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        完全基于DCS的給煤機煤量計算、標(biāo)定和直接控制研究

        2021-07-23 03:05:30唐龍勝張琴玲
        儀器儀表用戶 2021年7期
        關(guān)鍵詞:給煤機煤量皮帶

        唐龍勝,張琴玲

        (淮浙電力有限責(zé)任公司 鳳臺發(fā)電分公司,安徽 淮南 232131)

        0 引言

        給煤機是電廠運行中的重要控制設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計,目前在國內(nèi)大型火電機組中普遍采用電子稱重式給煤機,一般采用微機、單片機或PLC控制。它帶有比較精確的稱重裝置,可以根據(jù)燃燒的要求實時控制給煤量。但目前傳統(tǒng)的給煤機普遍可靠性不高,故障較多,消缺費時費力,給電廠運行和維護帶來很大困擾。

        針對給煤機可靠性不高的現(xiàn)狀,目前已有一些電廠嘗試采取一些優(yōu)化改造。如取消就地一些硬回路聯(lián)鎖,僅保留就地給煤機的煤量測量和計算功能,而將其它聯(lián)鎖和PID控制納入到DCS中,以減少部分繼電器,達到提高給煤機可靠性的目的[1]。但針對煤量計算和標(biāo)定等核心功能,仍在就地控制器實現(xiàn),沒有從根本上解決問題。本文的研究思路是取消就地給煤機單片機或PLC,將給煤機煤量計算、標(biāo)定、控制等功能完全在DCS上實現(xiàn),并通過DCS直接控制給煤機變頻器,實現(xiàn)煤量的計算和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

        1 傳統(tǒng)給煤機煤量測量、控制方式及存在問題

        1.1 傳統(tǒng)給煤機煤量測量、控制方式

        傳統(tǒng)給煤機測量和控制自成一體,就地電控柜含有變頻驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制器、微處理機控制器、變壓器、繼電器和其他用于給煤機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組件等[2]。控制方式都是在就地通過控制器實現(xiàn),即稱重傳感器信號先送至給煤機控制器或稱重儀表,由控制器算出煤量,再通過4mA~20mA信號送到DCS。DCS輸出的給煤量指令和啟停信號也先要送到控制器,由控制器輸出頻率指令給變頻器,從而控制給煤機轉(zhuǎn)速。另外,其它輸入輸出給煤機運行信號,如反饋、有煤開關(guān)等,均通過就地控制器進行邏輯判斷后,再通過繼電器中轉(zhuǎn)送到DCS。這種控制設(shè)計方式導(dǎo)致中間繼電器、板卡眾多,存在很大隱患。傳統(tǒng)給煤機測量控制原理框圖如圖1所示。

        圖1 傳統(tǒng)給煤機測量、控制原理框圖Fig.1 Measurement and control principle block diagram of traditional coal feeder

        1.2 存在問題

        通過多年實際運行,發(fā)現(xiàn)給煤機故障率非常高。主要由于現(xiàn)場環(huán)境較差,粉塵和振動使得設(shè)備老化、穩(wěn)定性下降,故障逐漸增多,常常因繼電器接點松動、模塊故障等造成給煤機跳閘[3],并且它的計算和控制也完全是個黑匣子,發(fā)生跳閘時,很多情況下故障原因不能清晰判斷,只有不停地更換主板、電源板等嘗試解決。幾年來,經(jīng)過對給煤機缺陷進行疏理統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)存在的主要問題及原因如下:

        1)可靠性不高:給煤機控制柜內(nèi)繼電器、卡件眾多(有電源板、CPU板、頻率轉(zhuǎn)換卡等),由于產(chǎn)品質(zhì)量原因或受煤粉影響,經(jīng)常發(fā)生給煤機跳閘,發(fā)生燃料RB導(dǎo)致機組考核并影響機組煤水比的調(diào)節(jié),給機組運行帶來很大安全隱患。

        2)故障原因難以分析判斷:由于就地控制器記錄有限,在出現(xiàn)故障后難以分析,不能確認(rèn)到底是卡件原因還是接線松動等原因,跳閘原因往往成為“無頭案”,耗時耗力還不能解決問題。

        3)備品備件貴,維護費用高:據(jù)統(tǒng)計,某電廠2019年給煤機累計發(fā)生缺陷95條,每年領(lǐng)用給煤機備品備件費用高達35萬元。

        現(xiàn)以某電廠為例,根據(jù)2019全年給煤機的缺陷分析,列出的主要問題及風(fēng)險指數(shù)見表1。

        表1 傳統(tǒng)給煤機主要問題及風(fēng)險指數(shù)列表Table 1 Main problems and risk index list of traditional coal feeder

        2 給煤機煤量計算、標(biāo)定及控制完全DCS化研究

        針對傳統(tǒng)給煤機的問題,是否可以利用DCS的強大功能,通過取消給煤機就地單片機及相關(guān)卡件,直接將稱重傳感器信號和轉(zhuǎn)速信號送入DCS,由DCS進行給煤量計算,同時在DCS上形成閉環(huán)PID控制。DCS輸出控制信號(包括啟、停和給煤量指令)直接至變頻器,從而調(diào)節(jié)給煤機電機轉(zhuǎn)速,最終達到調(diào)節(jié)給煤量的目的。如果以上思路可以實現(xiàn),那么就完全可以用DCS替代就地給煤機控制器,實現(xiàn)煤量計算和控制。經(jīng)過分析和論證后,認(rèn)為在DCS實現(xiàn)以上功能是完全可行的。本項目實施的主要難點有:

        1)如何在DCS上進行煤量計算。

        2)煤量的標(biāo)定功能如何實現(xiàn)。

        3)DCS如何直接控制變頻器,實現(xiàn)給煤機的啟停和變頻控制。

        2.1 在DCS上實現(xiàn)煤量計算研究

        要在DCS上實現(xiàn)煤量計算,要解決以下3個問題。

        2.1.1 稱重傳感器信號遠(yuǎn)傳問題

        稱重傳感器輸出的是毫伏信號,毫伏信號的大小與重量成線性關(guān)系。由于DCS上沒有能直接接收毫伏信號的卡件,因而將毫伏信號直接遠(yuǎn)傳DCS是不行的。需要通過變送轉(zhuǎn)換設(shè)備將毫伏信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4mA~20mA電流信號,再送至DCS。經(jīng)過大量咨詢和查找,終于發(fā)現(xiàn)了可以將稱重傳感信號完美轉(zhuǎn)換為電流信號的設(shè)備,并且該轉(zhuǎn)換設(shè)備精度高、誤差小。

        2.1.2 給煤率準(zhǔn)確計算的問題

        解決稱重傳感器信號送到DCS后,接下來是如何準(zhǔn)確計算出給煤率,并達到原給煤機的測量精度,對于這個問題,利用以下公式在DCS可以解決。

        式中,Q——給煤率;G1、G2——兩側(cè)稱重傳感器測量值;G0——皮帶毛重;V——皮帶速度;l——托輥之間間距;k——標(biāo)定系數(shù)。

        2.1.3 容積式測量及控制問題

        當(dāng)一側(cè)稱重傳感器異?;騼蓚?cè)稱重傳感器偏差大時,如何轉(zhuǎn)為容積式測量的計算和控制,以保證在給煤機測量系統(tǒng)異常時達到給煤機的平穩(wěn)控制。容積式測量可以有兩種方式:一是可以參照傳統(tǒng)給煤機的容積式測量M=ρV實現(xiàn);二是可以近似取前幾分鐘給煤率的平均值暫時代替,這樣更簡單一些。

        2.2 在DCS上實現(xiàn)標(biāo)定功能研究

        標(biāo)定功能主要是通過砝碼來校正給煤機測量誤差,也就是如何準(zhǔn)確獲取給煤率的修正系數(shù)k和定度系數(shù)。因此,設(shè)計了測皮重、掛碼校驗功能來獲得給煤率的修正系數(shù),設(shè)計了定度功能來獲取電機轉(zhuǎn)速和皮帶速度之間的比值。另外,還設(shè)計了鏈碼校驗功能來模擬實物走煤方式,以驗證計算的煤量是否準(zhǔn)確,DCS標(biāo)定畫面如圖2所示。

        圖2 基于DCS的給煤機標(biāo)定畫面Fig.2 Calibration screen of coal feeder based on DCS

        2.2.1 測皮重(G0)

        是指給煤機皮帶空載時,稱重傳感器所測量的包括皮帶、稱架、稱重托輥等在內(nèi)的自重。在DCS實現(xiàn)時,可以用某一段時間t(為了提高準(zhǔn)確性,t建議在200s以上)單位皮重的累積值再除以t獲得。

        2.2.2 掛碼校驗

        掛碼校驗也在測量了皮重之后,將已知重量的砝碼加到稱重輥上。在DCS實現(xiàn)時,可以用某一段時間t內(nèi)(為了提高準(zhǔn)確性,t建議在200s以上),求出理論上標(biāo)準(zhǔn)砝碼實際的累積值與稱重傳感器實際測量的稱重顯示(G1+G2-G0)累積值的比值,獲得煤量修正系數(shù)k。

        2.2.3 定度系數(shù)計算

        定度的主要功能是計算電機轉(zhuǎn)速與皮帶速度的比值。定度時,是通過測量皮帶上的一個反光紙通過兩個固定點(間距L)所需時間(t2-t1)來完成的。這個參數(shù)要測量多次,以減小誤差。用這個數(shù)據(jù)計算出皮帶速度,建立皮帶速度和電機轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系。給煤機運行時無皮帶打滑現(xiàn)象,因而皮帶速度與電機平均轉(zhuǎn)速的比率是一個常數(shù)N,該比值存儲于DCS中,這樣對于任何電機轉(zhuǎn)速都可計算出皮帶速度。

        2.3 通過DCS實現(xiàn)對就地設(shè)備的直接控制

        2.3.1 給煤機控制

        傳統(tǒng)的給煤機啟、停指令及調(diào)節(jié)均是通過就地給煤機控制器實現(xiàn)的。在取消就地單片機后,需要將DCS啟、停指令及煤量閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制指令,直接送到變頻器進行控制。以給煤機上常見的ABS510變頻器為例,將給煤機啟停指令作為變頻器啟停指令;將轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID輸出指令作為變頻器頻率調(diào)節(jié)指令;將變頻器運行、停止反饋作為給煤機運行、停止反饋。這樣設(shè)計接線之后,回路無任何中間環(huán)節(jié),簡單可靠,并且完全滿足使用要求。

        2.3.2 清掃鏈電機控制

        清掃鏈電機在就地設(shè)有就地和遠(yuǎn)方啟停控制硬回路,其啟停及相關(guān)聯(lián)鎖通過DCS實現(xiàn),實現(xiàn)起來也非常簡單,這里不再贅述。

        2.4 完全基于DCS實現(xiàn)的煤量計算、標(biāo)定及直接控制框圖

        綜合以上煤量計算、標(biāo)定和控制的設(shè)計,得出完全基于DCS設(shè)計的計算、控制原理框圖如圖3所示。根據(jù)此原理,成功在某臺給煤機上進行改造,試運行半年多。在與原給煤機煤量數(shù)值進行跟蹤比對后發(fā)現(xiàn),其精度和穩(wěn)定性完全滿足要求,并達到原給煤機快速、穩(wěn)定控制的要求,新的DCS計算煤量與原給煤機煤量對比如圖4所示,從圖可以看出,新老兩種方式煤量曲線基本完全重合,完全滿足啟、??刂萍熬纫?。

        圖3 完全基于DCS的給煤機煤量計算、標(biāo)定和直接控制框圖Fig.3 Coal calculation, calibration and direct control block diagram of coal feeder based on DCS

        圖4 新舊兩種煤量測量數(shù)值及控制曲線對比Fig.4 Comparison of measurement value and control curve of new and old coal quantity

        3 結(jié)語

        本研究項目完成后,能在DCS完全實現(xiàn)給煤機的煤量測量計算、標(biāo)定和控制功能,控制回路簡單可靠,降低了維護工作量,減少了備品備件費用,運行穩(wěn)定可靠,為以后給煤機控制的發(fā)展提供了一個方向,可供其它電廠借鑒參考。

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