鍋爐燃盡風門控制策略的創新

夏瑩

（浙江浙能鎮海發電有限責任公司，浙江寧波315200）

鍋爐燃盡風門控制策略的創新

夏瑩

（浙江浙能鎮海發電有限責任公司，浙江寧波315200）

針對傳統PID控制鍋爐燃盡風門開度調節氧量的遲滯性，無法配合機組實際負荷區段靈活調整風門開度的局限性，提出了燃盡風門新的控制策略，改變了傳統PID控制方式調節氧量波動頻繁的狀態，已達到較好的控制省煤器出口氧量目的。控制策略創新應用后，鍋爐缺氧導致主汽超溫現象明顯減少，并且出口NOX排放量也較穩定且符合環保要求。

爐內脫氮；燃盡風；控制策略；氧量

0 引言

鍋爐燃燒過程產生的NOX排放進入大氣會形成酸雨，給環境帶來巨大的危害，如：腐蝕建筑物和工業設備，損壞植物葉面等，同時NOX也是造成光化學煙霧的根本原因，對人體有很大的刺激性和毒害作用。運用爐內脫氮分級燃燒方式可控制NOX的排放。分級燃燒將鍋爐分為主燃區、再燃區和燃盡區[1]。OFA（燃盡風）風門在爐膛上部燃盡區域及時補入過量風，從而保證從再燃區出來的未完全燃燒產物燃盡，以達到減少NOX排放及防止爐膛結焦的目的。

燃盡區出口過量空氣系數α目標值為1.167。若氧氣含量偏高，鍋爐富氧燃燒，會導致鍋爐排放NOX超出環保標準；若氧氣含量偏低，則會造成未完全燃燒產物在煙道燃燒致使主汽超溫，主汽壓力迅速降低，協調控制下鍋爐壓力波動超過1 MPa[2]。因此，控制OFA風門的開度相當重要。以下介紹的OFA風門開度控制策略，充分考慮了氧量變化的遲滯性，根據相應機組負荷區段配置風門開度，且應用定時查詢修正氧量的方式對風門開度進行細調，保證了氧量變化平穩、協調控制穩定、出口NOX符合環保要求。

1 OFA風門控制的創新應用

1.1 OFA風門傳統PID控制的局限性及創新

傳統PID（分例-積分-微分）控制方式簡單，如圖1所示，其控制局限性在所難免，見表1。

圖1 傳統PID控制方式

針對PID連續控制方式導致風門開度變化頻繁，不利于控制氧量在一定范圍內，且控制響應緩慢、靈活性差的狀況，提出如圖2所示的自動控制邏輯。圖2中，“HSCSLAVE5”為伺放模塊，根據“MS”端輸入指令同反饋“ZT”相比較送出開關量指令，以保證反饋與“MS”端輸入指令偏差小于死區；“SEL”為選擇模塊，如第9模塊：“CRUNBACKY10”=1，則輸出端=“CAM103401”，否則，輸出端等于第8模塊輸出值；“SUB”為減法使能模塊，只有當“EN”輸入端=1時，才能為“CSET1028A”賦值等于“CZT1693”與“CAM102802”；“ZHADD”為加法模塊，O1=I1*A1（模塊內部參數）+I2*A2（模塊內部參數）；“TP”為定寬模塊，本邏輯中“TM1028A”定寬脈沖時間均為0.5 s。

OFA風門自動邏輯：風門開度=負荷區段對應開度+氧量控制輸出+偏置，RB（快速減負荷）時風門開度=最小負荷區段對應風門開度。以下針對OFA風門原PID控制的局限性，詳細說明創新的控制邏輯。

1.2 增加控制靈活性

圖2邏輯中將“負荷對應開度”作為風門基準開度，氧量控制輸出和偏置作為開度微調。如此創新，大大增加了風門自動控制靈活性，確保機組處于不同負荷區段時，風門開度快速適應鍋爐燃燒工況，很大程度上避免了負荷變化時燃盡區氧量無法快速適應、波動大的缺陷。

如圖3所示，邏輯中將機組負荷分割為4區段，負荷區段由小到大：區段一：CAM1034A至 CAM1034B；區段二：CAM1034B至CAM1034C；區段三：CAM1034C至CAM1034D；區段四：大于CAM1034D，分別對應風門開度“CAM103401”至“CAM103404”。

圖3中“HSALM_AM”為幅值報警模塊，“IN”端輸入值大于“AH”端輸入值，則“DV”置1。“BOOL_ TO_WORD”模塊將BOOL量轉化為WORD。“MUX”模塊：第一輸入端輸入值=0或1，輸出端=“CAM103401”；第一輸入端輸入值=2，輸出端=“CAM103402”；第一輸入端輸入值=3，輸出端=“CAM103403”；第一輸入端輸入值=4，輸出端=“CAM103404”和“HSRATELIM”為速率限制模塊。負荷區段對應風門開度根據試驗所得，見表2。

表1 PID控制缺陷

表2 低氮燃燒配風操作參考數值

1.3 減少氧量波動

圖2邏輯中將氧量控制輸出作為負荷對應開度的優化修正，根據燃燒過程中實際氧氣含量控制風門開度變化，保證將燃盡區氧量控制在一定范圍內。

針對PID連續控制無法適應氧量變化遲滯的局限性，創新氧量控制邏輯如圖4所示，當氧量連續30 s超過上限K2或者下限K3時，氧量控制輸出指令累計±5；氧量未超限或氧量值回復至正常范圍內，氧量控制輸出保持。經參數調試，整定氧量高限回復值K4＜K2，氧量低限回復值K5＞K3，以確保氧量超上限時自動控制調整風門開度減小至氧量稍低于上限值，避免氧量于高限附近波動，氧量控制頻繁調節影響執行機構使用壽命，低限同上理。

圖2 OFA風門自動控制邏輯

圖4中“HSALM_AM”為幅值報警模塊，“AH”與“AL”分別為幅值上/下限，“IN”輸入值超限則“DV”輸出端置1，超上限“AMH”置1；“RS”為RS觸發器模塊，“SET”=1，則“Q1”=1，“RESET”=1，則“Q1”=0；“TON”為延時置1模塊，本邏輯中“TM1028B”延時時間為30 s；“R_TRIG”為上升沿觸發模塊。輸入端“CLK”上升沿觸發輸出端“Q”送出時長一個運算周期的脈沖；“LIMIT”為限值模塊，“輸入端（2）”≤“輸入端（1）”≤“輸入端（3）”。

相較于傳統PID控制方式，氧量值連續30 s查詢方式確保了測量氧量為燃盡區確切實值，避免了氧量假值大幅度波動時風門過調，較好地解決了風門開度變化時氧量變化的遲滯性和氧量波動頻繁的問題，確保氧量控制的穩定性并延長了執行機構的使用壽命。

1.4 加快控制響應速度

針對傳統PID控制積分飽和致使風門響應緩慢問題，改變自動控制時風門開度限值。如圖4所示，K8，K9分別為風門自動開度下限、上限。相較圖5，一般自動邏輯將風門開度限制置于自動模擬量指令末端，風門開度限制的改變有效解決了風門自動控制響應緩慢的問題。

舉例說明：如現工況負荷對應開度CAM103422=40，氧量控制輸出CAM102801=-20，偏置CSET1028A=0，開度下限K8=30，開度上限K9=70，則風門實際開度為30。因為負荷區段較寬且負荷一般較穩定，負荷區段對應開度一定時間內并不會發生較大變化。若此時氧量持續30 s低于下限，則氧量優化控制為-15，40-15=25＜30，風門開度仍為30%，1 min后氧量優化控制為-10，40-10=30，風門開度仍為30%。直到1 min 30 s后，風門開度才有所變化，對氧量反應延時長，風門響應緩慢。

圖3 負荷對應開度邏輯

圖4 氧量控制邏輯

圖5 一般風門開度限制

現優化邏輯將風門自動開度限值置于氧量控制邏輯中，如圖4所示，較好地解決了一般邏輯響應速度慢的問題：（開度下限K8-負荷對應開度CAM103422）≤氧量控制輸出值CAM102801≤（開度上限K9-負荷對應開度CAM103422）。采取以上措施后，如上工況，風門開度為30，氧量控制輸出值為-10（因受限，最小為-10），當氧量值小于下限時，氧量優化控制迅速響應-10+5為-5，風門開度增加至35%，能夠快速響應氧量變化。

2 其他控制創新應用

2.1 手/自動投切無擾

為保證風門手自動投切時不出現開度擾動，如圖2所示，通過TP與SUB模塊，增加自動投入時，給偏置CSET1028A賦值邏輯。

自動投入那一刻，使偏置CSET1028A=風門實際開度CZT1693-負荷對應開度CAM103422-氧量控制輸出CAM102801，自動模擬量指令=負荷對應開度+氧量控制輸出+偏置=風門實際開度，從而達到自動投入時風門開度無擾的目的。

2.2 可人工干預自動時風門開度

如圖2所示，OFA風門自動邏輯：風門開度=負荷區段對應開度+氧量控制輸出+偏置。偏置CSET1028A可由運行人員根據實際工況做出相應修改，保證了自動控制中人工干預的可能性，大大提高了自動控制的靈活性和適用性。

2.3 手動時氧量控制輸出清零

氧量控制輸出作為風門自動控制邏輯中重要的修正優化參數，需保證此參數的可修正性。如圖4所示，因氧量自動控制較復雜，所以每次自動切手動時，都給氧量控制輸出參數賦值為0，以保證每次自動投入時，氧量控制輸出CAM102801重新計算調節，氧量控制邏輯簡單化。

2.4 控制邏輯模塊化

圖6 開關量控制方式

如圖6所示，創新控制邏輯將手/自動結合。手動控制時，為方便運行人員操作，設計有長短脈沖控制輸出。當按下開或關按鈕超過2 s，邏輯送出指令長脈沖直到松開開或關按鈕，否則送出0.5 s短脈沖；另手動控制包括選限方式，運行人員可選中多個風門同時控制開度變化。上層1號角OFA風門若被選中，則CYK1693X置1，選限開按鈕按下則被選中的風門同時開，IN6輸入端為選限復位。圖6中：TON為延時置1模塊，邏輯中TM01與TM03延時時間均為2 s。TP為定寬模塊，邏輯中TM02與TM04定寬脈沖時間均為0.5 s。為方便邏輯組態，將圖6邏輯集成模塊化，如圖7所示。手動時，CDM1028A（自動投入）=0，手動開按鈕按下，則IN1置1；自動時，運行人員切換CDM1028A=1，根據CYC1693O（自動開指令）、CYC1693C（自動關指令）送出開關指令。

圖7 邏輯集成模塊

集成模塊將復雜風門邏輯簡化，可同樣運用于無自動的二次風組態中，通過設置模塊內部參數RM實現。

3 OFA風門控制邏輯創新后的成效

OFA風門控制策略創新前后的效果對比見表3，控制邏輯應用后大大緩解了運行人員手動調節的壓力，使風門開度能快速適應機組負荷變化，且對燃盡區氧量變化響應迅速。每30 s查詢1次氧氣含量的方式有效解決了氧量變化遲滯性和風門開度調節過于頻繁的問題，同時手/自動投切時無擾、氧量控制輸出清0的創新設計，確保了邏輯的簡易性和穩定性，保證了風煤配比、主汽壓力穩定，主汽溫超溫減少。

表3 OFA風門控制策略創新前后效果對比

在實際應用中，燃盡風的補充實現煤粉完全燃燒，高溫省煤器出口NOX排放不大于300 mg/m3（O2=6%，標準狀態下），效率大于60%，NOX排放量達到環保標準[2]，而且爐膛燃燒狀況、鍋爐效率、飛灰含碳量都有較大的改善。

[1]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]蔣文舉，趙君科，尹華強，等.煙氣脫硫脫硝技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3]西安熱工研究院.火電廠SCR煙氣脫硝技術[M].北京：中國電力出版社，2013.

[4]楊飏.氮氧化物減排技術與煙氣脫硝工程[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[5]孫克勤，韓祥.燃煤電廠煙氣脫硝設備及運行[M].北京：機械工業出版社，2011.

（本文編輯：陸瑩）

Innovation of Control Strategy for OFA Throttle

XIA Ying
（Zhejiang Zhenhai Power Generation Co.，Ltd.，Zhenhai Zhejiang 315200，China）

Aiming at sluggishness of oxygen content change due to OFA（Overfired air）throttle opening through traditional PID control and the limitation owing to failure of cooperation with actual load section of units in air door opening adjustment，the paper proposes new control strategy for OFA throttle.Frequent oxygen content fluctuation due to traditional PID control is changed and oxygen content in economizer outlet is well controlled.Since the application of innovated control strategy，there is seldom overheat of main steam due to lack of oxygen in boilers；moreover，NOXemissions from the outlet is stable and can meet the requirements of environmental protection.

denitrification in boiler；OFA；control strategy；oxygen content

TK321

：B

：1007-1881（2014）11-0030-05

2014-09-11

夏瑩（1990－），女，浙江寧波人，助理工程師，從事發電廠熱工控制工作。