300 MW機組磨煤機總風門優(yōu)化控制的應用研究

姜烈偉

(廣東省韶關市韶關發(fā)電廠，廣東 韶關 512132)

0 引言

廣東省韶關發(fā)電廠10號機組為300 MW燃煤機組，所配鍋爐為DG1025/18.2-II10型燃用無煙煤的燃煤爐。該鍋爐是東方鍋爐廠根據(jù)引進的美國福斯特·惠勒公司的技術所制造的。它是一種具有亞臨界參數(shù)、單汽包自然循環(huán)、雙拱爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、露天布置、全鋼全懸吊結(jié)構、固態(tài)排渣、“W”型火焰燃燒方式的鍋爐。鍋爐使用的制粉系統(tǒng)由福斯特·惠勒生產(chǎn)的D-11D型雙進雙出鋼球磨煤機和輔助設備組成，主要包括磨煤機驅(qū)動裝置、傳動裝置、盤車裝置、加球裝置、潤滑油系統(tǒng)、齒輪噴油系統(tǒng)、密封風系統(tǒng)、煤位測量系統(tǒng)和一次風總風門。

本文通過對磨煤機總風門的故障分析，在優(yōu)化總風門控制回路的基礎上，提出了解決氣缸內(nèi)活塞在全開位置不固定的方案。該方案解決了氣缸內(nèi)磁性活塞開位置不固定所帶來的問題。2011年8月，韶關電廠10號爐磨煤機總風門控制回路等相關改造工作已完成。該方案應用至今，效果顯著。

1 設備簡介及控制原理

1.1 設備簡介

氣缸內(nèi)活塞示意圖如圖1所示。

圖1 氣缸內(nèi)活塞示意圖Fig.1 Schematic diagram of the piston in air cylinder

10號爐使用的制粉系統(tǒng)為正壓直吹式制粉系統(tǒng)。在一次風進入磨煤機前，設有一次風總風門。該門具有隔斷、快關的雙重功能，其作用是在磨煤機停止運行、跳閘或內(nèi)部檢修時隔斷熱風，防止由于一次風泄漏過大而對磨煤機、鍋爐或檢修人員的安全產(chǎn)生影響。當磨煤機內(nèi)著火時，一次風總風門快速關閉，切斷一次風的熱風來源，以防止磨煤機內(nèi)的煤粉發(fā)生爆燃［1］。按照設計要求，總風門應關閉嚴密、靈活可靠，在冷、熱狀態(tài)下都不會出現(xiàn)卡澀。一次風總風門采用壓縮空氣為動力，推動氣缸內(nèi)的活塞動作，通過與擋板連接的軸帶動擋板移動，從而實現(xiàn)總風門開關。

1.2 控制原理

改造前后的控制原理如圖2所示。

圖2 改造前后控制原理圖Fig.2 Control principles before and after retrofit

圖2中，A601與N601之間為220 VAC電源，K為小型斷路器，ZJ為電源監(jiān)視繼電器，ZJ1～ZJ4為中間繼電器。一次總風門打開和關閉過程具體介紹如下。

①總風門打開過程

分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)發(fā)出打開總風門指令(open demand，OD)，則氣缸松開，電磁閥線圈SV2帶電，同時繼電器ZJ1動作，并通過自保持回路松開氣缸。氣缸松開到位后，總風門松開到位，磁性行程開關SR1接通;然后總風門打開，電磁閥線圈SV4帶電，直到總風門打開到位后總風門打開到位。磁性行程開關SR2接通，并復位DCS打開總風門指令OD，同時繼電器ZJ2閉合，繼電器ZJ3得電動作;繼電器ZJ3發(fā)出總風門打開狀態(tài)信號并自保持，完成整個總風門打開過程。

②總風門關閉過程

DCS發(fā)出關閉總風門指令(close demand，CD)，則關閉總風門電磁閥，線圈SV3帶電，關閉到位后總風門關閉到位，磁性行程開關SR3接通;然后鎖緊總風門電磁閥，線圈SV5得電動作，鎖緊氣缸鎖緊到位后總風門鎖緊到位，磁性行程開關SR4接通，同時繼電器ZJ4閉合，并發(fā)出總風門鎖緊狀態(tài)信號，完成總風門關閉過程。

2 設備現(xiàn)狀及故障分析

2.1 設備現(xiàn)狀

在實際應用中，磨煤機總風門經(jīng)常在該開時開不了、該關時關不了。一旦磨煤機出現(xiàn)故障，檢修人員處理故障的時間過長，有時甚至需要操作人員到現(xiàn)場手動打開總風門，從而導致磨煤機不能正常啟停，使機組負荷不能滿足要求;有時總風門在磨煤機運行中突然關閉，導致磨煤機跳閘。這不僅嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行，還增加了檢修、運行人員的工作量［2］。同時，總風門出現(xiàn)故障后，為了穩(wěn)定燃燒，運行人員必須投入油槍，這必然增加了燃油量，導致經(jīng)濟效益下降。

通過查閱DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、設備缺陷記錄和運行操作記錄，統(tǒng)計了10號爐4臺磨煤機總風門的故障類型和次數(shù)，具體如表1所示。

表1 故障類型及次數(shù)Tab.1 Fault type and number

2.2 故障分析

2010年，10號爐的空預器漏風率為10.92%。由于機組空預器漏灰，導致熱一次風帶灰較嚴重。磨煤機總風門內(nèi)積灰嚴重，造成其機械部分卡澀［3］，使氣缸內(nèi)磁性活塞在打開位置不固定，磁性行程開關SR2無法正常檢測到其開到位狀態(tài)。這就使總風門的打開過程不能順暢地執(zhí)行，導致總風門開失敗。

通過調(diào)取DCS的歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，運行中總風門突然關閉前，打開指令、關閉指令和關閉失敗報警同時存在。在查看磨煤機總風門的DCS邏輯控制圖后發(fā)現(xiàn)，在總風門發(fā)出關閉指令18 s后，若鎖緊到位狀態(tài)信號沒有返回至DCS，即總風門在18 s內(nèi)沒有關閉，則總風門操作畫面顯示關閉失敗報警。經(jīng)檢查，總風門的DCS邏輯控制圖正確無誤，執(zhí)行關閉指令的繼電器動作可靠、觸點良好。由此可以斷定，總風門在運行中發(fā)生突然關閉是設備和控制回路故障的表現(xiàn)［4］。

經(jīng)檢查現(xiàn)場的接線發(fā)現(xiàn)，各個接線處積灰多、接線易松動，現(xiàn)場沒有端子箱、接線裸露。一次風溫為310℃左右，現(xiàn)場溫度較高，電纜芯線發(fā)生不同程度的絕緣層老化和絕緣層脫落，嚴重時將導致現(xiàn)場接線直接接地并引起總風門跳閘［5］。2010年11月26日22∶17，運行人員通知值班人員10號爐A磨煤機在運行中突然跳閘，機組負荷由290 MW減至220 MW。經(jīng)值班人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，A磨煤機的跳閘原因是失去總風門電源，而機組負荷降低的原因是由于爐內(nèi)溫度高，開到位磁性行程開關的引線表皮已經(jīng)融化。由于總風門開到位磁性行程開關的引線與總風門的門體相接觸，且磁性行程開關的工作電壓為交流220 V，從而導致總風門交流220 V電源通過磁性行程開關裸露的引線與門體接觸而直接接地，最終造成總風門跳閘。

3 方案設計及分析

由上述分析不難看出，可以通過優(yōu)化總風門控制回路、改善現(xiàn)場接線情況，解決氣缸內(nèi)磁性活塞在打開位置不固定的問題，以減少總風門發(fā)生故障的頻率。

3.1 磁性活塞及回路優(yōu)化

由于總風門打開到位行程開關信號與控制回路聯(lián)系密切，所以在設計方案時，需要同時解決優(yōu)化控制回路和氣缸內(nèi)的磁性活塞在打開位置不固定這兩個問題。根據(jù)改造前的控制原理圖可知，幾個容易出故障的中間環(huán)節(jié)都會導致開關過程失敗。

若SR1不通，則SV4不能帶電，總風門打開過程無法執(zhí)行;若SR2檢測不正常，則會導致總風門打開失敗。由于總風門內(nèi)部積灰造成機械部分卡澀，所以每次擋板打開時，磁性活塞的位置不確定，而SR2行程開關檢測的范圍有限，這是導致總風門打開失敗的主要原因。由于繼電器ZJ3具有自保持功能，因此，SR2曾瞬間接通，則ZJ3閉合發(fā)出總風門打開到位狀態(tài)信號。由于時間太短不能復位開指令OD，此時又有關閉指令CD到來，則在打開、關閉電磁閥線圈時，SV4和SV3同時得電;而打開、關閉電磁閥同時控制一個閥芯，使電磁閥的閥芯處于中間狀態(tài)，因此導致總風門關閉失敗［6］。運行中出現(xiàn)SV3和SV4同時帶電的情況是很危險的。由于現(xiàn)場設備振動的原因?qū)е耂R2接通，則復位打開指令OD，使SV4失電，而此時SV3是帶電的，因此，電磁閥的閥芯移動，導致總風門自動關閉。

針對以上分析，對總風門控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后如果SR2能夠正常接通，則繼電器ZJ2閉合并自保持，同時發(fā)送打開狀態(tài)信號到DCS顯示其狀態(tài)，并復位指令OD，使SV4失電，而原來的控制回路只有在SR2長期接通的情況下才能復位指令OD。因此，控制原理在改動后不會出現(xiàn)SV4和SV3同時帶電的情況，避免了總風門自動關閉。

針對氣缸內(nèi)磁性活塞在打開位置不固定這一問題，由于總風門的改造費用太大，同時也沒有找到合適的替代產(chǎn)品，故只能從完善行程開關的檢測方式和改善總風門內(nèi)部積灰情況入手。

①完善行程開關的檢測方式。經(jīng)現(xiàn)場觀察測量，磁性活塞的最大變化范圍為25 cm，而實際上，行程開關的檢測范圍為3 cm，這使磁性行程開關無法檢測到磁性活塞的動作位置，從而導致總風門打開失敗。事實上，因為磁性活塞動作范圍為25 cm，目前尚沒有磁性行程開關可以對如此大的動作范圍進行檢測。查找總風門的說明書與圖紙后得知，擋板長度為142 cm，活塞長度為173.5 cm，兩者差值為31.5 cm，接近測量的磁性活塞開位置活動范圍為25 cm?？紤]一定的間隙、連接距離，把SR2行程開關固定在磁性活塞處于全開位置前的28 cm處。這個位置的開度對應的熱風流量達到了設計的要求。

②改善總風門內(nèi)部積灰情況。由于積灰均在總風門擋板底部，考慮到一次風壓力為6.5 kPa左右，經(jīng)現(xiàn)場勘查和研究，在總風門的門體底部打開三個圓孔。該圓孔必須保證總風門門體底部的內(nèi)外貫通，將螺母電焊至圓孔處。為了防止一次風泄漏，用與之配套的螺栓鎖緊，通過圓孔定期將擋板底部的積灰排掉，以避免機械部分卡澀，從而使總風門開、關過程順暢。具體步驟如下。

首先，在離擋板內(nèi)導軌水平距離6.5 cm處，開直徑為3.7 cm的三個圓孔(距離門體底部兩邊15 cm處各一個，門體底部中點位置一個)。

其次，將與外六角螺栓(外六角螺栓規(guī)格等級為8.8級、最大外徑34 mm、最大內(nèi)徑22 mm、長度28 mm)配套的標準螺母(螺母外徑為32.95 mm)放在開好的圓孔處，進行電焊處理，保證焊縫連續(xù)且螺母不變形［7］。為避免一次風大量泄漏，需保證筒體壓力，再將外六角螺栓擰緊。

最后，每個月進行一次放灰操作，即將三個螺栓松開，清除存在擋板底部的積灰。這樣就能夠保證SR2接通，解決了總風門打開失敗的最主要瓶頸問題。

在完善行程開關的檢測方式，并改善總風門內(nèi)部積灰情況后，只要氣缸活塞的開位置超過全開位置前的28 cm，SR2就可以檢測到活塞的動作。通過改造可以看出，由于繼電器ZJ2的自保持功能，只要SR2接通，則ZJ2閉合發(fā)出總風門打開到位狀態(tài)信號，這就使總風門打開控制過程可以順暢地執(zhí)行完畢，不會出現(xiàn)總風門打開失敗的故障，保證了總風門的正常開關操作。

為了檢驗優(yōu)化后的控制回路的效果，利用繼電器與行程開關等其他設備，根據(jù)修改后的控制原理圖進行接線。試驗結(jié)果表明，控制回路均沒有出現(xiàn)開失敗和自動關閉等誤動和拒動的故障現(xiàn)象，初步達到了設計要求，為現(xiàn)場應用打下了堅實的基礎。

通過以上設計，優(yōu)化了控制回路，解決了由于氣缸內(nèi)磁性活塞在打開位置不固定所帶來的一系列問題，消除了總風門打開失敗和自動關閉的故障，簡化了控制原理，回路動作可靠。

3.2 現(xiàn)場布線改善

為改善現(xiàn)場接線凌亂的狀況，杜絕由于電纜芯線裸露而導致總風門電源跳閘［8］，經(jīng)現(xiàn)場測量，可在現(xiàn)場加裝密封性能好的端子箱(規(guī)格為30 cm×20 cm×10 cm)，端子箱的防水、防塵效果好。同時，為裸露的控制電纜加裝金屬軟管，整治絕緣層老化的芯線，將電纜引入端子箱接線，以減少總風門發(fā)生故障的中間環(huán)節(jié)。

4 方案實施

在機組檢修期間，按照上述設計方案，進行了控制回路改造和打開到位磁性行程開關安裝，加裝了防塵密封端子箱，并對現(xiàn)場接線進行了整治?，F(xiàn)場端子箱安裝、接線和電纜整治完成后，經(jīng)測試，電纜對地電阻均達到500 MΩ以上，絕緣性能良好［9］，布線整齊、美觀，接線牢固，接線不再裸露、松脫。

5 效果檢查

經(jīng)過六個多月的使用和觀察，總風門沒有再出現(xiàn)由控制回路故障而引起的系列問題。在實際使用過程中，總風門動作順暢，達到了節(jié)能降耗的目的［10］。在取得經(jīng)濟效益的同時，該方案也解決了設備安全隱患問題，使機組穩(wěn)定運行。

6 結(jié)束語

本文針對300 MW燃煤機組的磨煤機總風門的故障，重新設計了總風門控制回路;并通過完善行程開關的檢測方式和改善總風門內(nèi)部積灰情況，徹底解決了由于氣缸內(nèi)磁性活塞開位置不固定所帶來的系列問題。實際運行證明，整個系統(tǒng)結(jié)構更加簡潔，控制回路動作可靠，極大地減少了機組運行、檢修人員的工作量。

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