基于監(jiān)測(cè)CO的鍋爐燃燒在線控制系統(tǒng)優(yōu)化

王 立， 王燕晉， 康靜秋， 宋洪鵬， 周新洋

(1. 華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司， 西安 710065；2. 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 北京 100045)

當(dāng)前我國(guó)電站鍋爐運(yùn)行面臨節(jié)能降耗和環(huán)保減排兩大任務(wù),在線完成電站鍋爐的燃燒優(yōu)化調(diào)整尤為重要。有研究表明，爐內(nèi)燃燒配風(fēng)控制是對(duì)運(yùn)行鍋爐提升熱效率最為有效的方式[1]。基于監(jiān)測(cè)CO的鍋爐風(fēng)量運(yùn)行優(yōu)化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)外機(jī)組[2]，相比基于監(jiān)測(cè)O2的風(fēng)量修正系統(tǒng)具有靈敏度高、受漏風(fēng)影響小、修正參考量精確、能反映爐內(nèi)局部缺風(fēng)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)和控制過程有益。

1 機(jī)組概況

某電廠1號(hào)鍋爐開展基于監(jiān)測(cè) CO的鍋爐燃燒配風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)化。鍋爐為SG-2084/25.4-M979型2 084 t/h超臨界參數(shù)變壓螺旋管圈直流爐。通過準(zhǔn)確的CO排放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該運(yùn)行機(jī)組尾部煙道煙氣中 CO排放質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，特別是運(yùn)行煤種變化頻繁或煤量調(diào)節(jié)頻繁時(shí)，CO監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)尤其明顯。僅依靠排煙O2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)已不能完全反映爐內(nèi)燃燒情況，筆者利用CO排放質(zhì)量濃度來調(diào)整優(yōu)化鍋爐運(yùn)行風(fēng)量，總結(jié)一套可靠有效的控制策略，達(dá)到提高鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。

2 燃燒配風(fēng)

過量空氣系數(shù)α是決定燃燒和燃盡程度的關(guān)鍵[3]。如果α過大，鍋爐排煙熱損失將增加，NOx排放量也將增加，但CO排放質(zhì)量濃度會(huì)明顯下降；反之，α過小，鍋爐燃燒惡化，CO排放質(zhì)量濃度明顯上升，不完全燃燒熱損失將會(huì)增大。因此，α存在一個(gè)最佳區(qū)域(見圖1工況2區(qū)域附近)，鍋爐效率最高。

圖1 爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)與CO質(zhì)量濃度的關(guān)系

在圖1中：工況1為燃燒系統(tǒng)存在局部缺風(fēng)；工況2為推薦氧量控制點(diǎn)；工況3為富氧燃燒，鍋爐熱損失偏大；工況4為煙道漏風(fēng)量大。

該燃煤機(jī)組對(duì)風(fēng)量的控制采用O2修正風(fēng)煤比的常規(guī)策略。由于O2測(cè)量對(duì)于燃燒反映的滯后性和測(cè)量精度低等缺陷，導(dǎo)致鍋爐燃燒的風(fēng)煤比實(shí)際配量并不合適。反映在低負(fù)荷階段風(fēng)量較大，風(fēng)機(jī)電耗增加，NOx排放量較高，排煙損失升高；高負(fù)荷階段機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)或協(xié)調(diào)變負(fù)荷動(dòng)作時(shí)，燃料變化迅速，風(fēng)量補(bǔ)給不及時(shí)，導(dǎo)致燃燒局部缺氧，CO 排放質(zhì)量濃度顯著升高，未燃盡損失增加，鍋爐效率降低(見圖2)。

圖2 試驗(yàn)前期數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析

因此，該鍋爐效率降低的主要原因是：爐內(nèi)風(fēng)煤比修正設(shè)定不當(dāng)和動(dòng)態(tài)風(fēng)量配量不合理，分別導(dǎo)致排煙熱損失和不完全燃燒熱損失升高。通過準(zhǔn)確的CO排放監(jiān)測(cè)技術(shù)，優(yōu)化控制策略，可及時(shí)在線調(diào)整鍋爐運(yùn)行風(fēng)量。

3 燃燒調(diào)整測(cè)試

3.1 熱態(tài)試驗(yàn)

檢查機(jī)組現(xiàn)有模擬量控制系統(tǒng)控制策略，主要包括風(fēng)量控制、氧量控制和二次風(fēng)控制。磨煤機(jī)出力正常、煤粉細(xì)度合理，監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管道風(fēng)速表，保證磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管道風(fēng)量基本平衡。機(jī)組申請(qǐng)退出AGC系統(tǒng)，退出協(xié)調(diào)控制，燃料開環(huán)，保持機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，退出二次風(fēng)的爐膛壓差自動(dòng)，風(fēng)量控制在自動(dòng)，記錄CO排放質(zhì)量濃度。采集計(jì)算相對(duì)鍋爐效率的基本數(shù)據(jù)，完成相對(duì)鍋爐效率計(jì)算分析。

由于CO測(cè)量對(duì)于α的敏感性不同，當(dāng)α較低時(shí)CO排放質(zhì)量濃度變化較快，當(dāng)α較高時(shí)CO排放質(zhì)量濃度變化非常緩慢。CO排放質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本類似不完全燃燒熱損失趨勢(shì)，欠氧燃燒時(shí)陡增，富氧燃燒時(shí)趨于平緩(見圖1)。找到試驗(yàn)機(jī)組的CO排放質(zhì)量濃度突變靈敏區(qū)，即基本找到低過氧風(fēng)量配量，驗(yàn)證試驗(yàn)趨勢(shì)同樣反映出CO排放質(zhì)量濃度突變靈敏區(qū)基本靠近了整體燃燒配風(fēng)的最佳區(qū)域(見圖2)。因此，驗(yàn)證并確定機(jī)組CO排放質(zhì)量濃度靈敏區(qū)域成為機(jī)組配風(fēng)總量的一個(gè)重要參考指標(biāo)，當(dāng)過氧燃燒時(shí)降低配風(fēng)量，當(dāng)?shù)脱趿咳紵龝r(shí)增大配風(fēng)量。為保障燃燒安全，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，該機(jī)組屬于富氧燃燒配風(fēng)，具有一定的代表性。保持機(jī)組負(fù)荷燃料穩(wěn)定，調(diào)配風(fēng)量，控制機(jī)組CO排放質(zhì)量濃度在40～60 mg/m3。依次選擇增加或減小二次風(fēng)量60～150 t/h，記錄CO變化質(zhì)量濃度、脫硝入口處NOx變化質(zhì)量濃度、O2變化體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)CO監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度較低時(shí)，梯度降低50 t/h風(fēng)量，每次風(fēng)量減少后觀察5 min，直到出現(xiàn)CO質(zhì)量濃度突變。降風(fēng)量過程中若O2體積分?jǐn)?shù)較低(<2.5%)，適當(dāng)開啟分隔燃盡風(fēng)(SOFA)風(fēng)門補(bǔ)償氧量，記錄CO變化質(zhì)量濃度、入口修正后NOx變化質(zhì)量濃度、O2變化體積分?jǐn)?shù)，以及計(jì)算鍋爐效率所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。若初始CO監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度較高，則依據(jù)上述步驟，梯度加載50 t/h風(fēng)量，直到CO排放質(zhì)量濃度降至60 mg/m3內(nèi)，記錄相關(guān)參數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

該試驗(yàn)鍋爐在不同工況下試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)見表1。機(jī)組負(fù)荷不變，隨著風(fēng)量的增加，排煙O2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，飛灰可燃物和CO排放質(zhì)量濃度則都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而風(fēng)機(jī)電耗明顯升高，計(jì)算出的鍋爐相對(duì)效率在CO排放質(zhì)量濃度高于 80 mg/m3時(shí)都是隨風(fēng)量增大呈逐漸升高的趨勢(shì)。380 MW 負(fù)荷(低負(fù)荷區(qū))時(shí)，CO排放質(zhì)量濃度較低(40 mg/m3左右)，降低同樣幅度的風(fēng)量時(shí)，CO排放質(zhì)量濃度雖有升高趨勢(shì)，但幅度較小，此時(shí)的CO排放一直保持較低的水平，即在低CO區(qū)段，降低風(fēng)量，風(fēng)機(jī)電流雖減小明顯，而飛灰含C量和CO排放質(zhì)量濃度均沒有明顯成比例上升。因此要保持CO排放質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)，各負(fù)荷區(qū)風(fēng)煤量并非成定比關(guān)系。通過參考CO排放質(zhì)量濃度，可進(jìn)一步精確定量各負(fù)荷下O2體積分?jǐn)?shù)需求，優(yōu)化后的煙氣O2體積分?jǐn)?shù)集中在3.2%～5.5%。可見通過合理優(yōu)化控制爐內(nèi)風(fēng)煤曲線，可以有效控制鍋爐CO排放和爐內(nèi)過氧量處于合理水平，保證鍋爐較高的熱效率。

表1 變風(fēng)量試驗(yàn)參數(shù)

每當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)加載燃料前饋，超調(diào)8～15 t/h燃料量，此時(shí)風(fēng)量指令并未進(jìn)行同步增加，因此出現(xiàn)CO排放質(zhì)量濃度大幅度增大現(xiàn)象。為避免該現(xiàn)象出現(xiàn)，就要對(duì)風(fēng)量指令進(jìn)行必要處理，需要在燃料前饋動(dòng)作時(shí)同比增大風(fēng)量調(diào)節(jié)強(qiáng)度，完成升降負(fù)荷時(shí)的動(dòng)態(tài)配風(fēng)優(yōu)化。反之同理可知，該機(jī)組燃料超調(diào)強(qiáng)度不宜超過10 t/h，優(yōu)化燃料控制邏輯，限定燃料前饋量在一定范圍內(nèi)。

空氣預(yù)熱器入口A側(cè)、B側(cè)CO監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度與濕法煙氣脫硫(FGD)處CO監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度同步參考，僅出現(xiàn)2 min的純滯后。A側(cè)、B側(cè)采集的數(shù)據(jù)之間也略有差異，但趨勢(shì)趨同。

4 控制策略優(yōu)化

該電廠1號(hào)鍋爐在空氣預(yù)熱器入口加裝了CO測(cè)點(diǎn)，結(jié)合尾部煙道FGD處CO測(cè)點(diǎn)，對(duì)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯參數(shù)優(yōu)化，包括各臺(tái)磨煤機(jī)一次風(fēng)量對(duì)應(yīng)關(guān)系、風(fēng)量對(duì)燃料量交叉限制、SOFA開度尋優(yōu)、風(fēng)量指令動(dòng)態(tài)處理、鍋爐負(fù)荷與總風(fēng)量對(duì)應(yīng)曲線配置、CO對(duì)風(fēng)量的閉環(huán)修正等項(xiàng)目(見圖3)。整體控制策略見圖4。

圖3 鍋爐燃燒控制策略優(yōu)化程序圖

圖4 基于監(jiān)測(cè)CO的燃燒控制策略

4.1 風(fēng)煤曲線優(yōu)化

風(fēng)煤曲線是穩(wěn)定工況下的燃料和總風(fēng)量配量關(guān)系。試驗(yàn)保持煤質(zhì)穩(wěn)定，制粉系統(tǒng)工況穩(wěn)定。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將CO排放質(zhì)量濃度控制在40～60 mg/m3，O2體積分?jǐn)?shù)、NOx質(zhì)量濃度控制在合理范圍內(nèi)且工況穩(wěn)定。在50%～100%發(fā)電機(jī)額定功率重新定義風(fēng)量配量(見圖5)。優(yōu)化過后的風(fēng)量較前值在低負(fù)荷區(qū)略有升高，高負(fù)荷區(qū)風(fēng)量設(shè)定值略有下降。意味著高負(fù)荷段原有風(fēng)量配量較大，O2體積分?jǐn)?shù)較高，排煙損失較大，風(fēng)機(jī)電耗較大。新優(yōu)化后的風(fēng)量定值在降低排煙損失、降低廠用電耗的基礎(chǔ)上，依然保證了未完全燃燒損失在一定范圍內(nèi)。

圖5 風(fēng)量?jī)?yōu)化對(duì)比

4.2 O2配置曲線優(yōu)化

負(fù)荷越高，需要的氧量越低，實(shí)際試驗(yàn)當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)降至3.2%以下時(shí)，受漏風(fēng)率等因素的影響，其測(cè)量數(shù)值變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性，變化趨緩。而 CO排放質(zhì)量濃度的設(shè)定值和負(fù)荷無關(guān)，高負(fù)荷和低負(fù)荷時(shí)的設(shè)定值幾乎不變。將CO排放質(zhì)量濃度控制在40～60 mg/m3，記錄各負(fù)荷段O2體積分?jǐn)?shù)定值，優(yōu)化O2體積分?jǐn)?shù)設(shè)定曲線,f(x1)=(0，300，330，600，660；6，5.5，5.5，3.4，3.2)。保留優(yōu)化前O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)風(fēng)量的修正控制回路，修正強(qiáng)度為當(dāng)前風(fēng)量的0.8～1.2倍。

4.3 風(fēng)煤動(dòng)態(tài)配量?jī)?yōu)化

增加主蒸汽流量對(duì)風(fēng)量的保護(hù)回路。試驗(yàn)時(shí)同樣記錄各穩(wěn)定工況主蒸汽流量與風(fēng)量關(guān)系，記錄曲線，并將該曲線的風(fēng)量設(shè)定值統(tǒng)一降低200 t/h，作為動(dòng)態(tài)風(fēng)量保護(hù)低限。調(diào)用該信號(hào)與風(fēng)煤曲線設(shè)計(jì)值選大作為最終的實(shí)際風(fēng)量設(shè)定值，確保該負(fù)荷下燃燒所需的最低風(fēng)量。

4.4 CO排放質(zhì)量濃度對(duì)風(fēng)量的修正

利用CO排放質(zhì)量濃度靈敏度高、受漏風(fēng)影響小、能反映爐內(nèi)局部缺風(fēng)、受負(fù)荷及煤質(zhì)變化影響小等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)策略讓CO參與風(fēng)量指令修正。在風(fēng)量控制回路之上，設(shè)計(jì)基于CO的O2校正控制策略，測(cè)試CO監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度與燃燒惡化的傳遞時(shí)間(三階慣性)，構(gòu)建CO對(duì)于O2體積分?jǐn)?shù)的需求模型f(x2)，利用該模型模糊控制校正O2設(shè)定曲線，綜合動(dòng)態(tài)修正模塊和風(fēng)量交叉限制，最終在線校正風(fēng)煤配量曲線。CO 排放質(zhì)量濃度控制的調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)定為40～60 mg/m3。

系統(tǒng)測(cè)量的CO排放質(zhì)量濃度實(shí)質(zhì)是燃燒工況1～2 min前的燃燒反映。若燃燒惡化工況持續(xù)發(fā)生，即CO排放質(zhì)量濃度超出優(yōu)控范圍(40～60 mg/m3)時(shí)，并不說明當(dāng)前風(fēng)煤配量不合理，而是一定時(shí)間前燃燒惡化的反映。因此有必要記錄CO排放質(zhì)量濃度，實(shí)時(shí)計(jì)算前15 min內(nèi)CO排放質(zhì)量濃度均值，當(dāng)其出現(xiàn)較長(zhǎng)的時(shí)間(>3 min)的偏差，才能確定是風(fēng)煤匹配不合適造成燃燒惡化，利用CO排放質(zhì)量濃度進(jìn)行的風(fēng)量修正。因此對(duì)參控的CO排放質(zhì)量濃度測(cè)量值進(jìn)行在線均值計(jì)算和三階慣性處理，防止該修正回路調(diào)節(jié)過于靈敏而造成燃燒系統(tǒng)配風(fēng)振蕩。

4.5 一次風(fēng)量的修正和風(fēng)煤交叉限制

若磨煤機(jī)一次風(fēng)量與燃料配量不合適，同樣會(huì)造成未完全燃燒損失加大。在各負(fù)荷點(diǎn)的穩(wěn)定工況下，保持穩(wěn)定的一次風(fēng)壓頭，對(duì)單臺(tái)磨煤機(jī)的一次風(fēng)量進(jìn)行定量試驗(yàn)。

燃燒優(yōu)化還要加強(qiáng)燃料管理，在保證協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)品質(zhì)的同時(shí)，保持燃燒高效。參考CO排放質(zhì)量濃度，重新調(diào)節(jié)鍋爐主控中的燃料加載速度和前饋強(qiáng)度，對(duì)于快速增減燃料必須輔以必要的風(fēng)量，否則燃燒效率將大大降低。試驗(yàn)證明，機(jī)組變負(fù)荷時(shí)燃料前饋較大，應(yīng)對(duì)其做必要的限定，增減負(fù)荷時(shí)，該機(jī)組燃料超前調(diào)節(jié)不宜大于12 t/h，否則易于出現(xiàn)CO排放質(zhì)量濃度突升。

5 結(jié)果與分析

該機(jī)組構(gòu)建的在線優(yōu)化模塊與算法均可在機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(DCS)內(nèi)部構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)便捷，管理維護(hù)簡(jiǎn)單。在優(yōu)化試驗(yàn)后，整體CO排放質(zhì)量濃度控制在40～60 mg/m3，啟停磨煤機(jī)工況或在高負(fù)荷工況時(shí)，偶爾出現(xiàn)小于200 mg/m3的波動(dòng)，通過風(fēng)量迅速調(diào)整，持續(xù)2～5 min而后恢復(fù)到合理范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷處于變負(fù)荷工況時(shí)，優(yōu)控系統(tǒng)投入前后調(diào)控效果對(duì)比明顯，CO排放質(zhì)量濃度有效控制在一定范圍內(nèi)(見圖6)。

圖6 優(yōu)化前后對(duì)比趨勢(shì)

需要指出的是燃燒優(yōu)化對(duì)于AGC二項(xiàng)細(xì)則考核有著較為明顯的影響，O2體積分?jǐn)?shù)、風(fēng)量和燃料量的配量?jī)?yōu)化使鍋爐熱負(fù)荷增減更為高效和線性化，有利于主蒸汽壓力控制，幫助改善考核細(xì)則中負(fù)荷調(diào)節(jié)速率測(cè)評(píng)和負(fù)荷靜態(tài)偏差指標(biāo)；燃燒優(yōu)化中動(dòng)態(tài)配風(fēng)邏輯很好地匹配了燃料的超調(diào)量，在線實(shí)現(xiàn)了升負(fù)荷優(yōu)先加風(fēng)，降負(fù)荷滯后減風(fēng)的理論配風(fēng)邏輯改善了鍋爐負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)；設(shè)計(jì)的燃燒優(yōu)化試驗(yàn)也能測(cè)試當(dāng)前煤質(zhì)下鍋爐負(fù)荷最大升負(fù)荷率，從而限定燃料階躍加載幅值，保證了燃燒安全和效率。該電廠優(yōu)化試驗(yàn)于2016年3月底完成，AGC考核綜合系數(shù)K由1.2提升到2.8，效果明顯(見圖7)。

圖7 燃燒優(yōu)化后的二項(xiàng)細(xì)則K趨勢(shì)

6 結(jié)語

(1) CO排放質(zhì)量濃度變化對(duì)于鍋爐效率或煤耗影響顯著，CO排放質(zhì)量濃度突變靈敏區(qū)對(duì)于在線燃燒優(yōu)化有參考價(jià)值。

(2) 通過合理控制爐內(nèi)風(fēng)量，可以控制鍋爐CO排放處于合理水平，降低NOx排放量。

(3) 構(gòu)建CO排放質(zhì)量濃度對(duì)于風(fēng)量的需求模型，合理處理CO排放質(zhì)量濃度采樣信號(hào)，采用模糊校正氧量曲線，結(jié)合動(dòng)態(tài)風(fēng)煤校正模塊和風(fēng)煤交叉限制的控制策略，完善基于監(jiān)測(cè)CO 的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該控制策略可以保證鍋爐運(yùn)行安全穩(wěn)定，有效提高鍋爐燃燒效率。