大型燃煤锅炉新型燃烧控制策略研究

大型燃煤锅炉新型燃烧控制策略研究

魏静  陈志强   刘卫华

山东电力工程咨询院有限公司  济南 250013

摘要：通过分析传统燃烧控制存在的问题，将烟气CO、NOx含量测量信号引入锅炉燃烧控制逻辑，制定烟气CO、NOx含量与02量相结合的新型燃烧控制策略。解决了锅炉入炉煤质变化或燃烧器配风不当时，单一氧量检测无法准确判断燃烧效率的难题，通过控制CO含量的控制带，在线控制烟气含氧量最佳工况点，使锅炉效率达到最优。

关键词：煤质；燃烧效率；控制策略

0 引言

目前，锅炉的燃烧效率尚无法直接测量，通常用间接的方法来判断燃烧效率，国内多数大型燃煤锅炉燃烧控制原则是以烟气中的含氧量来控制燃烧效率。锅炉入炉煤质变化或燃烧器配风不当时，单一通过氧量控制无法保证锅炉燃烧处于最佳空燃比控制，为避免锅炉熄火，往往锅炉明显富氧燃烧，不在最佳经济状态下运行，而较高的过量空气系数，还会增加烟气NOx的排放。本研究，将锅炉烟气CO、NOx测量数据引入机组分散控制系统（DCS），在DCS常规的氧量串级控制逻辑中，增加CO、NOx含量校正氧量的燃烧优化控制算法，通过烟气CO、NOx含量自动实时校正氧量给定值，为最终实现空燃比自动寻优控制，并为下游脱硝控制减少喷氨量创造有利技术条件。

1 常规燃烧控制策略及存在的问题

1.1 常规燃烧控制策略

锅炉燃烧的好坏，通常用过剩空气系数来衡量，过量空气系数的大小是决定燃尽程度的关键。目前国内电站煤粉锅炉燃烧控制设计基本思路，就是控制合适的过量空气系数为原则，控制燃料与空气的适当比例使锅炉处于较佳燃烧状态。常规燃烧控制方案中，过量空气系数由监测的烟气含氧量来决定。但保持固定过量空气系数的燃烧控制系统，并不能保证燃烧的最佳经济性，因为锅炉负荷变化会对氧量控制产生很大影响。高负荷下，由于炉膛温度高，火焰充满程度高，煤粉气流着火与混合条件好，对煤粉燃尽有利，因此高负荷下，运行氧量较小即可满足高效燃烧。低负荷时，由于烟气量的降低，主蒸汽和再热蒸汽温度偏低，需增加风量提高主蒸汽和再热蒸汽温度，因此低负荷运行氧量控制相对较高。

为了使氧量给定值随负荷改变而变化，常规燃烧控制的DCS逻辑中，将负荷信号通过一个函数发生器产生一个随负荷而改变的最佳含氧量信号，作为氧量校正调节器的给定值，不同负荷下的最佳氧量值由锅炉热效率试验确定后，设置在函数发生器中。

1.2 燃烧控制存在的问题

（1）煤质变化对氧量控制的影响

入炉煤质变化时，燃料量和送风量的最佳比值并不是一个常数，因为不同热值的煤，需要不同的供风量。无烟煤和贫煤的挥发分较低，着火和燃尽困难，燃用无烟煤和贫煤，要求较大的运行氧量，而挥发分高的烟煤和褐煤，煤粉的着火特性和燃尽特性均较好，燃用烟煤和褐煤，要求较小的运行氧量。常规燃烧控制方案中，氧量给定仅考虑了负荷对氧量的影响，即氧量给定仅取决于当前负荷的大小，入炉煤种的频繁波动时，氧量给定并没有因为煤质变化做相应的校正，容易造成炉膛缺风或过量空气过多。

（2）单一控制氧量的不全面性

烟气含氧量仅仅是燃烧过程中反映过量空气的其中一个状态数据，单纯通过氧量来监测控制燃烧不足以准确的判断出真实燃烧状况。氧量并不能反映炉内煤粉和空气混合状况的好坏，即使氧量足够，若风粉混合不好，也会燃烧不充分，烟气中将会含有CO、H2、CH4等未燃尽的可燃气体，使燃烧效率降低。

（3）氧量测量误差大的必然性

大型锅炉烟道截面很大，烟气又缺少大规模的混合，结果往往存在比较严重的气体成分分层现象，通常在炉膛出口烟道的截面上氧量测点的个数有限，因此所测得的氧量与实际值也必然存在一定的误差；另外，氧量表由于漏风、零位漂移等原因不能反映烟气中的真实氧量值，氧量的测量很容易受到非配比空气漏入烟道的影响变的不准确。

2 设计CO、NOx量与02量相结合的燃烧控制策略

图1所示为带CO、NOx含量校正氧量的燃烧控制逻辑图，DCS常规氧量串级控制逻辑中，增加CO校正氧量算法，通过设置切换开关，实现三种工况的逻辑切换，控制策略如下：

1）CO量高于控制带上限（300ppm）时，切换至CO/O2串级PID控制，自动校正增加氧量给定，以使CO量尽快回到100~300ppm控制带；

2）CO量低于控制带上限（300ppm）且高于控制带下限（100ppm）时，即认为CO含量在正常范围内，切换至常规的氧量控制；

3）CO量低于控制带下限（100ppm）时，切换至CO/O2串级PID控制，自动校正减小氧量给定。

运行过程中若出现氧量正常，CO含量远高于正常值（>600ppm）且量处于上升趋势时，表明CO检测仪表出现故障，或有燃烧器配风不当或风粉混合不均匀，燃烧恶化，DCS自动退出CO自动控制方式，运行人员结合风粉在线系统、飞灰测碳系统等系统的参数，判断不完全燃烧的根源，进行燃烧调整。

当NOx含量上升较快或超过锅炉设计值，且锅炉处于充分燃烧前提下，即CO含量<300ppm时，NOx含量微分调节器回路投入工作，NOx含量微分调节器输出作用，减少氧量调节器的给定值，实现NOx含量自动校正氧量给定，在保证锅炉仍充分燃烧前提下，适当减少锅炉送风量，当省煤器出口NOx浓度降至锅炉运行设计值范围之内时，该NOx含量校正氧量的控制回路退出工作。

图1基于CO、NOx含量校正氧量的送风控制逻辑图

3 结语

本研究开发了烟气氧量和CO、NOx含量相结合的新型燃烧控制方案，解决了单一通过氧量控制无法实现送风量精确、快速控制的难题，在满足机组运行安全和排放要求的前提下，实现快速、精确控制烟气含氧量最佳工况点，锅炉效率达到最优。

参考文献

[1]黄新元．电站锅炉运行与燃烧调整：TM621.2-2003[S]．北京：中国电力出版社，2003．

[2]罗万金．电厂热工过程自动调节：TM621.4-1991[S]．北京：中国电力出版社，1991．

作者简介：

魏静（1973-），男，工学硕士，高级工程师，从事电厂自动化系统的设计工作。

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