雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)入爐煤量折算算法

葉祺賢, 陸 梁

(上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗(yàn)所有限公司, 上海 200030)

社會高速發(fā)展使得石油等不可再生能源消耗加劇,風(fēng)電、潮汐能、太陽能等新能源地位凸顯。為充分利用清潔能源,消納新能源間接發(fā)電產(chǎn)生的電能及降低電網(wǎng)負(fù)荷差距,電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)要求火電機(jī)組具備深度快速變負(fù)荷能力。但現(xiàn)有的國內(nèi)火電機(jī)組由于受煤種可磨性哈氏系數(shù)、揮發(fā)分等參數(shù)的限制,只能配置雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)而無法配置中速磨煤機(jī),而且基建成本不再設(shè)計(jì)煤粉中間儲倉而采用直吹式制粉系統(tǒng)。因此,對于配置雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)且不再配置煤粉中間儲倉制粉系統(tǒng)的火電機(jī)組來說,雖能滿足燃燒煤種的要求,但難以準(zhǔn)確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量,特別是超臨界機(jī)組,無法確定水煤比與風(fēng)煤比,在機(jī)組變負(fù)荷過程中甚至穩(wěn)定運(yùn)行中會出現(xiàn)機(jī)組分離器出口溫度、主蒸汽溫度、主汽壓力波動大等問題,使機(jī)組協(xié)調(diào)控制無法正常投入,不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰相關(guān)要求。

高效、節(jié)能、減排是目前火電機(jī)組技術(shù)改造的整體方向,在線準(zhǔn)確測量各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性,掌握設(shè)備的工作狀態(tài)、檢查并分析其故障缺陷、研究改進(jìn)方向、優(yōu)化調(diào)度方式,對提高管理水平具有重要意義。此外,隨著一次能源價(jià)格的上漲,摻燒劣質(zhì)煤及優(yōu)化配煤也是企業(yè)降低發(fā)電成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的主要手段。因此,精確控制火電機(jī)組的入爐煤量愈發(fā)重要。

國內(nèi)學(xué)者對入爐瞬時(shí)煤量精確控制進(jìn)行了相關(guān)研究。國電衡水電廠[1]將不同機(jī)組計(jì)量可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)整體升級為分散控制系統(tǒng)(Distribated Control System,DCS),進(jìn)行整體設(shè)備布置、工程布線、控制邏輯、計(jì)量統(tǒng)計(jì)方式及操作顯示設(shè)計(jì),為分爐煤量精確計(jì)量提供了設(shè)備平臺。長電公司[2]在現(xiàn)有輸煤程控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用IFIX插入VBA腳本的方法實(shí)現(xiàn)了電子皮帶秤數(shù)據(jù)無差傳輸及入爐煤的分爐分倉,保障了煤量的精確計(jì)量。李健等人[3]提出一種雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)入爐煤量軟測量方法,在雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)上,利用磨煤機(jī)煤粉流量與容量風(fēng)門開度、一次風(fēng)壓力等關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)性,通過分段線性函數(shù)構(gòu)建了鍋爐燃煤量軟測量模型。張浩[4]通過1CS-17A型電子皮帶秤對瞬時(shí)流量和累計(jì)重量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了以一臺電子秤來計(jì)量多個(gè)原煤倉的進(jìn)煤量。 張小桃等人[5]將磨煤機(jī)等效為強(qiáng)耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng),基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)來辨識模型參數(shù)。田丹等人[6]采用機(jī)理分析與數(shù)據(jù)擬合相結(jié)合的方法,建立了入爐煤動態(tài)模型。為了準(zhǔn)確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量,本文提出了一種雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)精確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量算法,并以山西盂縣裕光發(fā)電廠2×1 000 MW工程項(xiàng)目為實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在滿足協(xié)調(diào)變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)所要求的條件下,通過自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量折算算法的精確性。

1 制粉系統(tǒng)簡介

制粉系統(tǒng)是電廠重要的輔助設(shè)備,常用于對原煤的加工處理,其性能優(yōu)劣直接影響電廠的發(fā)電效率[7]。當(dāng)前國內(nèi)火電廠制粉系統(tǒng)中,最常用的是雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)。

圖1為雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng),由磨機(jī)筒體、螺旋輸送裝置、密封風(fēng)裝置、混煤箱、分離器等組成。雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣泛、性能穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[8]。磨煤機(jī)有兩個(gè)對稱的研磨回路,原煤通過給煤機(jī)從料斗卸下進(jìn)入磨煤機(jī)混煤箱內(nèi),經(jīng)過旁路風(fēng)預(yù)干燥后進(jìn)入螺旋輸送器,在螺旋推進(jìn)器作用下進(jìn)入筒體內(nèi)。通過筒體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,鋼球會被提升到一定高度,自由拋落過程中對煤進(jìn)行撞擊和磨擦,直至將煤研磨成煤粉。

圖1 雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)

2 精確入爐瞬時(shí)煤量折算算法

為了在磨煤機(jī)啟動、停止及正常運(yùn)行等全工況下準(zhǔn)確表征實(shí)際進(jìn)入爐膛的燃料量,減少不利因素的影響,本文引入精確入爐瞬時(shí)煤量折算算法。

入爐瞬時(shí)給煤量是指雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí),磨煤機(jī)煤位維持不變的情況下給煤機(jī)的給煤量。圖2為精確入爐瞬時(shí)煤量算法的原理圖。

圖2 算法原理(以單回路為例)

(1) 針對容量風(fēng)量測量不準(zhǔn)確情況,采用實(shí)驗(yàn)辦法得到容量風(fēng)閥門開度折算的煤量。當(dāng)容量風(fēng)小信號無法測量時(shí),取容量風(fēng)閥門開度折算的煤量,綜合運(yùn)算得到初始的由容量風(fēng)量、容量風(fēng)閥門開度折算的煤量,克服由容量風(fēng)量測量不準(zhǔn)確(尤其小信號無法測量)、容量風(fēng)量測量滯后性強(qiáng)、容量風(fēng)門閥門不線性且動作死區(qū)大等帶來的測量誤差,同時(shí)又提高了實(shí)際燃料變化的響應(yīng)速度。

(2) 根據(jù)磨煤機(jī)不同廠家特點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)確定旁路風(fēng)是否攜粉來選擇是否還應(yīng)將以上初始折算煤量加上旁路風(fēng)攜粉量計(jì)算(本工程實(shí)驗(yàn)證明旁路風(fēng)攜粉)。

(3) 將初始折算煤量與實(shí)際給煤機(jī)給粉量進(jìn)行PID閉環(huán)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)動態(tài)迭代校正,得到動態(tài)煤量計(jì)算校正系數(shù),再經(jīng)過煤位、一次風(fēng)壓修正后可得到精確的瞬時(shí)入爐煤量折算。動態(tài)煤量計(jì)算校正系數(shù)的意義在于消除容量風(fēng)開度、容量風(fēng)量初始折算煤量及煤位、一次風(fēng)壓修正后仍與實(shí)際入爐煤量存在的偏差,保證瞬時(shí)入爐煤量折算的精確度。

(4) 通過煤位與一次風(fēng)壓修正曲線,初步修正折算煤量,同時(shí)解決雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)啟動過程建立煤位或停磨時(shí)清空煤位出力時(shí)的煤量計(jì)算。

(5) 確定給煤機(jī)斷煤(故障狀態(tài))、容量風(fēng)開度小時(shí)(可認(rèn)為啟動或停止供粉過程)、磨煤機(jī)停止、給煤機(jī)啟停時(shí)應(yīng)暫停PID閉環(huán)態(tài)煤量校正系數(shù)運(yùn)算。

(6) 磨煤機(jī)停止、給煤機(jī)啟停時(shí)PID閉環(huán)態(tài)煤量校正系數(shù)復(fù)位1。

(7) 給煤機(jī)啟停時(shí)的煤量校正系數(shù)是建立工作煤位或清空磨煤位的實(shí)際時(shí)間函數(shù)。給煤機(jī)啟停時(shí)往往是雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)啟動過程建立煤位或停磨時(shí)清空煤位出力時(shí)的工況,此時(shí)的煤量折算精確度依靠給煤機(jī)啟停時(shí)的煤量校正系數(shù)與煤位、一次風(fēng)壓修正曲線共同保證。

3 算法應(yīng)用實(shí)例效果

為了驗(yàn)證算法的正確性,本文以山西盂縣裕光發(fā)電廠2×1 000 MW工程項(xiàng)目為實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工程鍋爐采用上海鍋爐廠制造的百萬千瓦等級塔式鍋爐;汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的超超臨界凝汽式汽輪機(jī);制粉系統(tǒng)采用上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MGS-4766型雙進(jìn)雙出磨煤機(jī);熱控控制DCS系統(tǒng)采用上海愛默生控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的OVATION裝置。

3.1 AGC實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

圖3為機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行速率為20 MW/min(2%Pe/min)時(shí),800～1 000～800 MW升降負(fù)荷AGC實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 AGC實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行,測試前做好以下工作。

(1) 協(xié)調(diào)變負(fù)荷時(shí),對主要運(yùn)行參數(shù)的控制符合《DL/T657 模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》的要求。

(2) 隨機(jī)組運(yùn)行要求進(jìn)行制粉系統(tǒng)正常啟停過程中,無需強(qiáng)行規(guī)定運(yùn)行人員操作方式,加載磨煤機(jī)恢復(fù)正常工作煤位或卸載清空磨煤機(jī)出力時(shí)的各臺磨煤機(jī)瞬時(shí)入爐煤量折算不影響協(xié)調(diào)變負(fù)荷時(shí)主要運(yùn)行參數(shù)的控制要求。

(3) 制粉系統(tǒng)正常啟停過程中需滿足設(shè)備說明書工藝要求,不產(chǎn)生危及制粉系統(tǒng)正常運(yùn)行參數(shù)要求與跳閘保護(hù)動作。保證磨煤機(jī)啟停、正常運(yùn)行各工況下出口一次風(fēng)速不低于18 m/s,磨母管一次風(fēng)壓、磨煤機(jī)出口溫度均工作在相應(yīng)范圍內(nèi)。

由圖3可以看出,機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行速率為20 MW/min(2%Pe/min)時(shí),負(fù)荷設(shè)定與實(shí)際負(fù)荷基本重合,表明負(fù)荷變化滿足電網(wǎng)速率與精度要求;主汽壓力與主汽壓力設(shè)定偏差不超過1.5 MPa,表明主蒸汽壓力處于安全運(yùn)行期間所允許的范圍內(nèi);燃料與燃料設(shè)定、實(shí)際煤量與折算煤量趨勢線一致,偏差不超過5%,說明可滿足機(jī)、爐間能量供求的平衡。造成誤差原因主要為:系統(tǒng)響應(yīng)有一定的偏差,檢測信號本身存在精度誤差,折算參數(shù)選擇造成一定的誤差。

3.2 AGC實(shí)驗(yàn)的單磨運(yùn)行情況

圖4為速率為20 MW/min(2%Pe/min)時(shí),800～1 000～800 MW升降負(fù)荷AGC測試單臺磨運(yùn)行情況。

由圖4可以看出,B磨、C磨、D磨、E磨的單臺折算煤量與單臺實(shí)際煤量的變化趨勢相同,折算入爐煤量與實(shí)時(shí)煤量誤差不超過5%,說明各臺磨煤機(jī)均可滿足機(jī)、爐間能量供求的平衡;且保證磨煤機(jī)母管一次風(fēng)壓在8～10 kPa工作范圍、磨煤機(jī)出口一次風(fēng)速不低于18 m/s、磨煤機(jī)出口溫度在65～80 ℃工作范圍。

由圖3和圖4可以看出:AGC實(shí)驗(yàn)時(shí)負(fù)荷變化較小滿足電網(wǎng)速率與精度要求,且主蒸汽壓力處于安全運(yùn)行期間所允許的范圍內(nèi)。采用精確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量折算算法及參數(shù)實(shí)驗(yàn)整定方法,單臺磨煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),可使折算入爐煤量與實(shí)時(shí)給煤機(jī)煤量誤差小于5%;且所有磨煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),總折算入爐煤量與實(shí)時(shí)給煤機(jī)總煤量誤差小于5%。說明該方法可保障正常運(yùn)行及變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)入爐瞬時(shí)煤量折算的精確度,滿足機(jī)組協(xié)調(diào)控制正常投入所需的煤量測量準(zhǔn)確的基本條件,滿足電網(wǎng)調(diào)峰相關(guān)要求,提高了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率,減少了能耗。此外,由于雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)理論上變負(fù)荷速率可達(dá)3%Pe/min,更易實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰。

圖4 AGC實(shí)驗(yàn)時(shí)單臺磨煤機(jī)運(yùn)行情況

4 結(jié) 論

為準(zhǔn)確計(jì)算入爐瞬時(shí)煤量,方便雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)啟停過程中各種工況下的配置,并減少不利因素的影響,同時(shí)準(zhǔn)確表征實(shí)際進(jìn)入爐膛的燃料量,本文采用精確入爐瞬時(shí)煤量折算算法,并以山西盂縣裕光發(fā)電廠2×1 000 MW工程項(xiàng)目為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:

(1) 采用精確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量折算算法,可滿足機(jī)組協(xié)調(diào)控制正常投入所需的基本條件。對于雙進(jìn)雙出磨煤機(jī),更易實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰。

(2) 采用精確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量折算算法,發(fā)現(xiàn)折算入爐煤量與實(shí)時(shí)給煤機(jī)煤量等相關(guān)參數(shù)誤差均小于5%,滿足機(jī)組協(xié)調(diào)控制正常投入所需的煤量測量準(zhǔn)確的基本條件。

(3) 精確計(jì)量入爐瞬時(shí)煤量折算算法對計(jì)算入爐瞬時(shí)煤量有明顯優(yōu)勢,能夠提高整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率、減少能耗,提升了雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的應(yīng)用前景。