火電廠脫硝工程風煙系統(tǒng)改造方案的控制性能對比分析

陳 波，羅志浩，張永軍

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

火電機組一般采用增壓風機提高原煙氣壓力，以克服脫硫裝置產(chǎn)生的壓降。在風煙系統(tǒng)中，引風機負責控制爐膛壓力，增壓風機以控制其進出口差壓或者入口壓力的方法來滿足脫硫系統(tǒng)的壓力要求。近年來，隨著環(huán)保要求的提高，脫硝已成為機組需要具備的功能。脫硝系統(tǒng)大多安裝在空預器中，為了克服新增脫硝裝置需要的壓力，必須增加引風機出力。因此，在增大引風機出力的同時保留增壓風機（以下簡稱增引風機方案）和增大引風機出力的同時取消增壓風機（以下簡稱聯(lián)合風機方案）成為改造的兩套可選方案。本文就兩套方案進行靜態(tài)分析、動態(tài)分析和特殊工況分析，分別得出了兩套方案實施后可能對熱工控制系統(tǒng)帶來的影響，并對比某實際改造工程的數(shù)據(jù)，從熱工控制方面給出了火電廠脫硝工程中風煙系統(tǒng)改造方案的對比分析結論，為同類改造的方案選擇提供參考。

1 風煙系統(tǒng)改造方案的靜態(tài)分析

火電廠脫硝工程中風煙系統(tǒng)改造方案可分別簡化為圖1和圖2所示。假設煙氣為定常流動的理想氣體，根據(jù)伯努利方程，對兩套方案進行靜態(tài)穩(wěn)定工況下的分析。

圖1 采用增引風機的方案

圖2 采用聯(lián)合風機的方案

1.1 增引風機方案分析

如圖1所示，在系統(tǒng)中選取7個切面，分別是鍋爐爐膛出口切面1-1′、引風機入口切面2-2′、引風機出口切面3-3′、增引風機管道中段切面4-4′、增壓風機入口切面5-5′、增壓風機出口切面6-6′和脫硫裝置入口切面7-7′。忽略氣體的高度勢能后，先對引風機系統(tǒng)進行分析：

爐膛出口至引風機入口：

引風機出口至增引風機管道中段：

引風機全壓升：

式中：Pi為 i-i′切面上的靜壓；vi為 i-i′切面上的流速； ΔHi-j為 i-i′切面至 j-j′切面的管道壓損；（i，j=1，2，…）。由上述3個公式可以推導出：

式中：P1為爐膛壓力；P4為增壓風機入口壓力。

由此可知，在系統(tǒng)中煙氣處于定常流動，即平衡狀態(tài)時，爐膛壓力受到引風機出力和增壓風機入口壓力的影響。

對增壓風機系統(tǒng)同理分析可知，在系統(tǒng)中煙氣處于定常流動，即平衡狀態(tài)時，脫硫系統(tǒng)入口的原煙氣壓力受到增壓風機出力和增壓風機入口壓力的影響。

由上述公式分析推導可得：

1.2 聯(lián)合風機方案分析

如圖2所示，在系統(tǒng)中選取4個切面，分別是鍋爐爐膛出口切面1-1′、聯(lián)合風機入口切面2-2′、聯(lián)合風機出口切面3-3′和脫硫裝置入口切面7-7′。忽略氣體的高度勢能后，按照上述方法對該系統(tǒng)進行分析可得：

1.3 對比結論

根據(jù)兩套方案的靜態(tài)分析結果，對比式（5）和（6）可以得出如下結論：

（1）增引風機方案中，引風機改造需要增加的壓升只需滿足克服空預器中脫硝裝置的需要；聯(lián)合風機方案中，引風機改造需要增加的壓升除需滿足克服空預器中脫硝裝置的需要外，還要滿足脫硫系統(tǒng)的壓升。

（2）兩套方案中原引風機的特性均發(fā)生了變化，和送風機的配比關系亦發(fā)生了改變，需要對原爐膛壓力控制回路中的送風機前饋、原RB回路中引/送風機的上限定值進行調(diào)整。

（3）增引風機方案中，爐膛壓力由引風機出力和增壓風機入口壓力決定，其中增壓風機入口壓力由增壓風機出力和脫硫入口原煙氣壓力要求（即負荷）決定，爐膛壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)控制振蕩的情況。而聯(lián)合風機方案中，爐膛壓力僅由引風機出力和脫硫入口原煙氣壓力要求決定，控制過程環(huán)節(jié)單一，不會出現(xiàn)控制振蕩的情況。

（4）增引風機方案中，增壓風機入口壓力由增壓風機出力和脫硫入口原煙氣壓力要求決定。實施引風機擴容后，增壓風機和煙氣流量的配比關系仍保持不變，無須調(diào)整。聯(lián)合風機方案中，原增壓風機入口壓力點已無實際意義，爐膛壓力與脫硫系統(tǒng)的原煙氣壓力要求直接相關，而原煙氣的壓力要求并不是定值，將隨負荷而改變，因此需要完善爐膛壓力控制中的根據(jù)負荷段的變參數(shù)調(diào)節(jié)功能。若脫硫系統(tǒng)含有GGH（氣-氣加熱器），則原煙氣壓力要求較高，需要綜合考慮動態(tài)過程中管道的承壓能力。

2 風煙系統(tǒng)改造方案的動態(tài)分析

將火電廠脫硝工程中風煙系統(tǒng)改造方案分別簡化為如圖3和圖4所示。假設煙氣為非定常流動的理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，對兩套方案進行動態(tài)工況下的分析。

圖3 采用增引風機的方案

圖4 采用聯(lián)合風機的方案

2.1 增引風機方案分析

如圖3所示，在系統(tǒng)中選取3個容積，分別是鍋爐爐膛容積V1、增引風機之間的管道容積V2和增壓風機后至脫硫裝置入口的管道容積V3。采用集總參數(shù)法，表征上述容積的壓力參數(shù)分別為爐膛壓力P1、增壓風機入口壓力P2和脫硫裝置入口前的原煙氣壓力P3。根據(jù)理想氣體特性PV=mRT，分別對3個容積的壓力求導，可得：

爐膛壓力：

增壓風機入口壓力：

脫硫裝置入口前原煙氣壓力：

式中：m為煙氣質(zhì)量；T為煙氣溫度；R為氣體常量。

若變化過程中煙氣溫度保持不變，那么容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化與容積的比值將決定該容積內(nèi)壓力變化的大小。假設在動態(tài)過程中，送風機、引風機和增壓風機的調(diào)節(jié)速度相同，針對增引風機方案可以得出如下結論：

（1）增壓風機入口前壓力變化量最大，這主要是由于該處容積最小，且該容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化同時受到引風機和增壓風機出力的影響，因而變化也較大所導致。

（2）脫硫裝置入口前原煙氣壓力變化最小，這主要是由于該容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化僅受增壓風機和排煙壓力影響，因此變化最小所導致。

（3）爐膛容積內(nèi)煙氣質(zhì)量的變化雖然同時受到引風機和送風機出力的影響，變化較大，但是爐膛容積最大，因此爐膛壓力的變化介于上述兩者壓力之間。

2.2 聯(lián)合風機方案分析

如圖4所示，在系統(tǒng)中選取2個容積，分別是鍋爐爐膛容積V1和引風機后至脫硫裝置入口的管道容積V3。按照上述方法和改造前系統(tǒng)進行分析比較，可得：

（1）由于容積V2和V3合并，因此脫硫裝置入口前原煙氣壓力變化更小，有利于控制。

（2）由于增壓風機的取消，引風機后壓力（即脫硫裝置入口前原煙氣壓力）的變化遠小于原系統(tǒng)中增壓風機入口壓力的變化。因此，風機合并改造后，在調(diào)節(jié)過程中鍋爐爐膛中煙氣質(zhì)量的變化要小于風機合并改造前。故在煙氣質(zhì)量大幅變化時，聯(lián)合風機方案有利于爐膛壓力的控制。

2.3 對比結論

圖5和圖6分別為某600 MW機組在增引風機方案和聯(lián)合風機方案時風煙系統(tǒng)內(nèi)各點壓力的控制情況。

從圖5和圖6的對比可以看出，采用聯(lián)合風機控制時，即使爐膛壓力變化較大，脫硫系統(tǒng)入口前原煙氣壓力的波動也較風機合并改造前平穩(wěn)。同時系統(tǒng)中減少了壓力波動最大的增壓風機入口壓力環(huán)節(jié)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖5 增引風機控制時風煙系統(tǒng)內(nèi)各點壓力變化情況

圖6 聯(lián)合風機方案改造后風煙系統(tǒng)內(nèi)各點壓力變化情況

3 特殊工況下的分析對比

特殊工況是指脫硫旁路擋板快開和RUNBACK工況，這兩種工況對風煙系統(tǒng)的擾動都比較大。

3.1 脫硫旁路擋板快開工況

圖7和圖8分別為兩套方案下脫硫旁路擋板相關的風煙系統(tǒng)結構。

圖7 采用增引風機的方案

圖8 采用聯(lián)合風機的方案

脫硫旁路擋板快開前，由于有增壓風機的存在，1-1′切面和2-2′切面上的壓力將小于3-3′切面和4-4′切面上的壓力。而當脫硫旁路擋板快開后，原煙氣將不經(jīng)過脫硫裝置而直通大氣。因此不論采用何種改造方案，原煙氣壓力都將快速降至排煙壓力，即在旁路擋板快開后，1-1′，2-2′，3-3′和4-4′切面上的壓力都將等于排煙壓力。所以增引風機方案中引風機后的壓力變化將小于聯(lián)合風機方案。

考慮到脫硫旁路擋板快開后，聯(lián)合風機后的靜壓隨原煙氣壓力快速下降，同時由于聯(lián)合風機后的管道壓力快速下降，使得原煙氣流速增加，其動壓是上升的。所以當脫硫旁路擋板快開后，聯(lián)合風機后的煙氣全壓下降幅度小于靜壓下降幅度。因此爐膛壓力第一波的下降幅度將小于原煙氣的下降幅度，該過程是可控的。從某600 MW機組風機合并改造后的試驗曲線看，爐膛壓力第一波的下降幅度遠小于原煙氣的下降幅度，整個過程控制平穩(wěn)。

對于脫硫旁路擋板快開工況，增引風機方案對過程參數(shù)的沖擊較小，而聯(lián)合風機方案雖然擾動較大，但是過程處于受控狀態(tài)，而且可以根據(jù)需要增加引風機的前饋。

3.2 RUNBACK工況

發(fā)生RUNBACK工況時，爐膛內(nèi)煙氣質(zhì)量大幅快速變化，將導致爐膛壓力和脫硫裝置入口前原煙氣壓力大幅度變化。在聯(lián)合風機方案中，考慮到聯(lián)合風機出口無風機擾動，控制環(huán)節(jié)單一，同時聯(lián)合風機后管道容積內(nèi)的質(zhì)量變化小于增引風機方案，因此風煙系統(tǒng)內(nèi)各點壓力的變化幅度將小于增引風機方案。圖9所示為某600 MW機組風機合并改造后的引風機RUNBACK試驗曲線，可以看出風機合并改造后，RUNBACK工況下爐膛壓力和原煙氣壓力變化幅度均較小，RUNN BACK成功的可能性更大。

4 結論

根據(jù)以上定性分析和試驗數(shù)據(jù)，在熱工控制方面可以得出如下結論：

（1）聯(lián)合風機方案的特點在于：經(jīng)過對爐膛壓力控制回路的調(diào)整，增加變參數(shù)控制回路后，可以滿足系統(tǒng)控制要求。系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)單一，減少了增壓風機入口壓力這一波動最大的控制點，在動態(tài)過程中整個控制不易振蕩、更加穩(wěn)定。系統(tǒng)在RUNBACK等煙氣質(zhì)量大幅變化的惡劣工況下穩(wěn)定性較高。由于聯(lián)合風機管道后煙氣壓力直接和原煙氣要求相關，若脫硫系統(tǒng)含有GGH，則聯(lián)合風機管道后煙氣壓力較高，需要綜合考慮動態(tài)過程中管道的承壓能力。

圖9 引風機RUNBACK試驗曲線

（2）增引風機方案的特點在于：系統(tǒng)對引風機后的壓力是可控的，在穩(wěn)態(tài)工況下，易于提高爐膛壓力控制精度。在修正送/引風機配比關系、調(diào)整引風機控制參數(shù)后，系統(tǒng)可以滿足對RUNBACK等煙氣質(zhì)量大幅變化的惡劣工況的控制要求。該控制方式可以滿足原煙氣壓力較高時管道承壓能力的要求。

[1]羅志浩，陳波.超（超超）臨界機組引風機超前控制策略研究與應用[J].浙江電力，2010，1:31-34.

[2]尹峰，朱北恒.火電機組全工況自動RB控制策略的研究與應用[J].浙江電力，2008，4:5-8.

[3]周明.風機的恒風量控制系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學電氣工程學院，2007.