煤机指令对热风增加前馈，并在热风流量控制指令之上增加变容量风量偏置回路，进一步提高动态风粉比的变化幅度。

此外，热风挡板的控制上增加磨一次风量设定偏置自动跟踪功能，确保调节过程上的无扰切换。

5　结语

当前的火电机组，由于国家环保政策的要求，必须进行脱硝系统的改造及控制优化，同时脱硝系统的增加又使单元机组各个控制子系统的控制有必要进行重新调试。做好这两个方面的调试优化工作，不管是对火电机组的环保运行，还是对提升关键电能指标，都具有重要的现实意义。

作者简介：

张　志（1977-），男，工程师，硕士，现就职于辽宁华电铁岭发电有限公司，主要从事火电机组自动控制方面的研究。

参考文献：

[1] 淮南市电机工程学会. 火电机组典型案例技术分析及防范措施[M]. 北京: 中国电力出版社, 2011.

[2] 赵志丹, 高奎, 陈志刚, 等. 超(超)临界机组模拟量控制系统的调试及优化[M]. 北京: 中国电力出版社, 2016.

摘自《自动化博览》2024年7月刊