葉祺賢, 陸 梁

(上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗所有限公司, 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)要求火電機組具備深度快速變負(fù)荷能力。但現(xiàn)有的國內(nèi)火電機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,只能配置雙進雙出磨煤機而無法配置中速磨煤機,而且基建成本不再設(shè)計煤粉中間儲倉而采用直吹式制粉系統(tǒng)。因此,對于配置雙進雙出磨煤機且不再配置煤粉中間儲倉制粉系統(tǒng)的火電機組來說,雖能滿足燃燒煤種的要求,但難以準(zhǔn)確計量入爐瞬時煤量,特別是超臨界機組,無法確定水煤比與風(fēng)煤比,在機組變負(fù)荷過程中甚至穩(wěn)定運行中會出現(xiàn)機組分離器出口溫度、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、減排是目前火電機組技術(shù)改造的整體方向,在線準(zhǔn)確測量各機組的經(jīng)濟性,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)濟效益的主要手段。因此,精確控制火電機組的入爐煤量愈發(fā)重要。

國內(nèi)學(xué)者對入爐瞬時煤量精確控制進行了相關(guān)研究。國電衡水電廠[1]將不同機組計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),進行整體設(shè)備布置、工程布線、控制邏輯、計量統(tǒng)計方式及操作顯示設(shè)計,為分爐煤量精確計量提供了設(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量。李健等人[3]提出一種雙進雙出磨煤機入爐煤量軟測量方法,在雙進雙出磨煤機制粉系統(tǒng)上,利用磨煤機煤粉流量與容量風(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流量和累計重量進行實時監(jiān)控,實現(xiàn)了以一臺電子秤來計量多個原煤倉的進煤量。 張小桃等人[5]將磨煤機等效為強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)確計量入爐瞬時煤量,本文提出了一種雙進雙出磨煤機精確計量入爐瞬時煤量算法,并以山西盂縣裕光發(fā)電廠2×1 000 MW工程項目為實例進行實驗,在滿足協(xié)調(diào)變負(fù)荷實驗所要求的條件下,通過自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)實驗驗證計量入爐瞬時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,最常用的是雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)。

圖1為雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng),由磨機筒體、螺旋輸送裝置、密封風(fēng)裝置、混煤箱、分離器等組成。雙進雙出磨煤機具有響應(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[8]。磨煤機有兩個對稱的研磨回路,原煤通過給煤機從料斗卸下進入磨煤機混煤箱內(nèi),經(jīng)過旁路風(fēng)預(yù)干燥后進入螺旋輸送器,在螺旋推進器作用下進入筒體內(nèi)。通過筒體的旋轉(zhuǎn)運動,鋼球會被提升到一定高度,自由拋落過程中對煤進行撞擊和磨擦,直至將煤研磨成煤粉。

圖1 雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)

2 精確入爐瞬時煤量折算算法

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

入爐瞬時給煤量是指雙進雙出磨煤機正常運行時,磨煤機煤位維持不變的情況下給煤機的給煤量。圖2為精確入爐瞬時煤量算法的原理圖。

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,采用實驗辦法得到容量風(fēng)閥門開度折算的煤量。當(dāng)容量風(fēng)小信號無法測量時,取容量風(fēng)閥門開度折算的煤量,綜合運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、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,同時又提高了實際燃料變化的響應(yīng)速度。

(2) 根據(jù)磨煤機不同廠家特點,通過實驗確定旁路風(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)攜粉量計算(本工程實驗證明旁路風(fēng)攜粉)。

(3) 將初始折算煤量與實際給煤機給粉量進行PID閉環(huán)運算,實現(xiàn)動態(tài)迭代校正,得到動態(tài)煤量計算校正系數(shù),再經(jīng)過煤位、一次風(fēng)壓修正后可得到精確的瞬時入爐煤量折算。動態(tài)煤量計算校正系數(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)壓修正后仍與實際入爐煤量存在的偏差,保證瞬時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,同時解決雙進雙出磨煤機啟動過程建立煤位或停磨時清空煤位出力時的煤量計算。

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

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

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

3 算法應(yīng)用實例效果

為了驗證算法的正確性,本文以山西盂縣裕光發(fā)電廠2×1 000 MW工程項目為實例進行實驗。工程鍋爐采用上海鍋爐廠制造的百萬千瓦等級塔式鍋爐;汽輪機為上海汽輪機有限公司設(shè)計制造的超超臨界凝汽式汽輪機;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型雙進雙出磨煤機;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實驗的驗證

圖3為機組負(fù)荷運行速率為20 MW/min(2%Pe/min)時,800～1 000～800 MW升降負(fù)荷AGC實驗結(jié)果。

圖3 AGC實驗結(jié)果

為使實驗?zāi)軌蝽樌M行,測試前做好以下工作。

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

(2) 隨機組運行要求進行制粉系統(tǒng)正常啟停過程中,無需強行規(guī)定運行人員操作方式,加載磨煤機恢復(fù)正常工作煤位或卸載清空磨煤機出力時的各臺磨煤機瞬時入爐煤量折算不影響協(xié)調(diào)變負(fù)荷時主要運行參數(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)正常運行參數(shù)要求與跳閘保護動作。保證磨煤機啟停、正常運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、磨煤機出口溫度均工作在相應(yīng)范圍內(nèi)。

由圖3可以看出,機組負(fù)荷運行速率為20 MW/min(2%Pe/min)時,負(fù)荷設(shè)定與實際負(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行期間所允許的范圍內(nèi);燃料與燃料設(shè)定、實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、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實驗的單磨運行情況

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

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際煤量的變化趨勢相同,折算入爐煤量與實時煤量誤差不超過5%,說明各臺磨煤機均可滿足機、爐間能量供求的平衡;且保證磨煤機母管一次風(fēng)壓在8～10 kPa工作范圍、磨煤機出口一次風(fēng)速不低于18 m/s、磨煤機出口溫度在65～80 ℃工作范圍。

由圖3和圖4可以看出:AGC實驗時負(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行期間所允許的范圍內(nèi)。采用精確計量入爐瞬時煤量折算算法及參數(shù)實驗整定方法,單臺磨煤機穩(wěn)定運行時,可使折算入爐煤量與實時給煤機煤量誤差小于5%;且所有磨煤機穩(wěn)定運行時,總折算入爐煤量與實時給煤機總煤量誤差小于5%。說明該方法可保障正常運行及變負(fù)荷運行時入爐瞬時煤量折算的精確度,滿足機組協(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,提高了整個機組的運行效率,減少了能耗。此外,由于雙進雙出磨煤機理論上變負(fù)荷速率可達3%Pe/min,更易實現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰。

圖4 AGC實驗時單臺磨煤機運行情況

4 結(jié) 論

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

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

(2) 采用精確計量入爐瞬時煤量折算算法,發(fā)現(xiàn)折算入爐煤量與實時給煤機煤量等相關(guān)參數(shù)誤差均小于5%,滿足機組協(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) 精確計量入爐瞬時煤量折算算法對計算入爐瞬時煤量有明顯優(yōu)勢,能夠提高整個機組的運行效率、減少能耗,提升了雙進雙出磨煤機的應(yīng)用前景。