磨煤機啟停導致氮氧化物波動控制技術研究

宋益純

（國家能源集團山東電力有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

直吹式制粉系統燃煤火電機組，在中高負荷段參與電網自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）運行時，經常需要啟、停磨煤機，改變入爐煤量。磨煤機啟停期間，出口溫度以及入口冷熱一次風量的控制不同于正常運行工況，相關文獻對此進行了大量的研究和優化［1-3］。磨煤機的啟停還易造成煙氣中氮氧化物（NOx）濃度的急劇變化，對脫硝系統穩定運行形成非常大的擾動。相關文獻［4-5］對機組正常運行階段脫硝噴氨控制系統提出了多種優化控制方案，但涉及磨煤機啟停階段的控制方案較少，雖然此種工況占機組運行時段的比例較小，但因此時鍋爐燃燒工況波動造成脫硝系統大幅擾動、噴氨量過多造成氨逃逸超標，形成的硫酸銨鹽附著在空預器、袋式除塵器上，長期積累導致空預器差壓和除塵器差壓的升高，增加引風機電耗。文獻［6］選取磨煤機啟、停信號構建噴氨量前饋補償器，優化噴氨控制系統，解決磨煤機啟、停過程中脫硝反應器出口NOx濃度超標問題。在磨煤機啟、停階段，若能降低脫硝反應器入口NOx濃度波動幅度，會比控制出口NOx濃度更容易、更有利于防止NOx超標排放及減少氨逃逸量。因此，有必要研究磨煤機啟、停期間導致脫硝反應器入口煙氣NOx濃度波動的主要原因，采取針對性措施進行消除。

1 研究對象

選取火電廠應用較多的雙進雙出鋼球磨煤機進行研究。某火電廠600 MW 機組配置6 臺雙進雙出鋼球磨煤機，鍋爐本體形式為∏型布置，一次中間再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構，平衡通風、露天布置、前后墻對沖燃燒方式，高負荷段經常啟停的為A磨。

圖1 為A 磨啟停期間脫硝反應器入口NOx濃度波動曲線。

由圖1可知，磨煤機啟動后、給煤機啟動前，鍋爐出口NOx濃度開始上升；磨煤機停止前，鍋爐出口NOx濃度開始波動且磨煤機停止后大幅下降。NOx濃度的波動原因比較復雜，在啟動給煤機前和停止給煤機前即已出現，不僅與磨煤機的運行狀態有關，還與其他參數的變化有關。

2 磨煤機啟停階段影響NOx濃度因素分析

2.1 給煤量

由圖1 可知，在給煤機落煤前，鍋爐出口NOx即出現了快速上升；給煤機停運前，給煤量消失之后一段時間鍋爐出口NOx濃度才出現大幅下降。磨煤機啟動和停止時給煤機未運行，無新增原煤進入磨煤機，因此磨煤機啟停期間鍋爐出口NOx濃度大幅波動與給煤量無關。

圖1 A磨啟停期間脫硝反應器入口NOx波動曲線

2.2 煤位

雙進雙出鋼球磨煤機采用差壓式料位計檢測煤位，正常啟、停磨時煤位均處于低位，緊急停磨時煤位處于正常煤位。查詢正常停磨和緊急停磨期間NOx濃度波動情況，正常停磨、煤位較低時NOx濃度波動幅度不定，有時高、有時低，但普遍比緊急停磨時的波動幅度小，說明停磨時的煤位高低與NOx濃度波動存在關聯性。由于差壓式料位計在低煤位時測量誤差較大，磨內少量存煤或無煤所測得的煤位區別不明顯，差壓法測量值僅作為參考［7］，因此，正常停磨時無法通過煤位分析NOx濃度的波動情況。

2.3 停磨前吹掃時間

給煤機停止給煤后，需要保持磨煤機一定時間的運行，將磨中的存煤磨成煤粉吹入爐膛。查詢分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）中A 磨煤機最近100 次停止前有關參數變化曲線，統計并分析停磨前的吹掃時間、不同吹掃時間與停磨后鍋爐出口NOx濃度波動幅度之間的對應關系。圖2 是磨煤機停運前不同吹掃時間與停磨次數統計。

圖2中，吹掃時間小于5 min 的停磨次數為2次，均為緊急停磨；吹掃時間大于35 min 的停磨次數為3 次，均為磨煤機定期檢修前的停磨；吹掃時間為5～15 min（含15 min）的停磨次數最多，其次是停磨前吹掃15～25 min（含25 min）。由以上數據可知，運行人員大多習慣吹掃15 min 左右將磨停運，主要原因是為了減少磨煤機的啟停時間、降低電耗［8］。

圖2 磨煤機停運前吹掃時間與停磨次數統計

為了分析不同吹掃時間對停磨后鍋爐出口NOx濃度波動幅度的影響，對上述100 次停磨按吹掃時間對應的鍋爐出口NOx質量濃度平均波動幅度進行統計，圖3是二者之間的對應關系曲線。

圖3 停磨吹掃時間與NOx波動幅度對應關系

由圖3 可知，停磨前吹掃時間越短，停磨后鍋爐出口NOx濃度波動幅度越大；當吹掃時間大于35 min時，NOx濃度波動幅度很小，說明吹掃時間是影響停磨后NOx濃度波動幅度的主要因素，其原因在于磨內存煤未吹凈時，停止磨煤機導致對應的燃燒器突然滅火，從而使該燃燒器出口區域溫度突然降低、燃燒生成的NOx濃度突然減少；磨內存煤吹凈后停磨時，所對應的燃燒器出口火焰是緩慢熄滅的，燃燒工況未出現突變，因此NOx濃度波動幅度很小。

2.4 一次風和二次風

磨煤機通過容量風（一次風）攜帶煤粉，容量風由冷一次風和熱一次風混合后進入磨煤機。在冷、熱一次風混合前，各自通過調節擋板調節風量，混合后通過混合風關斷閥進入磨煤機。圖4 是磨煤機啟動期間容量風擋板開度、混合一次風壓、給煤量、二次風擋板開度、磨煤機電流和鍋爐出口NOx濃度波動變化曲線。

2.4.1 容量風量

由圖4 可知，磨煤機啟動前，容量風擋板開度保持在最小，但混合一次風壓突升，隨后鍋爐出口NOx濃度大幅升高，而此時磨煤機、給煤機均未啟動，表明此時因打開混合一次風關斷閥，雖然未打開容量風調節擋板，但已有容量風進入了磨煤機內，原因是，容量風調節擋板關閉不嚴存在漏風，磨煤機內上次停磨時未吹凈的煤粉被容量風帶入爐膛燃燒，導致NOx濃度快速上升。因此，磨煤機啟動前容量風量無法按預期的調節量緩慢增加，是影響鍋爐出口NOx濃度波動的因素之一。

2.4.2 二次風量

圖4 中，A 磨對應的A、B 側燃燒器二次風調節擋板開度曲線為階躍變化，說明該磨煤機對應的燃燒器二次風量調節未投入自動方式。由于磨煤機啟停期間進入爐膛的煤粉量變化較大，二次風量不與其進行同步調節，會導致氧量的大幅波動，生成的NOx濃度也會大幅波動［9］。經與運行人員交流，確認機組的總風量根據負荷指令的變化自動調節，而每臺磨對應的燃燒器二次風量均未投入自動方式。二次風調節擋板是燃燒器所有部件中對NOx濃度影響最大的設備［10］，因此，啟停磨時二次風量未進行同步調節是影響NOx濃度波動的又一主要因素。

圖4 啟磨期間磨相關參數變化曲線

2.5 其他因素

目前，燃煤鍋爐廣泛采用了低氮燃燒技術，以減少NOx的生成，但磨煤機啟停階段由于風煤比較大，主燃燒器區域進入的空氣相對較多，降低了低氮燃燒技術的控制效果，該工況難以避免，但是，如果在磨煤機啟動時將進入燃燒器的煤粉量盡可能平穩地增加，則NOx濃度也會相對平緩增加而不會出現大幅躍升；同理，如果在磨煤機停止前將內部的存煤磨碎吹凈，使對應的燃燒器火焰由強到弱直到最后熄滅，則NOx濃度也會由高到低平緩下降而不會突降，減少對脫硝系統的擾動。

3 磨煤機啟停優化控制方案

3.1 停磨期間吹掃控制邏輯優化

根據以上分析，停磨前將磨內存煤吹凈是解決啟停磨期間NOx濃度大幅波動問題的根本措施。為實現這一目標，需要研究確定磨煤機吹掃時機、吹掃條件并合理控制吹掃時間。

3.1.1 吹掃時機和吹掃條件的確定

正常停磨前，給煤量逐漸減少，煤位逐漸下降，當煤位下降到較低位置時，停止給煤機運行，此時磨煤機內存煤只出不進，其運行方式即為吹掃階段，通過DCS判斷給煤機、磨煤機運行狀態，即可確定。為了將煤粉吹入爐膛，容量風的風速或風量需要保持一定范圍，通過查詢歷史曲線及試驗，該機組一次風壓正常運行期間基本保持不變，容量風門開度保持在20%、實際容量風量不低于量程的20%，可滿足吹掃需要。相關控制邏輯如圖5所示。

圖5 吹掃時機判斷和吹掃條件的建立

圖5 中，對磨煤機和給煤機運行情況的判斷邏輯，其中2 s 的延時是為了區別磨煤機緊急停機和正常停機，其工作原理是：當給煤機和磨煤機緊急停運時，二者同時或先后跳閘，則不再執行吹掃程序，不將容量風門置吹掃開度；如果給煤機停運2 s 后磨煤機仍在運行，則將容量風門開度自動開至20%，20 s后如果檢測到容量風量不低于20%，則可確認磨煤機吹掃條件滿足。

3.1.2 吹掃時間的確定

給煤機停運后，當吹掃風量一定時，磨內存煤吹干凈需要的時間與存煤量的多少有關。根據2.3 節分析與現場試驗數據，當A、B 兩側平均煤位差壓信號首次低至100 Pa 時停止給煤機落煤，保持容量風門開度約為20%、容量風量不低于20%，連續吹掃35 min 可確保存煤吹凈。當煤位差壓值高于此值時停止給煤機運行，還需要延長吹掃時間，經過試驗，A側、B 側平均煤位差壓信號下降速度基本與吹掃時間成正比，大約1 Pa/s，如圖6所示。

圖6 磨煤機料位差壓與吹掃時間對應關系

由圖6 可知，煤位差壓高于100 Pa 時停止給煤機落煤，所需吹掃時間將大于35 min，總吹掃時間可根據式（1）進行計算。

式中：t為吹掃時間，s；Δp為磨煤機料位差壓，Pa，Δp≥100 Pa。

料位差壓值大于100 Pa時，首先按1 s/Pa的對應關系將超過100 Pa 的部分轉換為吹掃時間，再加上35 min（2 100 s）；若料位差壓值等于或小于100 Pa，則吹掃時間直接取2 100 s。

3.1.3 吹掃時間的自動計時

設置吹掃時間的自動計時功能，可以指導運行人員準確掌握停磨前的吹掃時間，避免吹掃時間過長或過短，同時，對吹掃是否順利完成進行記錄，為下次啟磨時分別針對不同的吹掃時間采取不同的控制方案提供依據。圖7是基于DCS的吹掃倒計時流程。

圖7 基于DCS的吹掃倒計時流程

3.2 啟停磨期間容量風量折算燃料量算法優化

入爐煤量和風量匹配性越好，煙氣中的氧量和NOx濃度越穩定。但入爐煤量難以直接測量，對于雙進雙出磨煤機，常將容量風量（一次風量）或一次風壓折算為入爐煤量參與鍋爐主控調節。空載啟動的雙進雙出磨煤機，煤位的建立滯后于一次風量的建立，因此啟動過程初期盡管一次風量較大，但是進入爐膛的煤粉量較少；停磨前吹掃期間，一次風量不變，但其中攜帶的煤粉越來越少，導致折算后的煤量不準確，影響機組主汽壓、風煤比、風量等自動控制系統調節性能，煙氣中氧量和NOx濃度因此也會大幅波動。文獻［11］提出了一種雙進雙出磨煤機入爐煤量軟測量方法，利用磨煤機煤粉流量與容量風門開度、一次風壓力、料位等關鍵參數，采用分段線性函數構造鍋爐入爐煤量軟測量模型；文獻［12］在火電機組協調控制回路采用基于內部模型控制，解決超臨界火電機組在AGC調頻下啟動制粉系統過程中擾動大的問題；文獻［13］采用容量風擋板開度、一次風壓和磨煤機料位及磨煤機是否吹凈等參數綜合折算入爐煤量，解決了入爐煤量計算偏差大引發的機組參數波動大的問題。

3.2.1 停磨吹掃期間容量風量折算燃料量的算法優化

停磨前，如果每次都保持吹掃相關條件的固定，只有容量風中的煤粉濃度隨吹掃時間變化，尋找吹掃過程中容量風中煤粉量和吹掃時間的對應規律，比將容量風門開度、一次風壓、磨料位等參數進行綜合折算，更簡單、更易于確保折算的準確性。

當煤位高于100 Pa時，給煤機尚在運行，不屬于吹掃工況，燃料量的折算仍保持正常算法。當煤位低于100 Pa時，若保持一次風壓不變，將容量風門開度固定為20%，此時容量風量不低于20%，連續吹掃35 min 可確保存煤吹凈，因此，每次吹掃時均按以上條件進行，則吹掃期間燃料量的折算系數可從1（或100%）經過35 min后變為零。考慮到吹掃至30～35 min 時間段時，容量風中的煤粉量已非常少，對總燃料量的計算影響較小，因此，當吹掃時間至30 min時，可將折算系數提前變為零，如圖8所示。

圖8 停磨期間容量風量折算系數與吹掃時間關系曲線

3.2.2 啟磨期間容量風量折算燃料量的算法優化

設容量風量折算為燃料量的折算系數為K，磨煤機進煤到出粉的延遲時間為100 s，則：

1）當上次停磨為緊急停磨時（ΔP煤位差壓值＞100 Pa），再次啟磨后，K取值為1；

2）當上次停磨已吹掃完成，再次啟磨后、給煤機未運行時，K取值為0；給煤機下煤后，K取值從0 開始每秒增加0.01，100 s后變為1

式中：t為給煤機運行時間，t≤100 s。

3）當上次停磨時吹掃已開始但未完成，啟磨后、給煤機未運行時，該過程相當于停磨前的吹掃過程的延續，K取值按吹掃中斷時的數值，且按圖8 所示曲線變化，后續過程進一步細分為兩種情況：一是繼續吹掃直到吹掃時間加上次停磨時的吹掃時間累計滿30 min 后給煤機啟動落煤，此時的K值按式（2）規律變化；二是繼續吹掃時間加上次停磨時的吹掃時間累計不足30 min 給煤機啟動落煤，則啟動給煤機后

式中：K為容量風量折算為燃料量的折算系數，其值≤1；K0為K的初始值，磨煤機上次停磨前和啟磨后累計吹掃時間；t為給煤機啟動后運行時間，s。

式（3）反映了磨煤機停磨吹掃時間和啟磨時吹掃時間共同對折算系數的影響。

另外，磨內若有存煤，暖磨期間一次風即會將部分煤粉快速帶入爐膛，但隨后煤粉量快速減少，直到磨煤機啟動后，又有一部分煤粉快速進入爐膛，導致總燃料量和其他參數的波動。上述工況下想要準確地將容量風折算為燃料量難度很大，因此，應盡量將磨煤機吹凈后停磨。

3.3 啟停磨期間燃燒器二次風量控制策略

啟停磨期間，對應的燃燒器二次風量調節全程投入自動，其大小應在不小于最小風量的前提下與折算后的燃料量相匹配，以準確反映吹掃時間對容量風中煤粉濃度的影響。

4 效果驗證

4.1 正常啟停磨運行情況

將A磨啟停優化控制邏輯在DCS中進行組態，A磨對應的二次風量控制投入自動，按正常停磨程序進行試驗：

將A1、A2 給煤機煤量減至最小，待兩側煤位差壓降至100 kPa 以下時，停止給煤機運行，DCS 自動啟動倒計時，倒計時結束后人工停止磨煤機運行，觀察停磨前后鍋爐A、B 側出口NOx質量濃度波動范圍分別為：A 側267～299 mg/m3；B 側258～293 mg/m3。波動幅度分別為：A側32 mg/m3；B側35 mg/m3。

停磨期間，NOx濃度波動幅度較改進前大幅減小。

再次啟磨暖磨期間，鍋爐A、B 側出口NOx質量濃度波動分別為：A側273～312 mg/m3；B側258～289mg/m3。波動幅度為：A側39 mg/m3；B側：31 mg/m3。

磨煤機、給煤機啟動后，NOx濃度緩慢上升，未出現大幅波動。

4.2 停磨吹掃中斷情況下試運行情況

在A 磨停磨前吹掃15 min 后停止其運行，觀察鍋爐A、B 側出口NOx質量濃度波動范圍，分別為：A側：237～301 mg/m3；B 側：249～323 mg/m3。波動幅度分別為：A側：64 mg/m3；B側：76 mg/m3。

7 h 后機組負荷上升，A 磨暖磨、啟動，觀察鍋爐A、B 側出口NOx質量濃度波動范圍，分別為：A 側：262～335 mg/m3；B側：277～346 mg/m3。波動幅度分別為：A側：73 mg/m3；B側：69 mg/m3。

上述數據表明，停磨前吹掃不徹底，即使二次風量投入自動，因啟停磨時進入爐膛的煤粉量突變仍會導致NOx較大幅度波動。

5 結語

合理控制停磨前吹掃時間將磨內存煤吹凈，是解決啟停磨導致鍋爐出口NOx濃度大幅波動問題的主要手段。啟停磨期間，將容量風量合理折算為燃料量并將燃燒器對應的二次風量調節投入自動，是穩定燃燒工況、避免煙氣中NOx濃度波動的有效措施。吹凈后的磨煤機再次啟動時，從磨煤機暖磨、給煤機下煤到磨出煤粉需要一段時間，與不吹凈的磨煤機相比，增加鍋爐出力的速度相對較慢，運行人員可以通過提前暖磨來縮短制粉系統啟動響應時間，滿足機組負荷變化需要。