300MW供热机组锅炉风量氧量全过程控制

【摘要】火电厂供热机组锅炉氧量控制是锅炉安全和经济运行的重要指标，供热锅炉氧量是指用于指导锅炉运行控制的烟气中氧的容积含量百分比，一般指省煤器（一级过一段）入口的烟气含氧量，在其他条件不变的情况下，如果供热锅炉空气供应不足，氧量表读数小会导致燃烧不完全，造成不完全燃烧热损失，如果空气供应量过多，氧表读数大，排烟量增大，增加排烟热损失，同时增加了送引风机的电耗量。同时，环保参数对NOx排放量控制也有非常严格的要求，如果锅炉出口氧含量不能控制在一个合理的范围内，也会导致锅炉折标后的NOx超标排放，造成重大的环评风险。实现供热锅炉氧量的精确控制是锅炉整个控制系统的一个重要指标，但是由于控制系统测量精确性，送风和氧量控制系统控制策略不合理其PID参数设置不当等一系列原因是导致很多火电机组氧量自动控及制系统无法投入，造成了严重的经济效益的损失，本文以华电能源公司所属企业哈热公司2×300MW供热机组氧量控制为例阐述了如何实现对过热机组氧量实现精确控制，从而通过自动控制达到节能减排的目的。

【关键词】风量控制；氧量控制；氧化锆；FL系列多点式风量测量装置

华电能源公司所属企业哈热公司两台300MW机组为哈尔滨锅炉厂制造，蒸发量1025吨/小时，燃烧器布置方式为四角切圆控制，磨煤机采用三台双进双出钢球磨，主要辅机为两台送风机，两台引风机，两台一次风机，同时锅炉经过低氮燃烧器改造和脱硝系统改造，DCS控制系统采用美国霍尼韦尔公司的TPS3000控制系统，风量测量为均布式测量取样装置，测量装置为FL系列多点插入式风量测量装置，氧量测量为深圳市朗宏科技有限公司的氧化锆氧量分析仪OXT1000系列。

1、锅炉总风量的测点分布和计算方法

1.1锅炉风量测量系统的布置

如图1所示：图中所示的是哈热公司#8炉风量安装示意图，我们看到，入炉风量包括送风机送入锅炉的风量和一次风机送入锅炉的风量的总和，但是如果考虑到热控测点的具体安装情况。特别是若是锅炉经过风道改造或低氮燃烧器改造之后们必须要考虑总风量测量是否有改动。我们看到锅炉共有8套风量测量装置，分别安装在送风机和一次风机出口管路上。

1.2均布式风量测量装置的测量和计算，标定

1.2.1均布式风量测量装置的测量原理

目前由于国产空预器漏风等原因国产锅炉普遍存在送风管路含尘量较大的问题，若采用威力巴等巴类流量取样进行测量普遍存在取样管路堵塞导致风量测量不够准确的情况，在此我们建议流量测量系统采用线性和精确度较高同时故障率较低的均布流速取样装置对风管路进行测量，测量元件示意图如下：

均布式风量测量装置的计算公式。

风量设计计算数学模型（质量）：

G=

式中：G---被测气体质量流量，单位t/h

K---风量测量装置流量系数

A---通流面积，单位m2

P-风量测量装置输出差压，单位Pa

t―被测气体温度，单位℃

Px―被测气体管内的压力，单位Pa

1.2.3均布式风量测量装置的安装

A 热二次总风流量

热二次总风流量装置应安装在空预器出口热二次总风母管的水平管道上（2套/炉），测风装置的迎风面为“+”侧，背风面为“-”侧。分别与差压变送器的“+”、“-”侧相连。待测量装置一次元件固定后，将测量装置一次元件的“+”、“-”引压管路分别与差压变送器的“+”、“-”侧引出管对接即可。

B 一次风机出口流量

一次风机出口流量装置应安装在一次风机出口的水平管道上（2套/炉），测风装置的迎风面为“+”侧，背风面为“-”侧。分别与差压变送器的“+”、“-”侧相连。待测量装置一次元件固定后，将测量装置一次元件的“+”、“-”引压管路分别与差压变送器的“+”、“-”侧引出管对接即可。

1.2.4均布式风量测量装置的标定

1.2.4.1试验应具备的条件

a）试验前，所有新的风量测量装置必须安装完毕，引压管路严密性试验合格；

b）所有风量测量装置的数学模型应建立完毕，并检验准确；

c）引风机、送风机、一次风机试转正常俱备启动条件；

d）用于调节风量的所有调节挡板调节灵活，开度指示正确；

e）与试验相关的所有检修工作必须结束，标定孔开设完毕；

f）标定孔处应搭设脚手架，并有足够的照明。

1.2.4.2热二次总风流量系数的标定

启动引风机、送风机，维持炉膛负压-20～-50Pa，调节二次风总风压，维持单侧热二次总风为350t/h左右，利用标准毕托管对热二次总风量进行等截面实测，同时记录DCS系统中各风量的显示值。

1.2.4.3一次风机出口流量系数的标定

启动引风机、送风机，维持炉膛负压-20～-50Pa，调节二次风总风压，维持一次风机出口流量为150t/h左右，利用标准毕托管对一次风机出口流量进行等截面实测，同时记录DCS系统中各风量的显示值。

1.3锅炉氧量测量装置的安装

在这里我们分别在空预器的出口和入口甲乙侧分别安装两台共八台氧化锆氧量变送器，可以对空气预热器出入口氧量做到精确的测量，同时监测空气预热器出入口氧量有利于控制系统实现对锅炉氧量的超前调节，同时也有利于避免由于空预器后侧加装脱硝装置导致氧量控制的难度。

2、锅炉总风量和氧量计算及其控制策略说明

锅炉的总风量就是锅炉的一次风量和二次风量的总和，也就是一次风机和送风机出力的总和，在这里我们注意到是锅炉安装的所有风量测点都用于总风量的计算，我们再来看图1锅炉共安装8套均布式风量测量装置分别实现对#1一次风机，#2一次风机，#1送风机，#2送风机和四个低氮燃烧器引出风量。那么那些风量要计算在总风量里面，那些风量不能计算在总风量里面呢？在这里我们首先要分析热工取样的安装位置，我们看到8个取样都安装在风机出口风道上，问题就是我们要把那些风量测量值累加在一块求取总风量呢，由于#2角和#3角低氮引出风量安装在送风机出口母管风量测量装置之前，而#1角和#4角低氮燃烧器引出风量安装在送风机出口母管风量测量装置之后，低氮燃烧器引出风量是进入炉膛参与燃烧的风量，必须计算到锅炉的总风量里面去。这样由于取样位置不同我们的风量计算方式也不尽相同。在这里我们的计算公式为：

总风量（G）=G1+G2+G3+G4+G5+G6

G1：#1一次风机出口风量

G2：#2一次风机出口风量

G3：#1送风机出口风量

G4：#2送风机出口风量

G5：#2角低氮燃烧器引出风量

G6：#3角低氮燃烧器引出风量

氧量平均值为空预器入口四个氧化锆测量氧量的平均值

送风控制系统通过调节送风机动叶位置，控制送风量，送风控制系统原理图如图4所示：控制系统分为风量主控和氧量主控，其中风量主控主要作用是系统快速响应由于机组负荷调整和燃料量变化相适应的风量变化，系统起到粗调的作用，系统可以快速响应机组所需的风量。氧量控制主要是起到细调的作用，当风量主控制器根据机组负荷变化调整好风量定值后根据锅炉氧量再次调整入炉的风量从而达到对锅炉风量和氧量的精确控制。

下面我们就解读一下整个控制系统。

我们看到主调节器为氧量控制，副调节器为风量控制，主调节器的输入（sp）为主蒸汽流量对应的氧量，F（X1）函数关系如下表所示：

主汽流量（吨） 600 700 800 900 1000 1100 1200 1250

氧量定值（%） 4.5 4.5 4 4 3.5 3 2.5 2.5

F（X2）为氧量修正系数的输出，它是在负荷对应的氧量和总煤量对应的氧量选大的基础上进行修正，当机组负荷变化时，为保证机组安全经济运行，保证锅炉控制最佳的燃烧含氧量，氧量主控的定值发生变化，此时氧量主控制器SP随负荷变化而变化，氧量主控输出随之变化并将变化量输出到F（X3）或F（X5）。

F（X3）负荷对应的氧量，它的函数关系为：

主汽流量（吨） 600 700 800 900 1000 1100 1200 1250

风量定值（吨） 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

F（X5）为总煤量对应的风量，它的函数关系为：

总煤量（吨/时） 120 150 180 210 240 270 300 360

风量定值（吨） 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

为保证锅炉富氧燃烧，我们为预防煤质变化产生的耗氧量的变化，在这里做了一个负荷对应的氧量和燃料对应的氧量的大选，以保证机组安全运行，用负荷对应的氧量去控制一个锅炉安全氧量的限制从而达到安全运行的目的。

F（X4）为负荷对应的氧量和燃料量对应的氧量的大选作为风量主控的输入实现对机组风量的调节。

3、控制系统整定

由于整个控制系统是一套串级PID控制，系统有时随动无自平衡系统，同时送风机若采用轴流风机亦可能存在时速等设备异常的可能，所以控制系统的整定一定要在安全的基础上进行整定整定步骤：

a）首先将氧量控制置为手动，风量控制投入自动，对风量主控制器进行阶跃扰动试验求取合适的PID控制参数。

b）将风量控制投入串级控制，氧量暂时不参与调整，对PID参数进行修正。

c）将氧量控制投入自动，风量自动投入串级进行阶跃扰动试验求取氧量主控的PID参数。

d）将氧量控制投入串级，风量自动投入串级对PID参数再次进行修正。

e）进行负荷扰动实验，同时修正整个控制系统的各项参数。

f）对炉膛压力自动参数进行修正，因为风量控制的送风机动叶指令送炉膛压力控制作为前馈，为保证炉膛塔里的稳定，必须对炉膛压力自动进行整定。

综上所述，通过上面对氧量测量元件的改造，风量测量元件的改造及其对控制策略的修正，控制系统的整定，以上措施实现了对风量控制系统和氧量控制系统的精确控制，保证了机组燃烧系统的安全稳定运行，大大的提高了机组的经济运行指标，减小了运行人员的操作量，同时对氧量的精确控制还可以实现对脱硫和脱硝排放量指标后的指标进行控制，降低了环保设备超标排放的可能，所以机组风量自动和氧量的精确控制势在必行，也非常有意义。