許偉強，劉翔

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗總量連年攀升，一次能源緊張局面日趨嚴重。由于區(qū)域煤炭資源貧乏，各燃煤電廠煤源多樣，劣質(zhì)煤種充當電煤漸成定局，雙進雙出磨煤機對煤種適應性強的特點使其在火力發(fā)電廠中將得到更加廣泛的應用[1]。然而，配置雙進雙出磨煤機的火電機組，由于入爐煤計算不準確，機組控制難度較大，而電網(wǎng)對火力發(fā)電機組的控制精度與快速響應電網(wǎng)負荷變化的要求卻有增無減[2-4]。

某電廠一期工程為2臺600 MW超臨界燃煤機組，鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1852/25.31-Ⅱ8 型超臨界參數(shù)、W火焰燃燒、全懸吊結(jié)構(gòu) Π 形鍋爐；制粉系統(tǒng)配置了北方重工集團有限公司生產(chǎn)的MGS4366型雙進雙出鋼球磨煤機，單臺最大磨煤量為78 t/h；汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的N660-24.2/566/566型超臨界、中間再熱、凝汽式汽輪機，機組采用高中壓缸聯(lián)合啟動，定-滑-定運行方式。控制系統(tǒng)采用全廠一體化模式，配置南自美卓maxDNA控制系統(tǒng)。

1 入爐煤量傳統(tǒng)計算方法及存在的問題

雙進雙出磨煤機擁有一個龐大的筒體，該筒體既充當磨制煤粉的空間，又充當煤粉的存儲空間，實際運行中，給煤機的給煤量與進入爐膛的煤量并無一一對應關(guān)系，特別是磨煤機啟停過程中，出粉量與給煤量難以找到靜態(tài)或動態(tài)關(guān)系。在大型超超臨界機組中，入爐煤量是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一個重要參數(shù)，但進入爐膛的煤粉量不能用給煤量直接替代[5]，傳統(tǒng)的入爐煤量計算方式主要存在以下問題。

1.1 計算不準確

入爐煤量無法準確計量，通過容量風擋板開度折算的入爐煤量與理論給煤量存在較大差異，特別是機組升降負荷時。

1.2 關(guān)系參數(shù)不全面

目前，主要用容量風量或容量風擋板開度來折算入爐煤量，但這些方法都有較大的局限性，前者并未考慮筒體儲粉的情況對風攜帶煤粉能力的影響，后者未考慮一次風壓、煤粉儲存情況對容量風攜粉能力的影響。

1.3 啟、停磨煤機過程中存在較大偏差

傳統(tǒng)的入爐煤量計算未考慮暖磨、鋪煤、停磨吹余煤、跳磨等工況，這些非正常運行工況下入爐煤的計算會出現(xiàn)較大擾動，如磨煤機及給煤機啟動后，需要10～20 min才能建立磨煤機料位，磨煤機才能夠正常、穩(wěn)定地運行[1]。

1.4 影響機組調(diào)節(jié)品質(zhì)

在機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，鍋爐主控輸出指令既作為總?cè)剂狭康脑O定值，又作為給水流量設定值的重要參數(shù)，易出現(xiàn)水煤比失調(diào)現(xiàn)象，導致機組調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳[2]。

2 入爐煤量的相關(guān)因素分析

雙進雙出磨煤機構(gòu)成的制粉系統(tǒng)比直吹式磨煤機對應的制粉系統(tǒng)復雜得多，表現(xiàn)在輔助設備多、被控參數(shù)多、對象的動態(tài)特性更為復雜，是典型的多變量控制系統(tǒng)[5]，其工藝流程如圖1所示。

表1 過程參數(shù)與設備參數(shù)之間強弱關(guān)系

注：×表示相關(guān)極弱，+表示弱相關(guān)，++表示中等相關(guān)， +++ 表示強相關(guān)。

表2 容量風擋板開度與入爐煤量關(guān)系

圖1 雙進雙出磨煤機工藝流程

配置雙進雙出磨煤機的火電機組的入爐煤量雖然不能直接測量，但入爐煤量與其他參數(shù)有一定關(guān)系，如容量風A/B擋板開度、旁路風A/B擋板開度、磨煤機A/B側(cè)料位、一次風壓和分離器轉(zhuǎn)速等。在分析運行機理和大量現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，定性粗略獲得這些參數(shù)與入爐煤的關(guān)系，見表1。

2.1 容量風擋板開度

從表1可以看出，入爐煤量同容量風擋板開度之間存在強相關(guān)性，若磨煤機料位在正常位置(壓力差為650 Pa左右)且保持相對不變，入爐煤量與容量風擋板開度對應表2中的理論值，入爐煤量與容量風擋板開度(0～60%)呈線性關(guān)系。大量現(xiàn)場試驗表明，入爐煤量與容量風擋板開度的關(guān)系對應表2中的修正值，容量風擋板開度為20%～45%時，因擋板風量特性的原因，容量風擋板開度對應入爐煤量幅度較其他區(qū)域更大。用修正后的曲線作為入爐煤量與容量風擋板開度之間的函數(shù)關(guān)系較為準確，但因磨煤機型號不同，磨煤機安裝存在差異，不同磨煤機對應的關(guān)系略有差異，以實際試驗數(shù)據(jù)為準。

2.2 磨煤機料位

從表1可以看出，入爐煤量與磨煤機筒體中的料位之間存在較強相關(guān)性，所以，入爐煤量計算須用料位對其進行修正。磨煤機運行過程中，料位代表磨筒體中的存粉量或風粉濃度[1]。通常用磨筒體上下的壓力差代表料位，壓力差越大，表示磨筒體內(nèi)煤量料位越高，反之亦然，工程應用中測量范圍一般為0～1 500 Pa，通過分析現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)，將料位對風煤比修正劃分 4 個區(qū)域。

(1)磨煤機在正常料位運行區(qū)(壓力差為650 Pa左右)附近較寬的范圍內(nèi)，容量風的攜粉量基本與料位的變化無關(guān)，修正系數(shù)為1.0。

(2)在啟停磨煤機過程中，在低料位區(qū)(壓力差為150～650 Pa)，料位修正系數(shù)基本同料位呈線性關(guān)系，修正系數(shù)為0.5～1.0。

(3)當磨煤機在高料位區(qū)時(壓力差為800～1 000 Pa)，也近似認為是線性關(guān)系，修正系數(shù)為1.1～1.2。

(4)當料位繼續(xù)升高時(壓力差>1 000 Pa)，磨煤機運行進入堵磨區(qū)，風攜帶粉的能力急劇下降，料位修正系數(shù)為1.2～0.3，正常運行時應極力避免在此區(qū)域停留。

2.3 磨煤機入口一次風壓

從表1可以看出，入爐煤量與磨煤機入口一次風壓之間存在較強相關(guān)性，入爐煤量計算須用一次風壓對其進行修正。磨煤機運行過程中，一次風壓間接代表一次風的攜粉能力。將料位對風煤比修正劃分多個區(qū)，修正函數(shù)輸出為0.5～1.3。在每個區(qū)，一次風壓修正函數(shù)輸出與一次風壓實際值近似認為是線性關(guān)系：一次風壓高時風攜帶粉的能力上升，修正系數(shù)增大，最大為1.3；一次風壓低時風攜粉的能力下降，修正系數(shù)減小，最小為0.5。

3 改進型計算方法

通過表1可知，分離器轉(zhuǎn)速不變的情況下，與入爐煤量關(guān)系較大的參數(shù)是容量風開度、料位和一次風壓，入爐煤量計算邏輯如圖2所示，通過大量試驗得到主要參數(shù)關(guān)系函數(shù)(主要采用容量風擋板開度折算，用一次風壓和磨煤機料位修正)。

qV=[f2(xA1)f3(xA2)+f2(xB1)f3(xB2)]f1(x) ，

(1)

式中：qV為入爐煤量；f1(x)為料位修正系數(shù)；f2(x)為容量風擋板開度函數(shù)；f3(x)為一次風壓修正系數(shù)；xA1為A側(cè)容量風擋板開度；xA2為A側(cè)料位；xB1為B側(cè)容量風擋板開度；xB2為B側(cè)料位。

圖2 入爐煤量計算邏輯

圖2表述的計算邏輯，其計算結(jié)果在磨煤機正常運行時較為準確。但料位測量采用微差壓測量裝置，實際運行時料位波動較大，特別是磨煤機啟停過程中，無法真實反映料位的真實情況，因此圖2表述的計算方法不能適應實際磨煤機的運行狀態(tài)。對入爐煤量的計算必須進行深入的分析與分解，劃分磨煤機運行狀態(tài)。通常，磨煤機包括暖磨、建立料位、正常料位運行、停運吹空、停運以及跳閘后重新啟動等6個運行狀態(tài)，將運行狀態(tài)融入計算公式，將大大提高計算準確度。

3.1 暖磨階段(無存粉啟動)

當磨煤機運行但給煤機未運行時，容量風門與冷熱風門在通風暖磨，磨煤機準備投入運行，此時雙進雙出磨煤機處于暖磨過程中，容量風門有一定的開度，磨煤機的風粉空間將會有一定的容量風通過，但由于磨煤機還未進入正式制粉階段，所以容量風未攜帶煤粉，進入爐膛的煤粉量為0。

3.2 建立料位

磨煤機暖磨結(jié)束后，運行人員一般會開啟第1臺給煤機，磨煤機進入料位建立階段，磨煤機建立料位開始的標志是：磨煤機運行，并且任意給煤機剛運行的10～20 min內(nèi)，開始有煤進入磨煤機磨筒內(nèi)[2]。在此過程中，容量風、給煤量的大小對入爐煤量的計算均有影響，但這種關(guān)系較為復雜，隨著磨筒內(nèi)料位的升高，可以用公式(1)近似計算入爐煤量。

3.3 未吹空啟動(有存粉啟動)

當磨煤機故障跳閘或停止時未吹空存粉時，磨筒中會積存大量的粉量，下一次啟動該磨煤機時，即使不啟動給煤機，只要有容量風通入，磨煤就會運行，容量風將攜帶存粉直接進入爐膛，這種運行狀態(tài)越過了料位建立這一環(huán)節(jié)。即使給煤機未運行，相應的入爐煤量計算同正常料位運行時類似。

3.4 磨煤機正常料位運行

按公式(1)計算入爐煤量。

3.5 磨煤機停運吹空過程

當磨煤機需要退出制粉系統(tǒng)時，首先停止給煤機，但容量風門還需保持適當?shù)拈_度，仍然通過一次風將磨煤機中的存粉吹入爐膛，以達到吹空磨煤機粉筒的作用，這便是與中速磨煤機運行最大的區(qū)別之一。該過程料位會漸漸下降，相應容量風攜帶粉量的能力下降。當下降到一定程度(壓力差<150 Pa)，可以認為磨煤機內(nèi)存粉幾乎被吹空，煤量計算時可以緩慢將該磨煤機出力切至0。

3.6 磨煤機跳閘

磨煤機跳閘后，所有磨煤機的出口門迅速關(guān)閉，進入爐膛的風粉路徑迅速截斷，可以用一個慣性時間較短的過程來模擬這一過程，即跳磨瞬間的入爐煤量經(jīng)由一階慣性后迅速減至0。慣性時間主要同煤粉管和一次風壓有關(guān)，一般為2～5 s，實際工程應用時可以忽略。

綜合以上磨煤機運行狀態(tài)，入爐煤量計算如圖3表述(以A磨煤機為例)，綜合的計算結(jié)果設置合理的速率變化功能，防止工況發(fā)生變化時，入爐煤量計算突變，對煤量控制擾動太大，影響機組安全運行。

4 控制效果分析

將改進后的入爐煤量計算方法應用于實際工程，通過分析大量試驗結(jié)果，得到計算方法中主要參數(shù)關(guān)系函數(shù)(主要有容量風擋板開度函數(shù)，一次風壓修正函數(shù)和磨煤機料位修正函數(shù))，計算準確度及應用效果如下。

圖3 改進型入爐煤量近似計算方法邏輯

4.1 計算準確度分析

與傳統(tǒng)計算方法相比，新的計算方法具有以下優(yōu)點：(1)融合相關(guān)因素，計算更準確；(2)考慮多種工況，計算更貼近實際，工況發(fā)生變化時擾動量小。

4.2 機組整體控制效果

提高入爐煤量計算的準確性，使機組控制效果明顯提升，不僅提升了變負荷速率，也提高了負荷響應能力，經(jīng)過自動發(fā)電控制(AGC)考核試驗，各項控制指標良好。

(1)AGC模式下，機組負荷從350 MW升至600 MW，機組主要參數(shù)平穩(wěn)變化，負荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應時間<30 s，實際變化率9.0 MW/min)，如圖4所示。

圖4 升負荷時主要參數(shù)趨勢

(2)AGC模式下，機組負荷從600 MW降至330 MW，機組主要參數(shù)平穩(wěn)變化，負荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應時間<30 s，實際變化率9.2 MW/min)，如圖5所示。

圖5 降負荷時主要參數(shù)趨勢

提高入爐煤計算準確性，也使相關(guān)的過程參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)提高，機組的操控性增強，提高了機組的安全運行特性；同時，過程參數(shù)可以控制在設計值附近，有效保證了機組的經(jīng)濟性。

5 結(jié)束語

入爐煤量是配置雙進雙出磨煤機機組的一個重要參數(shù)，入爐煤量計算的準確性關(guān)系到機組的控制效果和調(diào)節(jié)能力，在分析磨煤機運行機理和大量現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，充分考慮多種運行工況，形成新的入爐煤計算方法，在某600 MW機組的實際應用表明，文中提出的人爐煤量計算方法穩(wěn)定可靠，解決了機組運行中因入爐煤量計算偏差大引發(fā)的機組參數(shù)波動大，協(xié)調(diào)控制效果不好等問題，提高了機組調(diào)節(jié)品質(zhì)，機組主要參數(shù)控制在設計值附近較小的區(qū)間，有效保證了機組的經(jīng)濟性。