新環保政策下鍋爐風量控制的研究與應用

樊英鵬

摘 要：隨著社會經濟的發展，對環保參數要求更加嚴格：二氧化硫、煙塵全時段小時均值、日均值合格;機組并網后氮氧化物小時均值合格。而氧量>19%，所有環保參數目前暫不考核，機組啟停時通過風量控制，是確保環保參數達標排放的有效手段。

關鍵詞：風量;氧量;控制;氧量轉換;理論空氣量;

鍋爐總風量控制是燃燒調節的核心控制邏輯，配風調整的好壞直接影響到鍋爐燃燒的經濟性。由于鍋爐制造、安裝、測點反饋與設計值均可能存在一定的偏差，為保證鍋爐在運行中有最佳的風量控制，必須通過實際生產中進行總結和探討。

一、控制系統的設計

環保型電鍋爐的運行過程是一個非線性、時變多變量的過程，可看成是一個復雜的輸入、輸出的對象。它的輸出量與室外溫度、室內溫度、生活用水量等因素有關，輸入量決定于環保型電鍋爐的發熱量即環保型電鍋爐的功率和時間，且各變量之間存在著關聯。根據輸出變量的要求進行輸入變量的控制設計，將控制系統分解為電功率、時間和熱風系統的控制。

二、現象分析

為了證實和改進， 詢問熱控人員相關情況，并配合熱控人員根據實際運行參數對 2 號爐參數進行了如下修改：在原來鍋爐運行中，氧量校正系數長期在 0.8-0.9 左右，影響變負荷時風量響應幅度。為使變負荷時氧量校正系數更接近于 1，通過上述風煤配比的修正，在變負荷時雖然煤量對應風量減少，但系數的增加反倒是提高了風量質量的最終值。為了在變負荷中盡量控制低氧運行情況，還增加了變負荷前饋幅度，并將變負荷前饋值退出延時延長至與目標負荷相差 15MW 后約 2min。機組升負荷的情況，可以看出加負荷指令來后，送風機快速開大，加負荷前半段氧量回升，在負荷快到位時送風機動葉快速減小，氧量隨之快速下降， SCR 入口 CO 含量明顯上升，隨后氧量開始校正，最終達到較好的穩態。此段說明進行以上修改后在高負荷運行時，氧量校正系數起點在 1 左右，風量基本能滿足需求。低負荷開始加負荷初期，氧量校正系數為 0.8 下限，在整個加負荷段保持，當加負荷前饋退出，送風機和氧量即出現快速大幅下降，氧量最低降至 1.5%。隨后通過手動增加氧量校正，使校正系數提升至 1 左右，使氧量快速恢復到 2.8%， SCR 入口 CO 含量也很快降低。此段說明在低負荷氧量校正系數低時仍然存在加負荷過程中的缺氧問題。

三、工程案例

1.簡述。某縣發電廠現有8臺機組，其中一、二期為4×335MW機組，三期為2×635MW機組，四期為2×1000機組，鍋爐均為煤粉爐。8臺機組脫硫系統均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，主要脫硫設備有脫硫吸收塔、漿液循環泵等;入爐煤硫份設計值分別為：一二期機組1.3%、三期機組1.5%、四期機組1.2%。8臺機組脫硝系統均采用LNB+SCR工藝。一、二期除塵系統采用靜電除塵+濕式除塵;三四期除塵系統采用靜電除塵+MGGH。大氣污染物排放標準為：二氧化硫35mg/Nm3、煙塵5mg/Nm3、氮氧化物50mg/Nm3，均按6%O2折算。

2.問題的提出。（1）機組正常運行時環保參數現狀。機組正常運行時，氧量升高，會造成脫硝入口NOx升高、煙囪出口NOx短時升高，對SO2、粉塵濃度等環保參數偏高甚至超標。可能原因有：煙囪出口CEMS測量誤差、制粉系統啟停、機組負荷偏低、電除塵缺陷、煙道積灰揚塵等等。因此，適當降低氧量對控制環保參數有利。

2.機組啟停時環保參數現狀。機組啟動通風前啟動脫硫系統、除塵系統;機組停運后，當環保參數正常后停運脫硫系統、除塵系統;機組啟停時鍋爐上優質煙煤，二氧化硫能控制在標準值以下。機組啟停時，燃料量低、風量較大，造成粉塵小時均值頻繁超過標準值。而氧量控制是保證粉塵達標排放主要手段。

3.風量的控制研究。（1）理論空氣量的研究基礎。理論空氣量一般采用元素分析結果來計算，已知大氣平均含氧量為21%。如燃料元素分析結果（重量%）為：C、H、O、N、S。對于C，有：C+O2=CO2，則C燃燒需氧氣量Oc=C*32/12/21%;對于H，有：4H+O2=2H2O，則H燃燒需氧氣量Oh=H*32/4//21%;對于S，有S+O2=SO2，則S燃燒需氧氣量Os=S*32/32/21%。過剩空氣系數用“α”表示，計算公式為α=21/（21-O2實測值）。當氧量等于19%時，α=21/（21-19）=10.5。即：要控制氧量大于19%，鍋爐的過量空氣系數必須大于10.5倍，燃料量越大，鍋爐燃燒所需風量越大。（2）理論空氣量的計算公式。機組啟停時，一般采用煤、油混燃的方式。燃煤為優質煙煤，燃油為0號柴油。燃煤的理論空氣量優質煙煤以某廠煤為研究對象。

1t燃煤的理論空氣量：41.1%×32÷12÷21%=5.22t

（2） 燃油的理論空氣量。柴油是碳氫化合物燃料，其中碳約占86%，氫約占13%，氧約占1%。則1t燃油的理論空氣量：

=（86%×32÷12+13%*32/4-1%）÷21%=15.82t

（3）環保參數的折算公式。國家環保部門要求環保參數均按6%O2進行折算，則折算倍數為：（21-6）/（21-O2）。當氧氣含量接近19%時，折算倍數最大為7.5倍。

4.鍋爐風量的控制應用。（1）確定鍋爐氧量≥19%時最大燃料量。（2）確定氧量≥19%時的最少風量。（3）控制環保參數折算倍數。（4）確定風量控制的原則。

5.應用效果。機組在機組啟動時，基本實現粉塵濃度達標排放。停機時粉塵濃度小時均值偶爾會超標。

四、優化措施

低負荷送風機無法適應氧量變化需求，是造成氧量校正系數低的問題。但是送風機動葉閉鎖是對安全的保障，也是對機組保護邏輯的應對。為了解決此問題，進行如下分析優化：

1.煤量對應風量指令的修正。300MW鍋爐風量需求均在1050-1100t/h左右，而目前經修改后的風量指令值仍有1200t/h，需要進一步下調，否則仍然擺脫不了校正系數過低的問題。

2.送風機動葉閉鎖定值優化。送風機投產至今運行情況很穩定，具備長時間低負荷運行能力。動葉閉鎖是為了保證機組不觸發負荷閉減，450MW以下的閉鎖開度限制了氧量校正幅度，而450MW以上鍋爐開始進入正常調節范圍，且時常發生缺氧情況。根據以上分析，建議修改定值。

3.變負荷前饋量優化。經修改后的變負荷前饋較之前有明顯的提升，但仍然存在退出過早和過快的問題。建議將此前饋量延長至10-20分鐘，通過速率限制使其緩慢的衰減，使加負荷過程中送風機驟減導致氧量不足的問題解決。

總之，機組開機時應控制氧量大于19%，同時研究燃料量、高旁開度與蒸汽參數的對應關系，盡可能提高主蒸汽溫度。機組停機時，縮短最后兩臺磨的斷煤間隔，在停用最后一臺磨煤機前發電機解列、給煤機斷煤后5分鐘進行氧量轉換，可以減少粉塵超標的時間。

參考文獻：

[1]李海平，淺談新環保政策下鍋爐風量控制的研究與應用.2018.

[2]王大勇，劉清平，探討新環保政策下鍋爐風量控制的研究與應用.2018.