孫建國,石家魁,孫殿承,鄭翔宇,胡金偉,萬 杰

(1.北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司達(dá)拉特發(fā)電廠,內(nèi)蒙古 達(dá)拉特 014300;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.黑龍江苑博信息技術(shù)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001;4.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200063)

0 引言

鍋爐常用的濕式刮板撈渣機(jī)除渣系統(tǒng)是火電機(jī)組的重要輔機(jī)設(shè)備系統(tǒng)之一[1]。當(dāng)前，許多大功率火電機(jī)組鍋爐都配備了傳統(tǒng)刮板式撈渣機(jī)(GBL型撈渣機(jī))。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)都朝著生產(chǎn)高度自動(dòng)化和控制高度智能化的方向快速發(fā)展。以國內(nèi)占主流的火電機(jī)組為例，因其需長期維持安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，對撈渣機(jī)等輔助設(shè)備的綜合性能提出了更高要求。然而，目前運(yùn)行的許多300 MW及600 MW火電機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間較早，部分甚至已服役達(dá)20年。其原設(shè)計(jì)配備的撈渣機(jī)的控制策略和運(yùn)行方式已無法很好地滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保需求。因此，需對撈渣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造[2]。

不少文獻(xiàn)針對硬件的故障診斷和升級改造開展相關(guān)研究工作，對撈渣機(jī)鏈條、電機(jī)、刮板以及就地控制箱等設(shè)備進(jìn)行故障排查和技術(shù)改造，解決其經(jīng)常出現(xiàn)的脫掉鏈、斷齒、刮板脫落等故障。此外，還有研究人員針對進(jìn)口撈渣機(jī)刮板驅(qū)動(dòng)裝置故障頻出的實(shí)際問題，直接將其升級改造為國產(chǎn)化設(shè)備[3-4]。文獻(xiàn)[5]通過對轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障的研究，提出了一種結(jié)合變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)樣本熵和混合布谷鳥改進(jìn)的機(jī)械傳動(dòng)電機(jī)軸承故障診斷方法。該方法對撈渣機(jī)類診斷仍然有效。文獻(xiàn)[6]提出以國產(chǎn)渣鏈替代進(jìn)口鏈條，從而降低機(jī)組國外設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。同時(shí)，也有研究人員對撈渣機(jī)運(yùn)行控制方式優(yōu)化改進(jìn)方面開展了探索。如：文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了撈渣機(jī)密封水水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的模糊控制器；文獻(xiàn)[8]改進(jìn)了刮板撈渣機(jī)斷鏈保護(hù)控制系統(tǒng)。

此外，還有針對機(jī)組刮板撈渣機(jī)臺(tái)數(shù)及關(guān)斷門設(shè)置的探討研究。文獻(xiàn)[9]介紹了某發(fā)電廠6號(hào)爐撈渣機(jī)因鏈輪跑偏、軸承磨損導(dǎo)致斷鏈信號(hào)誤發(fā)問題，提出了對斷鏈保護(hù)信號(hào)檢測裝置的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，將主機(jī)控制系統(tǒng)和鍋爐其他輔助控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)不同方式，以滿足不同工況對撈渣機(jī)的需要，從而實(shí)現(xiàn)變工況下的撈渣機(jī)控制。綜上所述，研究關(guān)于提升鍋爐GBL型撈渣機(jī)水位參數(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確性，并提高其整體自動(dòng)化監(jiān)控水平的權(quán)威公開文獻(xiàn)相對較少。

本文提出了一種GBL型水浸式撈渣機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造策略：通過對撈渣機(jī)增加遠(yuǎn)程自控制系統(tǒng)，在提高其自動(dòng)化程度的基礎(chǔ)上，增加其對渣量變化的適應(yīng)性；同時(shí)，對渣水的水位測量方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了爐底水封安全及鍋爐整體密封性。6臺(tái)330 MW機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用效果顯示：該撈渣機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造策略，可同時(shí)顯著提高撈渣機(jī)的自動(dòng)控制性能及安全可靠性。

1 機(jī)組撈渣機(jī)概況及存在問題分析

1.1 機(jī)組撈渣機(jī)概況

本文以北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司達(dá)拉特發(fā)電廠(以下簡稱“達(dá)拉特電廠”)配備的6臺(tái)亞臨界330 MW供熱機(jī)組為研究對象。該機(jī)組由法國阿爾斯通和中國北重生產(chǎn)。該廠分三期建設(shè)：一期2臺(tái)機(jī)組分別于1995年和1996年投產(chǎn)；二期2臺(tái)機(jī)組分別于1998年、1999年投產(chǎn)；三期2臺(tái)機(jī)組分別于2004投產(chǎn)。一、二期4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行壽命已超過20年，三期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行壽命也接近20年。所以，這6臺(tái)機(jī)組鍋爐配備的都是傳統(tǒng)GBL型水浸式刮板撈渣機(jī)，利用圓環(huán)鏈?zhǔn)焦伟鍖?shí)現(xiàn)對鍋爐灰渣的連續(xù)清除。其撈渣機(jī)殼體為雙層矩形截面，上層為水封槽，下層為回鏈槽，放在鍋爐排渣口下面；鍋爐排出的灰渣直接落入水封槽內(nèi)，經(jīng)水淬后落到水封槽底，隨同刮板鏈條沿槽底水平和向上傾斜移動(dòng)，經(jīng)有效脫水后由除渣機(jī)口排出、裝車運(yùn)走。

1.2 撈渣機(jī)存在的問題分析

隨著火電機(jī)組靈活運(yùn)行的需求以及智慧電廠的發(fā)展，對所有關(guān)鍵設(shè)備的綜合性能也提出了更高要求。剛投產(chǎn)不久的機(jī)組鍋爐撈渣機(jī)，在槽體、斜升段、鏈條、軸承等各部分均有針對性的設(shè)計(jì)和考慮,滿足了機(jī)組實(shí)際的高可靠性需求[11]。然而，隨著電網(wǎng)對火電機(jī)組運(yùn)行靈活性要求的不斷提高，許多已運(yùn)行服役十余年、甚至二十余年的鍋爐撈渣機(jī)仍采用原有運(yùn)行控制方式，已無法滿足當(dāng)前安全環(huán)保節(jié)能的實(shí)際生產(chǎn)需求。以達(dá)拉特電廠的6臺(tái)亞臨界330 MW供熱機(jī)組為例，其撈渣機(jī)設(shè)備在自動(dòng)化水平及安全監(jiān)測等方面還存在以下問題。

①撈渣機(jī)鏈條轉(zhuǎn)速控制，缺乏遠(yuǎn)程操作手段。其主要操作由就地控制柜上電位器手動(dòng)控制，通過調(diào)節(jié)電位器，將其電信號(hào)轉(zhuǎn)換為變頻器電壓，實(shí)現(xiàn)對撈渣機(jī)鏈條轉(zhuǎn)速的控制。因此，撈渣機(jī)的轉(zhuǎn)速控制只能由工作人員現(xiàn)場就地控制，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。與此同時(shí)，撈渣機(jī)的轉(zhuǎn)速控制只能由工作人員按照經(jīng)驗(yàn)間斷式調(diào)整，無法保證準(zhǔn)確、有效的控制運(yùn)行。

②撈渣機(jī)渣槽水位檢測由安裝在撈渣機(jī)側(cè)壁的音叉料位計(jì)監(jiān)測，控制電動(dòng)補(bǔ)水門進(jìn)行補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。由于撈渣機(jī)渣水中含有大量灰渣，音叉料位計(jì)經(jīng)常堵塞而不能正常工作，而現(xiàn)場環(huán)境惡劣，給檢修維護(hù)帶來較大困難。

受煤種變化影響，即使在穩(wěn)定工況下，燃燒后灰渣變化仍然較大；爐底密封不嚴(yán)，將導(dǎo)致過量空氣系數(shù)波動(dòng)，不僅增加煤耗，嚴(yán)重時(shí)還將引起風(fēng)機(jī)過電流等故障。爐底水封一旦失去，2 min內(nèi)難以恢復(fù)，將引起滅火、停機(jī)等重大故障；水位監(jiān)測還與電廠的節(jié)水節(jié)能相關(guān)，所以渣水水位監(jiān)視及其重要。現(xiàn)有水位監(jiān)測不便于檢修，就地工作環(huán)境比較復(fù)雜，爐渣、渣水溫度較高，給就地工作帶來安全隱患；與此同時(shí)，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)，將無法支撐遠(yuǎn)程水位調(diào)整操作。因此，撈渣機(jī)需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改造。

2 撈渣機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造策略

針對上述GBL型撈渣機(jī)實(shí)際存在的問題，對控制系統(tǒng)提出了優(yōu)化改造策略。首先，針對性地設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，以確保撈渣機(jī)的運(yùn)行適應(yīng)機(jī)組渣量變化。同時(shí)，為了提高撈渣機(jī)水位監(jiān)測的準(zhǔn)確性、降低維護(hù)運(yùn)行的工作量，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套連通式液位檢測裝置。最后，撈渣機(jī)設(shè)備的就地操原始控制模式被遠(yuǎn)程監(jiān)視及操作所替代，設(shè)備自動(dòng)化水平得到提高。該策略在保障撈渣機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.1 撈渣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)撈渣機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測控制，所設(shè)計(jì)的裝置主要包括轉(zhuǎn)速檢測裝置、變頻測量裝置以及信號(hào)傳輸裝置。其功能的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，將轉(zhuǎn)速測量裝置安裝在撈渣機(jī)鏈條上，實(shí)時(shí)獲取其轉(zhuǎn)速線號(hào)，并通過信號(hào)傳輸，把轉(zhuǎn)速信號(hào)遠(yuǎn)傳至分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)對撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。然后，為檢測撈渣機(jī)的電流信號(hào)，在主動(dòng)輪電機(jī)控制處安裝變頻器電流測量裝置，并把信號(hào)遠(yuǎn)傳至DCS機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)對撈渣機(jī)變頻器電流信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。最后，為實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，對撈渣機(jī)電位器進(jìn)行改造，由DCS機(jī)柜輸出電壓信號(hào)，輸入電位器，轉(zhuǎn)換為撈渣機(jī)變頻器的電流信號(hào)，并在DCS軟件中設(shè)計(jì)比例控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對撈渣機(jī)鏈條轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)程控制。為實(shí)現(xiàn)撈渣機(jī)堵轉(zhuǎn)的自動(dòng)啟停，本文提出將堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號(hào)加入DCS中。GBL 型撈渣機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制方法設(shè)計(jì)策略如圖1所示。

圖1 GBL 型撈渣機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制方法設(shè)計(jì)策略

函數(shù)f(x)的取值通過試驗(yàn)獲得。在穩(wěn)定機(jī)組工況下，手動(dòng)調(diào)節(jié)撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速，使每板的刮渣量一致，即撈渣量與落渣量一致。記錄此時(shí)撈渣機(jī)變頻器電流為x、撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速為y。在機(jī)組不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)，獲得一系列的撈渣機(jī)變頻器電流[x1，x2，…,xn]及其對應(yīng)的撈渣機(jī)轉(zhuǎn)速[y1，y2，…,yn]，以及[x1，x2，…,xn]至[2y1，2y2，…,2yn]的映射關(guān)系，即函數(shù)f(x)。

2.2 撈渣機(jī)水位測量方法設(shè)計(jì)

撈渣機(jī)水位控制關(guān)系到機(jī)組的水耗和能耗[11-12]。為了進(jìn)一步改善撈渣機(jī)的控制精確性，針對現(xiàn)有水位測量系統(tǒng)經(jīng)常堵塞無法正常工作，以及檢修工作危險(xiǎn)性大的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的水位測量系統(tǒng)。新型水位測量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 新型水位測量系統(tǒng)原理示意圖

在撈渣機(jī)側(cè)壁上安裝取樣管。取樣管上安裝一個(gè)水槽。利用連通器原理，水槽中水位與撈渣機(jī)渣水水位相等。通過在水槽中安裝一個(gè)帶連桿的浮球，連桿與支架連接，水槽中水位的變化反映到連桿端位移的變化，連桿端與位移測量裝置連接。這樣，水槽中水位的變化通過位移測量裝置轉(zhuǎn)化為模擬量，同時(shí)檢修人員作業(yè)時(shí)的安全狀況也大大改善。由此可知，渣水水位=撈渣機(jī)渣水池底部到水槽底部距離(H)+水槽中水位(L)。

渣水中一般含有大量的灰渣，易造成取樣管堵塞。設(shè)計(jì)時(shí)，在取樣管口安裝濾網(wǎng)，同時(shí)在補(bǔ)水管路取一旁路管安裝于取樣管管口，通過定期打開手動(dòng)閥對取樣管和濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗，以防止堵塞。上述工作完成后，把水位模擬量信號(hào)引入DCS或可編程邏輯控制器中實(shí)現(xiàn)水位閉環(huán)控制。根據(jù)實(shí)際情況，在程序中設(shè)置高、低水位，在高、低水位時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)門超遲關(guān)和開，保證了鍋爐運(yùn)行時(shí)爐底水封安全，節(jié)約用水。

3 實(shí)際應(yīng)用及效果分析

對達(dá)拉特電廠6臺(tái)亞臨界330 MW供熱機(jī)組，應(yīng)用了上述撈渣機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造策略。圖3為圖1所述改造策略的DCS控制邏輯實(shí)現(xiàn)。圖3中：實(shí)線為模擬量信號(hào)；虛線為開關(guān)量信息。

圖3 DCS控制邏輯實(shí)現(xiàn)圖

由圖3可知，該設(shè)計(jì)邏輯處理在完成撈渣機(jī)電位器電壓計(jì)算的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了撈渣機(jī)的故障預(yù)警。

長期實(shí)際應(yīng)用效果表明：升級后的撈渣機(jī)可針對不同渣量進(jìn)行遠(yuǎn)程適應(yīng)性調(diào)整，既減少了就地人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了撈渣機(jī)電機(jī)能耗，并進(jìn)一步減少了不必要的巡檢工作、提升了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性；與此同時(shí)，連通式水位計(jì)設(shè)計(jì)具有水位監(jiān)測準(zhǔn)確、便于檢修的特點(diǎn)，降低了鍋爐運(yùn)行故障率、保障了鍋爐安全運(yùn)行。此外，該優(yōu)化改造方案成本低、便于實(shí)施，對同類撈渣機(jī)的升級改造極具借鑒意義。在此基礎(chǔ)上，后期達(dá)拉特電廠還將開展2臺(tái)亞臨界600 MW空冷機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用工作。

4 結(jié)論

針對電廠多臺(tái)火電機(jī)組GBL 型鍋爐撈渣機(jī)存在的實(shí)際問題，本文研究了撈渣機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造策略，得到的結(jié)論如下。

①針對現(xiàn)有撈渣機(jī)存在就地人工監(jiān)視與操作的問題，設(shè)計(jì)了一套撈渣機(jī)遠(yuǎn)程自適應(yīng)操作系統(tǒng)。在提高其自動(dòng)化程度、降低運(yùn)行人員工作量的基礎(chǔ)上，本文研究的策略增加了對渣量變化的適應(yīng)性。

②針對原始渣水的水位測量方法存在的弊端，對水位測量方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，保證了爐底水封的安全性。

③經(jīng)實(shí)際6臺(tái)亞臨界330 MW供熱機(jī)組優(yōu)化改造后的長期運(yùn)行效果顯示：撈渣機(jī)的渣量自動(dòng)調(diào)整水平及撈渣機(jī)的運(yùn)行可靠性都得到顯著提高。

該方案具有成本低、便于實(shí)施的特點(diǎn)，對同類撈渣機(jī)的升級改造極具借鑒意義。