火电厂脱硝工程风烟系统改造方案的控制性能对比分析

2012-11-15罗志浩张永军

浙江电力 2012年2期

陈波，罗志浩，张永军

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

0 引言

火电机组一般采用增压风机提高原烟气压力，以克服脱硫装置产生的压降。在风烟系统中，引风机负责控制炉膛压力，增压风机以控制其进出口差压或者入口压力的方法来满足脱硫系统的压力要求。近年来，随着环保要求的提高，脱硝已成为机组需要具备的功能。脱硝系统大多安装在空预器中，为了克服新增脱硝装置需要的压力，必须增加引风机出力。因此，在增大引风机出力的同时保留增压风机（以下简称增引风机方案）和增大引风机出力的同时取消增压风机（以下简称联合风机方案）成为改造的两套可选方案。本文就两套方案进行静态分析、动态分析和特殊工况分析，分别得出了两套方案实施后可能对热工控制系统带来的影响，并对比某实际改造工程的数据，从热工控制方面给出了火电厂脱硝工程中风烟系统改造方案的对比分析结论，为同类改造的方案选择提供参考。

1 风烟系统改造方案的静态分析

火电厂脱硝工程中风烟系统改造方案可分别简化为图1和图2所示。假设烟气为定常流动的理想气体，根据伯努利方程，对两套方案进行静态稳定工况下的分析。

图1 采用增引风机的方案

图2 采用联合风机的方案

1.1 增引风机方案分析

如图1所示，在系统中选取7个切面，分别是锅炉炉膛出口切面1-1′、引风机入口切面2-2′、引风机出口切面3-3′、增引风机管道中段切面4-4′、增压风机入口切面5-5′、增压风机出口切面6-6′和脱硫装置入口切面7-7′。忽略气体的高度势能后，先对引风机系统进行分析：

炉膛出口至引风机入口：

引风机出口至增引风机管道中段：

引风机全压升：

式中：Pi为 i-i′切面上的静压；vi为 i-i′切面上的流速； ΔHi-j为 i-i′切面至 j-j′切面的管道压损；（i，j=1，2，…）。由上述3个公式可以推导出：

式中：P1为炉膛压力；P4为增压风机入口压力。

由此可知，在系统中烟气处于定常流动，即平衡状态时，炉膛压力受到引风机出力和增压风机入口压力的影响。

对增压风机系统同理分析可知，在系统中烟气处于定常流动，即平衡状态时，脱硫系统入口的原烟气压力受到增压风机出力和增压风机入口压力的影响。

由上述公式分析推导可得：

1.2 联合风机方案分析

如图2所示，在系统中选取4个切面，分别是锅炉炉膛出口切面1-1′、联合风机入口切面2-2′、联合风机出口切面3-3′和脱硫装置入口切面7-7′。忽略气体的高度势能后，按照上述方法对该系统进行分析可得：

1.3 对比结论

根据两套方案的静态分析结果，对比式（5）和（6）可以得出如下结论：

（1）增引风机方案中，引风机改造需要增加的压升只需满足克服空预器中脱硝装置的需要；联合风机方案中，引风机改造需要增加的压升除需满足克服空预器中脱硝装置的需要外，还要满足脱硫系统的压升。

（2）两套方案中原引风机的特性均发生了变化，和送风机的配比关系亦发生了改变，需要对原炉膛压力控制回路中的送风机前馈、原RB回路中引/送风机的上限定值进行调整。

（3）增引风机方案中，炉膛压力由引风机出力和增压风机入口压力决定，其中增压风机入口压力由增压风机出力和脱硫入口原烟气压力要求（即负荷）决定，炉膛压力调节环节容易出现控制振荡的情况。而联合风机方案中，炉膛压力仅由引风机出力和脱硫入口原烟气压力要求决定，控制过程环节单一，不会出现控制振荡的情况。

（4）增引风机方案中，增压风机入口压力由增压风机出力和脱硫入口原烟气压力要求决定。实施引风机扩容后，增压风机和烟气流量的配比关系仍保持不变，无须调整。联合风机方案中，原增压风机入口压力点已无实际意义，炉膛压力与脱硫系统的原烟气压力要求直接相关，而原烟气的压力要求并不是定值，将随负荷而改变，因此需要完善炉膛压力控制中的根据负荷段的变参数调节功能。若脱硫系统含有GGH（气-气加热器），则原烟气压力要求较高，需要综合考虑动态过程中管道的承压能力。

2 风烟系统改造方案的动态分析

将火电厂脱硝工程中风烟系统改造方案分别简化为如图3和图4所示。假设烟气为非定常流动的理想气体，根据理想气体状态方程，对两套方案进行动态工况下的分析。

图3 采用增引风机的方案

图4 采用联合风机的方案

2.1 增引风机方案分析

如图3所示，在系统中选取3个容积，分别是锅炉炉膛容积V1、增引风机之间的管道容积V2和增压风机后至脱硫装置入口的管道容积V3。采用集总参数法，表征上述容积的压力参数分别为炉膛压力P1、增压风机入口压力P2和脱硫装置入口前的原烟气压力P3。根据理想气体特性PV=mRT，分别对3个容积的压力求导，可得：

炉膛压力：

增压风机入口压力：

脱硫装置入口前原烟气压力：

式中：m为烟气质量；T为烟气温度；R为气体常量。

若变化过程中烟气温度保持不变，那么容积内烟气质量的变化与容积的比值将决定该容积内压力变化的大小。假设在动态过程中，送风机、引风机和增压风机的调节速度相同，针对增引风机方案可以得出如下结论：

（1）增压风机入口前压力变化量最大，这主要是由于该处容积最小，且该容积内烟气质量的变化同时受到引风机和增压风机出力的影响，因而变化也较大所导致。

（2）脱硫装置入口前原烟气压力变化最小，这主要是由于该容积内烟气质量的变化仅受增压风机和排烟压力影响，因此变化最小所导致。

（3）炉膛容积内烟气质量的变化虽然同时受到引风机和送风机出力的影响，变化较大，但是炉膛容积最大，因此炉膛压力的变化介于上述两者压力之间。

2.2 联合风机方案分析

如图4所示，在系统中选取2个容积，分别是锅炉炉膛容积V1和引风机后至脱硫装置入口的管道容积V3。按照上述方法和改造前系统进行分析比较，可得：

（1）由于容积V2和V3合并，因此脱硫装置入口前原烟气压力变化更小，有利于控制。

（2）由于增压风机的取消，引风机后压力（即脱硫装置入口前原烟气压力）的变化远小于原系统中增压风机入口压力的变化。因此，风机合并改造后，在调节过程中锅炉炉膛中烟气质量的变化要小于风机合并改造前。故在烟气质量大幅变化时，联合风机方案有利于炉膛压力的控制。

2.3 对比结论

图5和图6分别为某600 MW机组在增引风机方案和联合风机方案时风烟系统内各点压力的控制情况。

从图5和图6的对比可以看出，采用联合风机控制时，即使炉膛压力变化较大，脱硫系统入口前原烟气压力的波动也较风机合并改造前平稳。同时系统中减少了压力波动最大的增压风机入口压力环节，有利于系统的稳定。

图5 增引风机控制时风烟系统内各点压力变化情况

图6 联合风机方案改造后风烟系统内各点压力变化情况

3 特殊工况下的分析对比

特殊工况是指脱硫旁路挡板快开和RUNBACK工况，这两种工况对风烟系统的扰动都比较大。

3.1 脱硫旁路挡板快开工况

图7和图8分别为两套方案下脱硫旁路挡板相关的风烟系统结构。

图7 采用增引风机的方案

图8 采用联合风机的方案

脱硫旁路挡板快开前，由于有增压风机的存在，1-1′切面和2-2′切面上的压力将小于3-3′切面和4-4′切面上的压力。而当脱硫旁路挡板快开后，原烟气将不经过脱硫装置而直通大气。因此不论采用何种改造方案，原烟气压力都将快速降至排烟压力，即在旁路挡板快开后，1-1′，2-2′，3-3′和4-4′切面上的压力都将等于排烟压力。所以增引风机方案中引风机后的压力变化将小于联合风机方案。

考虑到脱硫旁路挡板快开后，联合风机后的静压随原烟气压力快速下降，同时由于联合风机后的管道压力快速下降，使得原烟气流速增加，其动压是上升的。所以当脱硫旁路挡板快开后，联合风机后的烟气全压下降幅度小于静压下降幅度。因此炉膛压力第一波的下降幅度将小于原烟气的下降幅度，该过程是可控的。从某600 MW机组风机合并改造后的试验曲线看，炉膛压力第一波的下降幅度远小于原烟气的下降幅度，整个过程控制平稳。

对于脱硫旁路挡板快开工况，增引风机方案对过程参数的冲击较小，而联合风机方案虽然扰动较大，但是过程处于受控状态，而且可以根据需要增加引风机的前馈。

3.2 RUNBACK工况

发生RUNBACK工况时，炉膛内烟气质量大幅快速变化，将导致炉膛压力和脱硫装置入口前原烟气压力大幅度变化。在联合风机方案中，考虑到联合风机出口无风机扰动，控制环节单一，同时联合风机后管道容积内的质量变化小于增引风机方案，因此风烟系统内各点压力的变化幅度将小于增引风机方案。图9所示为某600 MW机组风机合并改造后的引风机RUNBACK试验曲线，可以看出风机合并改造后，RUNBACK工况下炉膛压力和原烟气压力变化幅度均较小，RUNN BACK成功的可能性更大。

4 结论

根据以上定性分析和试验数据，在热工控制方面可以得出如下结论：

（1）联合风机方案的特点在于：经过对炉膛压力控制回路的调整，增加变参数控制回路后，可以满足系统控制要求。系统控制环节单一，减少了增压风机入口压力这一波动最大的控制点，在动态过程中整个控制不易振荡、更加稳定。系统在RUNBACK等烟气质量大幅变化的恶劣工况下稳定性较高。由于联合风机管道后烟气压力直接和原烟气要求相关，若脱硫系统含有GGH，则联合风机管道后烟气压力较高，需要综合考虑动态过程中管道的承压能力。