許偉強(qiáng)，劉翔

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)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(yán)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(dāng)電煤漸成定局，雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)對煤種適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)使其在火力發(fā)電廠中將得到更加廣泛的應(yīng)用[1]。然而，配置雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的火電機(jī)組，由于入爐煤計(jì)算不準(zhǔn)確，機(jī)組控制難度較大，而電網(wǎng)對火力發(fā)電機(jī)組的控制精度與快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的要求卻有增無減[2-4]。

某電廠一期工程為2臺(tái)600 MW超臨界燃煤機(jī)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(tuán)有限公司生產(chǎn)的MGS4366型雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，單臺(tái)最大磨煤量為78 t/h；汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N660-24.2/566/566型超臨界、中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組采用高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)，定-滑-定運(yùn)行方式?？刂葡到y(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(jì)算方法及存在的問題

雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)擁有一個(gè)龐大的筒體，該筒體既充當(dāng)磨制煤粉的空間，又充當(dāng)煤粉的存儲(chǔ)空間，實(shí)際運(yùn)行中，給煤機(jī)的給煤量與進(jìn)入爐膛的煤量并無一一對應(yīng)關(guān)系，特別是磨煤機(jī)啟停過程中，出粉量與給煤量難以找到靜態(tài)或動(dòng)態(tài)關(guān)系。在大型超超臨界機(jī)組中，入爐煤量是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一個(gè)重要參數(shù)，但進(jìn)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(jì)算方式主要存在以下問題。

1.1 計(jì)算不準(zhǔn)確

入爐煤量無法準(zhǔn)確計(jì)量，通過容量風(fēng)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(jī)組升降負(fù)荷時(shí)。

1.2 關(guān)系參數(shù)不全面

目前，主要用容量風(fēng)量或容量風(fēng)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(chǔ)粉的情況對風(fēng)攜帶煤粉能力的影響，后者未考慮一次風(fēng)壓、煤粉儲(chǔ)存情況對容量風(fēng)攜粉能力的影響。

1.3 啟、停磨煤機(jī)過程中存在較大偏差

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

1.4 影響機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)

在機(jī)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(shè)定值，又作為給水流量設(shè)定值的重要參數(shù)，易出現(xiàn)水煤比失調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)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(jìn)雙出磨煤機(jī)構(gòu)成的制粉系統(tǒng)比直吹式磨煤機(jī)對應(yīng)的制粉系統(tǒng)復(fù)雜得多，表現(xiàn)在輔助設(shè)備多、被控參數(shù)多、對象的動(dòng)態(tài)特性更為復(fù)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(shè)備參數(shù)之間強(qiáng)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(qiáng)相關(guān)。

表2 容量風(fēng)擋板開度與入爐煤量關(guān)系

圖1 雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)工藝流程

配置雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的火電機(jī)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(fēng)A/B擋板開度、旁路風(fēng)A/B擋板開度、磨煤機(jī)A/B側(cè)料位、一次風(fēng)壓和分離器轉(zhuǎn)速等。在分析運(yùn)行機(jī)理和大量現(xiàn)場試驗(yàn)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(fēng)擋板開度

從表1可以看出，入爐煤量同容量風(fēng)擋板開度之間存在強(qiáng)相關(guān)性，若磨煤機(jī)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(fēng)擋板開度對應(yīng)表2中的理論值，入爐煤量與容量風(fēng)擋板開度(0～60%)呈線性關(guān)系。大量現(xiàn)場試驗(yàn)表明，入爐煤量與容量風(fēng)擋板開度的關(guān)系對應(yīng)表2中的修正值，容量風(fēng)擋板開度為20%～45%時(shí)，因擋板風(fēng)量特性的原因，容量風(fēng)擋板開度對應(yīng)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(fēng)擋板開度之間的函數(shù)關(guān)系較為準(zhǔn)確，但因磨煤機(jī)型號不同，磨煤機(jī)安裝存在差異，不同磨煤機(jī)對應(yīng)的關(guān)系略有差異，以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.2 磨煤機(jī)料位

從表1可以看出，入爐煤量與磨煤機(jī)筒體中的料位之間存在較強(qiáng)相關(guān)性，所以，入爐煤量計(jì)算須用料位對其進(jìn)行修正。磨煤機(jī)運(yùn)行過程中，料位代表磨筒體中的存粉量或風(fēng)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(yīng)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(fēng)煤比修正劃分 4 個(gè)區(qū)域。

(1)磨煤機(jī)在正常料位運(yùn)行區(qū)(壓力差為650 Pa左右)附近較寬的范圍內(nèi)，容量風(fēng)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(jī)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(dāng)磨煤機(jī)在高料位區(qū)時(shí)(壓力差為800～1 000 Pa)，也近似認(rèn)為是線性關(guān)系，修正系數(shù)為1.1～1.2。

(4)當(dāng)料位繼續(xù)升高時(shí)(壓力差>1 000 Pa)，磨煤機(jī)運(yùn)行進(jìn)入堵磨區(qū)，風(fēng)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(yùn)行時(shí)應(yīng)極力避免在此區(qū)域停留。

2.3 磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓

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

3 改進(jìn)型計(jì)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(fēng)開度、料位和一次風(fēng)壓，入爐煤量計(jì)算邏輯如圖2所示，通過大量試驗(yàn)得到主要參數(shù)關(guān)系函數(shù)(主要采用容量風(fēng)擋板開度折算，用一次風(fēng)壓和磨煤機(jī)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(fēng)擋板開度函數(shù)；f3(x)為一次風(fēng)壓修正系數(shù)；xA1為A側(cè)容量風(fēng)擋板開度；xA2為A側(cè)料位；xB1為B側(cè)容量風(fēng)擋板開度；xB2為B側(cè)料位。

圖2 入爐煤量計(jì)算邏輯

圖2表述的計(jì)算邏輯，其計(jì)算結(jié)果在磨煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí)較為準(zhǔn)確。但料位測量采用微差壓測量裝置，實(shí)際運(yùn)行時(shí)料位波動(dòng)較大，特別是磨煤機(jī)啟停過程中，無法真實(shí)反映料位的真實(shí)情況，因此圖2表述的計(jì)算方法不能適應(yīng)實(shí)際磨煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對入爐煤量的計(jì)算必須進(jìn)行深入的分析與分解，劃分磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通常，磨煤機(jī)包括暖磨、建立料位、正常料位運(yùn)行、停運(yùn)吹空、停運(yùn)以及跳閘后重新啟動(dòng)等6個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，將運(yùn)行狀態(tài)融入計(jì)算公式，將大大提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

3.1 暖磨階段(無存粉啟動(dòng))

當(dāng)磨煤機(jī)運(yùn)行但給煤機(jī)未運(yùn)行時(shí)，容量風(fēng)門與冷熱風(fēng)門在通風(fēng)暖磨，磨煤機(jī)準(zhǔn)備投入運(yùn)行，此時(shí)雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)處于暖磨過程中，容量風(fēng)門有一定的開度，磨煤機(jī)的風(fēng)粉空間將會(huì)有一定的容量風(fēng)通過，但由于磨煤機(jī)還未進(jìn)入正式制粉階段，所以容量風(fēng)未攜帶煤粉，進(jìn)入爐膛的煤粉量為0。

3.2 建立料位

磨煤機(jī)暖磨結(jié)束后，運(yùn)行人員一般會(huì)開啟第1臺(tái)給煤機(jī)，磨煤機(jī)進(jìn)入料位建立階段，磨煤機(jī)建立料位開始的標(biāo)志是：磨煤機(jī)運(yùn)行，并且任意給煤機(jī)剛運(yùn)行的10～20 min內(nèi)，開始有煤進(jìn)入磨煤機(jī)磨筒內(nèi)[2]。在此過程中，容量風(fēng)、給煤量的大小對入爐煤量的計(jì)算均有影響，但這種關(guān)系較為復(fù)雜，隨著磨筒內(nèi)料位的升高，可以用公式(1)近似計(jì)算入爐煤量。

3.3 未吹空啟動(dòng)(有存粉啟動(dòng))

當(dāng)磨煤機(jī)故障跳閘或停止時(shí)未吹空存粉時(shí)，磨筒中會(huì)積存大量的粉量，下一次啟動(dòng)該磨煤機(jī)時(shí)，即使不啟動(dòng)給煤機(jī)，只要有容量風(fēng)通入，磨煤就會(huì)運(yùn)行，容量風(fēng)將攜帶存粉直接進(jìn)入爐膛，這種運(yùn)行狀態(tài)越過了料位建立這一環(huán)節(jié)。即使給煤機(jī)未運(yùn)行，相應(yīng)的入爐煤量計(jì)算同正常料位運(yùn)行時(shí)類似。

3.4 磨煤機(jī)正常料位運(yùn)行

按公式(1)計(jì)算入爐煤量。

3.5 磨煤機(jī)停運(yùn)吹空過程

當(dāng)磨煤機(jī)需要退出制粉系統(tǒng)時(shí)，首先停止給煤機(jī)，但容量風(fēng)門還需保持適當(dāng)?shù)拈_度，仍然通過一次風(fēng)將磨煤機(jī)中的存粉吹入爐膛，以達(dá)到吹空磨煤機(jī)粉筒的作用，這便是與中速磨煤機(jī)運(yùn)行最大的區(qū)別之一。該過程料位會(huì)漸漸下降，相應(yīng)容量風(fēng)攜帶粉量的能力下降。當(dāng)下降到一定程度(壓力差<150 Pa)，可以認(rèn)為磨煤機(jī)內(nèi)存粉幾乎被吹空，煤量計(jì)算時(shí)可以緩慢將該磨煤機(jī)出力切至0。

3.6 磨煤機(jī)跳閘

磨煤機(jī)跳閘后，所有磨煤機(jī)的出口門迅速關(guān)閉，進(jìn)入爐膛的風(fēng)粉路徑迅速截?cái)啵梢杂靡粋€(gè)慣性時(shí)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(shí)間主要同煤粉管和一次風(fēng)壓有關(guān)，一般為2～5 s，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)可以忽略。

綜合以上磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，入爐煤量計(jì)算如圖3表述(以A磨煤機(jī)為例)，綜合的計(jì)算結(jié)果設(shè)置合理的速率變化功能，防止工況發(fā)生變化時(shí)，入爐煤量計(jì)算突變，對煤量控制擾動(dòng)太大，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

4 控制效果分析

將改進(jìn)后的入爐煤量計(jì)算方法應(yīng)用于實(shí)際工程，通過分析大量試驗(yàn)結(jié)果，得到計(jì)算方法中主要參數(shù)關(guān)系函數(shù)(主要有容量風(fēng)擋板開度函數(shù)，一次風(fēng)壓修正函數(shù)和磨煤機(jī)料位修正函數(shù))，計(jì)算準(zhǔn)確度及應(yīng)用效果如下。

圖3 改進(jìn)型入爐煤量近似計(jì)算方法邏輯

4.1 計(jì)算準(zhǔn)確度分析

與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，新的計(jì)算方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)融合相關(guān)因素，計(jì)算更準(zhǔn)確；(2)考慮多種工況，計(jì)算更貼近實(shí)際，工況發(fā)生變化時(shí)擾動(dòng)量小。

4.2 機(jī)組整體控制效果

提高入爐煤量計(jì)算的準(zhǔn)確性，使機(jī)組控制效果明顯提升，不僅提升了變負(fù)荷速率，也提高了負(fù)荷響應(yīng)能力，經(jīng)過自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)考核試驗(yàn)，各項(xiàng)控制指標(biāo)良好。

(1)AGC模式下，機(jī)組負(fù)荷從350 MW升至600 MW，機(jī)組主要參數(shù)平穩(wěn)變化，負(fù)荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應(yīng)時(shí)間<30 s，實(shí)際變化率9.0 MW/min)，如圖4所示。

圖4 升負(fù)荷時(shí)主要參數(shù)趨勢

(2)AGC模式下，機(jī)組負(fù)荷從600 MW降至330 MW，機(jī)組主要參數(shù)平穩(wěn)變化，負(fù)荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應(yīng)時(shí)間<30 s，實(shí)際變化率9.2 MW/min)，如圖5所示。

圖5 降負(fù)荷時(shí)主要參數(shù)趨勢

提高入爐煤計(jì)算準(zhǔn)確性，也使相關(guān)的過程參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)提高，機(jī)組的操控性增強(qiáng)，提高了機(jī)組的安全運(yùn)行特性；同時(shí)，過程參數(shù)可以控制在設(shè)計(jì)值附近，有效保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

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