300MW供熱機(jī)組鍋爐風(fēng)量氧量全過程控制

【摘要】火電廠供熱機(jī)組鍋爐氧量控制是鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，供熱鍋爐氧量是指用于指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行控制的煙氣中氧的容積含量百分比，一般指省煤器（一級過一段）入口的煙氣含氧量，在其他條件不變的情況下，如果供熱鍋爐空氣供應(yīng)不足，氧量表讀數(shù)小會導(dǎo)致燃燒不完全，造成不完全燃燒熱損失，如果空氣供應(yīng)量過多，氧表讀數(shù)大，排煙量增大，增加排煙熱損失，同時增加了送引風(fēng)機(jī)的電耗量。同時，環(huán)保參數(shù)對NOx排放量控制也有非常嚴(yán)格的要求，如果鍋爐出口氧含量不能控制在一個合理的范圍內(nèi)，也會導(dǎo)致鍋爐折標(biāo)后的NOx超標(biāo)排放，造成重大的環(huán)評風(fēng)險。實(shí)現(xiàn)供熱鍋爐氧量的精確控制是鍋爐整個控制系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，但是由于控制系統(tǒng)測量精確性，送風(fēng)和氧量控制系統(tǒng)控制策略不合理其PID參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)纫幌盗性蚴菍?dǎo)致很多火電機(jī)組氧量自動控及制系統(tǒng)無法投入，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)效益的損失，本文以華電能源公司所屬企業(yè)哈熱公司2×300MW供熱機(jī)組氧量控制為例闡述了如何實(shí)現(xiàn)對過熱機(jī)組氧量實(shí)現(xiàn)精確控制，從而通過自動控制達(dá)到節(jié)能減排的目的。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)量控制；氧量控制；氧化鋯；FL系列多點(diǎn)式風(fēng)量測量裝置

華電能源公司所屬企業(yè)哈熱公司兩臺300MW機(jī)組為哈爾濱鍋爐廠制造，蒸發(fā)量1025噸/小時，燃燒器布置方式為四角切圓控制，磨煤機(jī)采用三臺雙進(jìn)雙出鋼球磨，主要輔機(jī)為兩臺送風(fēng)機(jī)，兩臺引風(fēng)機(jī)，兩臺一次風(fēng)機(jī)，同時鍋爐經(jīng)過低氮燃燒器改造和脫硝系統(tǒng)改造，DCS控制系統(tǒng)采用美國霍尼韋爾公司的TPS3000控制系統(tǒng)，風(fēng)量測量為均布式測量取樣裝置，測量裝置為FL系列多點(diǎn)插入式風(fēng)量測量裝置，氧量測量為深圳市朗宏科技有限公司的氧化鋯氧量分析儀OXT1000系列。

1、鍋爐總風(fēng)量的測點(diǎn)分布和計算方法

1.1鍋爐風(fēng)量測量系統(tǒng)的布置

如圖1所示：圖中所示的是哈熱公司#8爐風(fēng)量安裝示意圖，我們看到，入爐風(fēng)量包括送風(fēng)機(jī)送入鍋爐的風(fēng)量和一次風(fēng)機(jī)送入鍋爐的風(fēng)量的總和，但是如果考慮到熱控測點(diǎn)的具體安裝情況。特別是若是鍋爐經(jīng)過風(fēng)道改造或低氮燃燒器改造之后們必須要考慮總風(fēng)量測量是否有改動。我們看到鍋爐共有8套風(fēng)量測量裝置，分別安裝在送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)出口管路上。

1.2均布式風(fēng)量測量裝置的測量和計算，標(biāo)定

1.2.1均布式風(fēng)量測量裝置的測量原理

目前由于國產(chǎn)空預(yù)器漏風(fēng)等原因國產(chǎn)鍋爐普遍存在送風(fēng)管路含塵量較大的問題，若采用威力巴等巴類流量取樣進(jìn)行測量普遍存在取樣管路堵塞導(dǎo)致風(fēng)量測量不夠準(zhǔn)確的情況，在此我們建議流量測量系統(tǒng)采用線性和精確度較高同時故障率較低的均布流速取樣裝置對風(fēng)管路進(jìn)行測量，測量元件示意圖如下：

均布式風(fēng)量測量裝置的計算公式。

風(fēng)量設(shè)計計算數(shù)學(xué)模型（質(zhì)量）：

G=

式中：G---被測氣體質(zhì)量流量，單位t/h

K---風(fēng)量測量裝置流量系數(shù)

A---通流面積，單位m2

△P-風(fēng)量測量裝置輸出差壓，單位Pa

t—被測氣體溫度，單位℃

Px—被測氣體管內(nèi)的壓力，單位Pa

1.2.3均布式風(fēng)量測量裝置的安裝

A 熱二次總風(fēng)流量

熱二次總風(fēng)流量裝置應(yīng)安裝在空預(yù)器出口熱二次總風(fēng)母管的水平管道上（2套/爐），測風(fēng)裝置的迎風(fēng)面為“+”側(cè)，背風(fēng)面為“-”側(cè)。分別與差壓變送器的“+”、“-”側(cè)相連。待測量裝置一次元件固定后，將測量裝置一次元件的“+”、“-”引壓管路分別與差壓變送器的“+”、“-”側(cè)引出管對接即可。

B 一次風(fēng)機(jī)出口流量

一次風(fēng)機(jī)出口流量裝置應(yīng)安裝在一次風(fēng)機(jī)出口的水平管道上（2套/爐），測風(fēng)裝置的迎風(fēng)面為“+”側(cè)，背風(fēng)面為“-”側(cè)。分別與差壓變送器的“+”、“-”側(cè)相連。待測量裝置一次元件固定后，將測量裝置一次元件的“+”、“-”引壓管路分別與差壓變送器的“+”、“-”側(cè)引出管對接即可。

1.2.4均布式風(fēng)量測量裝置的標(biāo)定

1.2.4.1試驗(yàn)應(yīng)具備的條件

a）試驗(yàn)前，所有新的風(fēng)量測量裝置必須安裝完畢，引壓管路嚴(yán)密性試驗(yàn)合格；

b）所有風(fēng)量測量裝置的數(shù)學(xué)模型應(yīng)建立完畢，并檢驗(yàn)準(zhǔn)確；

c）引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)試轉(zhuǎn)正常俱備啟動條件；

d）用于調(diào)節(jié)風(fēng)量的所有調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)靈活，開度指示正確；

e）與試驗(yàn)相關(guān)的所有檢修工作必須結(jié)束，標(biāo)定孔開設(shè)完畢；

f）標(biāo)定孔處應(yīng)搭設(shè)腳手架，并有足夠的照明。

1.2.4.2熱二次總風(fēng)流量系數(shù)的標(biāo)定

啟動引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)，維持爐膛負(fù)壓-20～-50Pa，調(diào)節(jié)二次風(fēng)總風(fēng)壓，維持單側(cè)熱二次總風(fēng)為350t/h左右，利用標(biāo)準(zhǔn)畢托管對熱二次總風(fēng)量進(jìn)行等截面實(shí)測，同時記錄DCS系統(tǒng)中各風(fēng)量的顯示值。

1.2.4.3一次風(fēng)機(jī)出口流量系數(shù)的標(biāo)定

啟動引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)，維持爐膛負(fù)壓-20～-50Pa，調(diào)節(jié)二次風(fēng)總風(fēng)壓，維持一次風(fēng)機(jī)出口流量為150t/h左右，利用標(biāo)準(zhǔn)畢托管對一次風(fēng)機(jī)出口流量進(jìn)行等截面實(shí)測，同時記錄DCS系統(tǒng)中各風(fēng)量的顯示值。

1.3鍋爐氧量測量裝置的安裝

在這里我們分別在空預(yù)器的出口和入口甲乙側(cè)分別安裝兩臺共八臺氧化鋯氧量變送器，可以對空氣預(yù)熱器出入口氧量做到精確的測量，同時監(jiān)測空氣預(yù)熱器出入口氧量有利于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鍋爐氧量的超前調(diào)節(jié)，同時也有利于避免由于空預(yù)器后側(cè)加裝脫硝裝置導(dǎo)致氧量控制的難度。

2、鍋爐總風(fēng)量和氧量計算及其控制策略說明

鍋爐的總風(fēng)量就是鍋爐的一次風(fēng)量和二次風(fēng)量的總和，也就是一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)出力的總和，在這里我們注意到是鍋爐安裝的所有風(fēng)量測點(diǎn)都用于總風(fēng)量的計算，我們再來看圖1鍋爐共安裝8套均布式風(fēng)量測量裝置分別實(shí)現(xiàn)對#1一次風(fēng)機(jī)，#2一次風(fēng)機(jī)，#1送風(fēng)機(jī)，#2送風(fēng)機(jī)和四個低氮燃燒器引出風(fēng)量。那么那些風(fēng)量要計算在總風(fēng)量里面，那些風(fēng)量不能計算在總風(fēng)量里面呢？在這里我們首先要分析熱工取樣的安裝位置，我們看到8個取樣都安裝在風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道上，問題就是我們要把那些風(fēng)量測量值累加在一塊求取總風(fēng)量呢，由于#2角和#3角低氮引出風(fēng)量安裝在送風(fēng)機(jī)出口母管風(fēng)量測量裝置之前，而#1角和#4角低氮燃燒器引出風(fēng)量安裝在送風(fēng)機(jī)出口母管風(fēng)量測量裝置之后，低氮燃燒器引出風(fēng)量是進(jìn)入爐膛參與燃燒的風(fēng)量，必須計算到鍋爐的總風(fēng)量里面去。這樣由于取樣位置不同我們的風(fēng)量計算方式也不盡相同。在這里我們的計算公式為：

總風(fēng)量（G）=G1+G2+G3+G4+G5+G6

G1：#1一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量

G2：#2一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量

G3：#1送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量

G4：#2送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量

G5：#2角低氮燃燒器引出風(fēng)量

G6：#3角低氮燃燒器引出風(fēng)量

氧量平均值為空預(yù)器入口四個氧化鋯測量氧量的平均值

送風(fēng)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)動葉位置，控制送風(fēng)量，送風(fēng)控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示：控制系統(tǒng)分為風(fēng)量主控和氧量主控，其中風(fēng)量主控主要作用是系統(tǒng)快速響應(yīng)由于機(jī)組負(fù)荷調(diào)整和燃料量變化相適應(yīng)的風(fēng)量變化，系統(tǒng)起到粗調(diào)的作用，系統(tǒng)可以快速響應(yīng)機(jī)組所需的風(fēng)量。氧量控制主要是起到細(xì)調(diào)的作用，當(dāng)風(fēng)量主控制器根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化調(diào)整好風(fēng)量定值后根據(jù)鍋爐氧量再次調(diào)整入爐的風(fēng)量從而達(dá)到對鍋爐風(fēng)量和氧量的精確控制。

下面我們就解讀一下整個控制系統(tǒng)。

我們看到主調(diào)節(jié)器為氧量控制，副調(diào)節(jié)器為風(fēng)量控制，主調(diào)節(jié)器的輸入（sp）為主蒸汽流量對應(yīng)的氧量，F(xiàn)（X1）函數(shù)關(guān)系如下表所示：

主汽流量（噸）6007008009001000110012001250

氧量定值（%）4.54.5443.532.52.5

F（X2）為氧量修正系數(shù)的輸出，它是在負(fù)荷對應(yīng)的氧量和總煤量對應(yīng)的氧量選大的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時，為保證機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證鍋爐控制最佳的燃燒含氧量，氧量主控的定值發(fā)生變化，此時氧量主控制器SP隨負(fù)荷變化而變化，氧量主控輸出隨之變化并將變化量輸出到F（X3）或F（X5）。

F（X3）負(fù)荷對應(yīng)的氧量，它的函數(shù)關(guān)系為：

主汽流量（噸）6007008009001000110012001250

風(fēng)量定值（噸）85090095010001050110011501200

F（X5）為總煤量對應(yīng)的風(fēng)量，它的函數(shù)關(guān)系為：

總煤量（噸/時）120150180210240270300360

風(fēng)量定值（噸）85090095010001050110011501200

為保證鍋爐富氧燃燒，我們?yōu)轭A(yù)防煤質(zhì)變化產(chǎn)生的耗氧量的變化，在這里做了一個負(fù)荷對應(yīng)的氧量和燃料對應(yīng)的氧量的大選，以保證機(jī)組安全運(yùn)行，用負(fù)荷對應(yīng)的氧量去控制一個鍋爐安全氧量的限制從而達(dá)到安全運(yùn)行的目的。

F（X4）為負(fù)荷對應(yīng)的氧量和燃料量對應(yīng)的氧量的大選作為風(fēng)量主控的輸入實(shí)現(xiàn)對機(jī)組風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

3、控制系統(tǒng)整定

由于整個控制系統(tǒng)是一套串級PID控制，系統(tǒng)有時隨動無自平衡系統(tǒng)，同時送風(fēng)機(jī)若采用軸流風(fēng)機(jī)亦可能存在時速等設(shè)備異常的可能，所以控制系統(tǒng)的整定一定要在安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行整定整定步驟：

a）首先將氧量控制置為手動，風(fēng)量控制投入自動，對風(fēng)量主控制器進(jìn)行階躍擾動試驗(yàn)求取合適的PID控制參數(shù)。

b）將風(fēng)量控制投入串級控制，氧量暫時不參與調(diào)整，對PID參數(shù)進(jìn)行修正。

c）將氧量控制投入自動，風(fēng)量自動投入串級進(jìn)行階躍擾動試驗(yàn)求取氧量主控的PID參數(shù)。

d）將氧量控制投入串級，風(fēng)量自動投入串級對PID參數(shù)再次進(jìn)行修正。

e）進(jìn)行負(fù)荷擾動實(shí)驗(yàn)，同時修正整個控制系統(tǒng)的各項參數(shù)。

f）對爐膛壓力自動參數(shù)進(jìn)行修正，因?yàn)轱L(fēng)量控制的送風(fēng)機(jī)動葉指令送爐膛壓力控制作為前饋，為保證爐膛塔里的穩(wěn)定，必須對爐膛壓力自動進(jìn)行整定。

綜上所述，通過上面對氧量測量元件的改造，風(fēng)量測量元件的改造及其對控制策略的修正，控制系統(tǒng)的整定，以上措施實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)量控制系統(tǒng)和氧量控制系統(tǒng)的精確控制，保證了機(jī)組燃燒系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大大的提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，減小了運(yùn)行人員的操作量，同時對氧量的精確控制還可以實(shí)現(xiàn)對脫硫和脫硝排放量指標(biāo)后的指標(biāo)進(jìn)行控制，降低了環(huán)保設(shè)備超標(biāo)排放的可能，所以機(jī)組風(fēng)量自動和氧量的精確控制勢在必行，也非常有意義。