火電廠直吹式煤粉爐磨煤機(jī)一次風(fēng)量測量及自動控制的優(yōu)化

王旭波， 李廣紅， 王 巍

(1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，陜西 西安 710014;2.陜西煤礦安全裝備檢測中心檢測一科，陜西 西安 710001;3.大唐戶縣第二發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)部，陜西 西安 710302)

0 引言

直吹式煤粉鍋爐發(fā)電廠磨煤機(jī)一次風(fēng)量測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，磨煤機(jī)一次風(fēng)量自動控制系統(tǒng)不能正常投入，是長期以來困擾電力企業(yè)的難題。如何準(zhǔn)確測量火力發(fā)電廠磨煤機(jī)的一次風(fēng)量，提高鍋爐的自動調(diào)節(jié)水平、負(fù)荷響應(yīng)速度和燃燒效率，是技術(shù)人員的重點(diǎn)研究課題。本文針對某發(fā)電廠2臺300MW機(jī)組磨煤機(jī)一次風(fēng)量自動測量控制系統(tǒng)在測量裝置、自動控制方案和參數(shù)等方面存在的問題，進(jìn)行有針對性地改造，以使一次風(fēng)量自動控制系統(tǒng)順利投入使用。

1 系統(tǒng)簡介

某電廠裝機(jī)為2×300MW機(jī)組，鍋爐是哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、單爐膛、四角切圓燃燒、自然循環(huán)汽包爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1025 t/h。制粉系統(tǒng)形式為中速正壓一次風(fēng)直吹式，每臺爐配五臺磨煤機(jī)，設(shè)計工況下為四臺運(yùn)行、一臺備用。磨煤機(jī)為北京電力設(shè)備廠生產(chǎn)的ZGM95K5型直吹式中速磨，設(shè)計最大輸出45 t/h。DCS系統(tǒng)采用新華XDPS 6.0控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計為冷、熱風(fēng)管路風(fēng)混合后進(jìn)入磨煤機(jī)，采用熱風(fēng)調(diào)節(jié)門調(diào)整一次風(fēng)量，冷風(fēng)調(diào)節(jié)門調(diào)整磨煤出口風(fēng)粉混合物溫度。改造前一次風(fēng)量采用超力巴測量裝置。

2 一次風(fēng)量測量裝置的選型

2.1 一次風(fēng)量測量裝置工作原理

通過調(diào)研，目前國內(nèi)火電廠對含粉塵較大的風(fēng)量測量裝置使用有兩大類型，一種是差壓式流量計、另一種是熱式質(zhì)量流量計。差壓式流量計測量原理以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。另外一種熱式質(zhì)量流量計是利用傳熱原理，即根據(jù)流動中的流體與熱源(流體中加熱的物體或測量管外加熱體)之間熱量交換關(guān)系來測量流量的儀表。差壓式流量計主要有機(jī)翼型、各種巴類、文丘里式，目前這一技術(shù)已被國內(nèi)許多廠家研發(fā)生產(chǎn)，而熱式質(zhì)量流量計還主要依賴從美國和德國進(jìn)口。

2.2 該廠原采用的超力巴測量裝置出現(xiàn)的問題分析

該廠原一次風(fēng)量測量使用的超力巴裝置(如圖1)，作為插入式差壓測量裝置的一種，它在測量一次風(fēng)量方面存在固有缺陷。

圖1 超力巴測量裝置安裝示意圖

從安裝示意圖上不難分析出原一次風(fēng)量測量裝置測量不準(zhǔn)確和堵塞的原因。其一，當(dāng)一次風(fēng)壓或風(fēng)門開度變化時，由于一次風(fēng)量測量裝置安裝位置直管段距離較短(受現(xiàn)場布局所限)，造成流場不均勻而產(chǎn)生的測量誤差和波動。其二，這種裝置取壓口較小，在一次風(fēng)量含粉塵較多的測量環(huán)境下，勢必出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，需要頻繁吹掃與清理。

通過對火電廠原采用的一次風(fēng)量測量裝置的缺陷分析，得出結(jié)論:要解決以上問題，就必須尋找一種能滿足不因測量介質(zhì)溫度、壓力和流場變化而引起測量偏差和波動的測量裝置，這種測量裝置要滿足在流速較大和粉塵較大的環(huán)境下具有耐磨和不變形的特性;由于測量裝置安裝在風(fēng)管內(nèi)，還要滿足測量裝置體積小、壓損低、風(fēng)管不產(chǎn)生較大的風(fēng)阻的要求;滿足粉塵較大時測量孔不堵塞的諸多要求。

2.3 新型翼型文丘里組合風(fēng)量測量裝置的特點(diǎn)

通過對該廠原采用的一次風(fēng)量測量裝置的分析，通過調(diào)研，最終選擇了一種帶自清掃功能的新型翼型文丘里組合風(fēng)量測量裝置(見圖2)，此裝置的特點(diǎn)如下:

(1)采用組合安裝，減少流場影響。采用兩組雙文丘里管的布置方式，以滿足流場特性。

(2)防堵特性。其結(jié)構(gòu)特性決定該風(fēng)量測量裝置本身具有利用流體動能進(jìn)行自清灰防堵塞的功能，同時在測量裝置測量室內(nèi)安裝有震動旋鐵，利用一次風(fēng)自身風(fēng)量、風(fēng)壓波動來帶動旋鐵進(jìn)行清掃，使裝置測量室內(nèi)不會積灰。

(3)耐磨特性。裝置材質(zhì)為不銹鋼，表面剖光處理，且正向流體面積小，不易磨損。

(4)該裝置由文丘里管改進(jìn)，保持經(jīng)典文丘里管的特點(diǎn)，壓損小，對直管段要求小，且差壓放大倍數(shù)較大、測量精度高。

(5)該裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，成本造價低，可以在磨煤機(jī)停止運(yùn)行或檢修中改造安裝，適宜于改造工作的進(jìn)行。

圖2 翼型文丘里組合風(fēng)量測量裝置原理圖

某電廠采用的這一新型翼型文丘里組合風(fēng)量測量裝置的風(fēng)量測量差壓換算流量數(shù)學(xué)模型和原文丘里原理相同，在此不做說明。

3 自動調(diào)節(jié)存在問題分析及解決辦法

3.1 自動調(diào)節(jié)方案及控制參數(shù)存在的問題

在風(fēng)量測量裝置改造完成后，將風(fēng)量控制及磨煤機(jī)溫度投入自動方式，但調(diào)節(jié)效果不理想。通過對調(diào)節(jié)曲線及控制邏輯的分析判斷，發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾方面的問題:

(1)在煤量穩(wěn)定時，文丘里管測量裝置所測風(fēng)量差壓信號有微小的瞬間波動(屬正常情況)，通過邏輯計算為風(fēng)量信號后就產(chǎn)生風(fēng)量信號的波動，這種信號的微小波動因PID比例的作用導(dǎo)致熱風(fēng)調(diào)節(jié)門頻繁振蕩動作，引起調(diào)節(jié)系統(tǒng)的振蕩。

(2)磨煤機(jī)一次風(fēng)量自動控制方案中，風(fēng)量設(shè)定值是根據(jù)給煤機(jī)給煤量指令對應(yīng)的風(fēng)量(風(fēng)煤比)設(shè)定的。在實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)組為直吹式給粉，給煤量是通過調(diào)節(jié)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的，而給煤機(jī)系統(tǒng)的滯后時間較大，造成這種設(shè)計往往無法滿足鍋爐快速響應(yīng)負(fù)荷大幅變化的要求。

(3)一次風(fēng)機(jī)母管壓力由兩臺一次風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板控制，原設(shè)計一次風(fēng)機(jī)母管壓力的設(shè)定值由運(yùn)行人員手動設(shè)定。這就存在當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時各臺磨煤機(jī)一次風(fēng)量需要增加，熱風(fēng)調(diào)節(jié)門擋板調(diào)節(jié)變大，引起一次風(fēng)機(jī)母管壓力降低，母管壓力的降低嚴(yán)重制約了一次風(fēng)量的增大。

(4)原設(shè)計中冷熱風(fēng)門有互相聯(lián)動功能，當(dāng)磨煤機(jī)混合風(fēng)溫變化后冷風(fēng)門動作，聯(lián)動熱風(fēng)門，影響到一次風(fēng)量，當(dāng)一次風(fēng)量波動時又影響到風(fēng)溫，這樣就進(jìn)入死循環(huán)，產(chǎn)生耦合現(xiàn)象。

(5)通過對一次風(fēng)量測量裝置的風(fēng)量、磨煤機(jī)風(fēng)粉混合風(fēng)溫及冷熱風(fēng)門動作的曲線分析，發(fā)現(xiàn)控制邏輯中PID控制參數(shù)不合理，需要重新整定。

3.2 自動調(diào)節(jié)方案及控制參數(shù)的優(yōu)化

針對以上出現(xiàn)的問題，經(jīng)過查閱資料，集體探討，對一次風(fēng)量自動調(diào)節(jié)方案進(jìn)行了以下修改:

3.2.1 一次風(fēng)量信號的處理

針對文丘里管測量裝置所測風(fēng)量差壓信號有波動的問題，對風(fēng)量計算補(bǔ)償之后，在進(jìn)入自動調(diào)節(jié)的信號中加入了一個八次濾波功能塊，大大改善了風(fēng)量瞬間抖動而導(dǎo)致熱風(fēng)擋板門振蕩的現(xiàn)象。其次，為了防止風(fēng)量測量裝置堵塞或其它原因造成的風(fēng)量信號的階躍性變化，造成熱風(fēng)門的超馳動作，引起風(fēng)量控制系統(tǒng)的振蕩，對風(fēng)量信號加入了風(fēng)量信號階躍性變化時的自保持功能，當(dāng)調(diào)節(jié)完成達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)會將調(diào)節(jié)好的風(fēng)量信號反饋給處理單元，如果沒有，則繼續(xù)進(jìn)入信號濾波裝置，直到消除抖動，達(dá)到或接近理想值時，此循環(huán)結(jié)束。邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 文丘里管測量裝置的信號處理單元邏輯示意圖

在圖3中，DEV是減法器，所測的風(fēng)量差壓信號經(jīng)過減法器的差值比較有兩種結(jié)果:≤－3或＞3。上述結(jié)果求或，得到的結(jié)果進(jìn)入處理單元，否則，繼續(xù)進(jìn)行信號濾波處理。

3.2.2 對風(fēng)量設(shè)定值的改進(jìn)

為了達(dá)到通過改變風(fēng)量而改變磨煤機(jī)給煤量的目的，在控制方案中設(shè)計了煤量指令的微分前饋，在煤量變化初期，風(fēng)量設(shè)定值由風(fēng)煤比對應(yīng)的風(fēng)量值和煤量微分對應(yīng)的風(fēng)量值共同形成，使其風(fēng)量超馳量的動作，充分利用一次風(fēng)量的變化將磨煤機(jī)內(nèi)的剩粉帶入爐膛或滯留在磨煤機(jī)中，加快鍋爐的熱負(fù)荷變化，提高機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷變化的能力。在磨煤機(jī)給煤量變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，風(fēng)量設(shè)定值由單一的風(fēng)煤比形成。

這種方案的改進(jìn)，在后邊幾次試驗中，顯示出不僅大大改善了磨煤機(jī)一次風(fēng)量快速響應(yīng)的要求，而且在磨煤機(jī)給煤量增加時增加風(fēng)量，提高了主汽壓力的響應(yīng)速度，減少了磨煤機(jī)堵煤而引起的磨煤機(jī)電流突增的現(xiàn)象。圖4為風(fēng)量設(shè)定值的改進(jìn)邏輯示意圖。

圖4 風(fēng)量設(shè)定值的改進(jìn)邏輯示意圖

3.2.3 冷、熱風(fēng)調(diào)節(jié)門聯(lián)動的改進(jìn)

針對冷、熱風(fēng)調(diào)節(jié)門聯(lián)動耦合現(xiàn)象，現(xiàn)場冷風(fēng)管道比較細(xì)(大概是熱風(fēng)管道的三分之一)，對風(fēng)量影響不大，而系統(tǒng)運(yùn)行對磨煤機(jī)出口溫度波動范圍要求不高等實際情況，決定取消冷熱風(fēng)門聯(lián)鎖互動的邏輯，單獨(dú)設(shè)計為冷風(fēng)門調(diào)節(jié)溫度，熱風(fēng)門調(diào)節(jié)一次風(fēng)量。改進(jìn)后，消除了耦合現(xiàn)象，使得磨煤機(jī)溫度和一次風(fēng)量都能在正常范圍內(nèi)工作。

3.2.4 改進(jìn)一次風(fēng)機(jī)母管壓力的控制方案。

在一次風(fēng)母管壓力控制方案中，通過改進(jìn)，一次風(fēng)機(jī)母管壓力設(shè)定值由鍋爐指令來形成，當(dāng)鍋爐指令變化后需要各臺磨煤機(jī)一次風(fēng)量變化時，同時通過熱風(fēng)門動作和一次風(fēng)機(jī)母管壓力的改變共同作用，調(diào)節(jié)實現(xiàn)一次風(fēng)量的需求。為了提高一次風(fēng)母管壓力的響應(yīng)速度和防止磨煤機(jī)堵煤，對風(fēng)壓信號進(jìn)行微分和取大值，就實現(xiàn)了先超調(diào)量的加風(fēng)后加煤和正常降低風(fēng)壓的目的。圖5所示為一次風(fēng)機(jī)母管壓力調(diào)節(jié)邏輯圖。

圖5 一次風(fēng)機(jī)母管壓力調(diào)節(jié)邏輯圖

試驗證明，加入了一次風(fēng)機(jī)母管壓力調(diào)節(jié)，使得一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度更快。

3.2.5 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

該發(fā)電廠的磨煤機(jī)一次風(fēng)量控制、出口溫度控制、一次風(fēng)機(jī)母管壓力控制的PID參數(shù)是安裝調(diào)試階段整定的。鑒于目前投入了AGC控制后，網(wǎng)調(diào)升降負(fù)荷變化速率快且頻繁，要求我們的響應(yīng)速度同樣要快速、準(zhǔn)確。加之現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)長時間運(yùn)行后，特性發(fā)生了改變等諸多因素，我們根據(jù)被控對象的特性，優(yōu)化了個控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)。一次風(fēng)量和一次風(fēng)機(jī)母管壓力的的變化響應(yīng)速度快、慣性小，所以減小了積分時間，加強(qiáng)了積分的作用，為了防止過調(diào)引起的振蕩，減小了比例作用。磨煤機(jī)出口溫度允許的變化范圍較大(70～90℃)，可以慢慢調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定一次風(fēng)量。又由于溫度慣性較大，所以加大了調(diào)節(jié)的比例系數(shù)，增大積分時間，減弱積分強(qiáng)度，增加微分作用。

4 改造后的裝置使用效果

4.1 一次風(fēng)量測量裝置的使用效果

通過測量裝置更換，新型翼型文丘里組合風(fēng)量測量裝置使用7個月以來，沒有發(fā)生過一次堵塞現(xiàn)象，熱控人員也不需要對裝置定期吹掃。利用組合安裝減少流場影響，即采用兩組雙文丘里管的布置方式，以滿足流場特性，解決了測量不準(zhǔn)的問題。

4.2 一次風(fēng)量自動調(diào)節(jié)效果

圖6所示為改造后的裝置一次風(fēng)量自動調(diào)節(jié)效果曲線。

圖6 一次風(fēng)量自動調(diào)節(jié)效果圖

磨煤機(jī)風(fēng)量和溫度自動調(diào)節(jié)裝置全部投入使用以來，從每臺磨煤機(jī)的不同負(fù)荷段的調(diào)節(jié)情況來看，完全滿足了AGC方式下煤量大范圍波動對風(fēng)量和溫度的要求，從而大大減少了運(yùn)行人員的操作量，提高了調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度。目前，磨煤機(jī)風(fēng)量動態(tài)偏差不大于3 m3/s，靜態(tài)時風(fēng)量偏差不大于1 m3/s，動態(tài)時磨煤機(jī)溫度偏差不大于5℃，穩(wěn)態(tài)時溫度偏差不大于2℃，過渡過程衰減率和穩(wěn)定時間指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良。

4.3 系統(tǒng)工況的改善

圖7所示為優(yōu)化后的系統(tǒng)工況改善效果曲線。

圖7 優(yōu)化后的系統(tǒng)工況改善情況

在風(fēng)量自動優(yōu)化后，負(fù)荷響應(yīng)速度大大改善，在給定負(fù)荷變化率3%，負(fù)荷變化幅度15%的擾動試驗下，機(jī)組實發(fā)功率的延時時間約為90 s，機(jī)組實發(fā)功率變化率約為2.5%，一級過熱蒸汽溫度最大波動10℃，主汽溫最大波動6℃，主汽壓力最大波動0.5 MPa。

5 調(diào)試中出現(xiàn)的新問題及解決辦法

5.1 存在的問題

在改造完成后的實際運(yùn)行中，有個別磨煤機(jī)在與其它多數(shù)磨煤機(jī)同工況運(yùn)行時測量風(fēng)量略小，技術(shù)人員對儀表管路進(jìn)行了檢查并對變送器進(jìn)行了校驗判斷，初步認(rèn)為是風(fēng)道流體特性存在個別差異，應(yīng)進(jìn)行重新標(biāo)定，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。但是按廠家要求，調(diào)試標(biāo)定必須在機(jī)組冷態(tài)的條件進(jìn)行標(biāo)定，若按照同種方法標(biāo)定必須等到下個檢修周期，系統(tǒng)停止運(yùn)行時才可以實施。在風(fēng)量自動控制方式下，由于煤量和風(fēng)量隨著負(fù)荷的變化，造成過熱汽溫的波動，以前的過熱汽溫自動控制參數(shù)滿足不了這種工況下的調(diào)節(jié)要求，在負(fù)荷大范圍變化時有時有超溫的現(xiàn)象出現(xiàn)。

5.2 解決方法

(1)針對個別風(fēng)量偏小的問題，技術(shù)人員在磨煤機(jī)出口對每臺磨正常運(yùn)行時的風(fēng)速以及風(fēng)量進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 磨煤機(jī)出口處的風(fēng)速和風(fēng)量檢測數(shù)據(jù)

表1中的數(shù)據(jù)與圖4、圖5為同一臺磨煤機(jī)的測量結(jié)果。由于測量在設(shè)備正常運(yùn)行工況下進(jìn)行，測量點(diǎn)在磨煤機(jī)出口管道，測量點(diǎn)風(fēng)量為一次風(fēng)量與磨煤機(jī)密封風(fēng)量的總和，經(jīng)過計算減去密封風(fēng)量以后的風(fēng)量值與DCS顯示的改進(jìn)型雙文丘里管風(fēng)量測量值基本一致。通過檢測，技術(shù)人員在熱態(tài)狀況下的風(fēng)量測量標(biāo)定值得以實現(xiàn)，為略微偏小的測量值進(jìn)行修正提供了參考數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了一次風(fēng)量測量的準(zhǔn)確性。

(2)通過對過熱汽溫自動控制PID控制參數(shù)的調(diào)整，滿足了汽溫的要求，解決了超溫的現(xiàn)象，自調(diào)整后，運(yùn)行過程中沒有發(fā)生過超溫情況。

6 結(jié)語

通過對一次風(fēng)量測量裝置的改造，解決了火力發(fā)電廠直吹式制粉爐一次風(fēng)量測量裝置普遍存在的技術(shù)難題，同時對自動調(diào)節(jié)控制方案的優(yōu)化，滿足了目前AGC運(yùn)行工況下負(fù)荷大范圍變化的要求，大大降低了耗電量，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。實踐證明采用的新型一次風(fēng)量測量裝置和自動調(diào)節(jié)方案達(dá)到了火力發(fā)電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的生產(chǎn)要求。

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