采用永磁電動機(jī)驅(qū)動的磨煤機(jī)控制優(yōu)化研究

何志瞧，楊 敏，趙力航，，楊 威，盧琴芬

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華 321110；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311121；3.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；4.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

火力發(fā)電廠傳統(tǒng)制粉系統(tǒng)中，磨煤機(jī)驅(qū)動采用工頻運(yùn)行的異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速是發(fā)電廠基建階段根據(jù)設(shè)計煤種校核得到的，此后無論煤種如何變化，磨煤機(jī)電動機(jī)均為定頻運(yùn)行。因此，傳統(tǒng)制粉系統(tǒng)不能調(diào)整轉(zhuǎn)速，當(dāng)工況變化后，容易出現(xiàn)制粉系統(tǒng)出力降低、電耗增大等一系列問題[1-2]。

當(dāng)上倉煤種可磨性較差時，磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度增大，導(dǎo)致著火推遲，火焰中心上移，易造成鍋爐效率降低、污染物排放量超標(biāo)，以及主、再熱汽溫超溫等問題；當(dāng)上倉煤種可磨性較好時，磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度減小，易造成磨煤機(jī)電耗增加[3-6]。對于傳統(tǒng)制粉系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)靜態(tài)分離器折向擋板開度（或動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速）及磨煤機(jī)液壓（彈簧）加載力，可在一定程度上起到調(diào)整煤粉細(xì)度的作用，但會限制磨煤機(jī)出力，影響機(jī)組帶負(fù)荷能力，而且在運(yùn)行中調(diào)節(jié)磨煤機(jī)折向擋板、液壓（彈簧）加載力的操作較為繁瑣。

現(xiàn)有的磨煤機(jī)電動機(jī)變頻器，是在無法確定磨輥加載力、煤粉細(xì)度和磨煤機(jī)出力之間的規(guī)律的前提下，通過增加電動機(jī)轉(zhuǎn)速來提高磨煤機(jī)出力[7-9]。目前國內(nèi)外缺乏對磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速、加載力、煤粉細(xì)度和磨煤機(jī)出力之間關(guān)系的研究與具體應(yīng)用[10-12]。

采用稀土永磁電動機(jī)作為磨煤機(jī)的驅(qū)動電動機(jī)，具有體積小、重量輕、效率高、特性好等一系列優(yōu)點。此外，稀土電動機(jī)搭配變頻器使磨煤機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速調(diào)整成為可能。就制粉系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速的主要目的不是節(jié)電，而是通過控制煤粉細(xì)度和煤粉濃度的變化，匹配當(dāng)前煤種、當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)以及當(dāng)前鍋爐燃燒的調(diào)整需求。本文探討磨煤機(jī)電動機(jī)采用稀土永磁電動機(jī)后的運(yùn)行方式，設(shè)計一系列試驗方案測試改造后制粉系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速、不同工況下的各項參數(shù)，并通過分析試驗結(jié)果給出磨煤機(jī)在輕載、中載、重載下的轉(zhuǎn)速設(shè)定推薦值。

1 磨煤機(jī)電動機(jī)改造

將某發(fā)電廠1 號機(jī)組的1E 磨煤機(jī)電動機(jī)替換為稀土永磁電動機(jī)。原有鍋爐（B & WB-1903/25.40-M）為超臨界參數(shù)、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的Π 型鍋爐，鍋爐配有帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。采用ZGM 中速磨冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置B & W 公司的DRB-4Z 超低NOX雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及燃盡風(fēng)噴口。機(jī)組經(jīng)歷過增容改造，額定出力為660 MW。

電動機(jī)改造前制粉系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電動機(jī)改造前制粉系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

將原異步電動機(jī)替換為永磁電動機(jī)，并配用一臺通用變頻器。替換后的稀土永磁電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 永磁電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 方案設(shè)計

為了探尋磨煤機(jī)使用永磁電動機(jī)變頻調(diào)速后轉(zhuǎn)速的控制問題，制訂一套技術(shù)方案。

（1）對于設(shè)計轉(zhuǎn)速為n0、設(shè)計煤量為Q0的磨煤機(jī)，按各個相關(guān)設(shè)備當(dāng)前參數(shù)設(shè)置進(jìn)行試驗，記錄入口一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫、出口壓力、出口溫度、煤粉細(xì)度、煤粉濃度（本文指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、石子煤量、磨煤機(jī)電動機(jī)功率、電動機(jī)電流、1～2 h磨煤機(jī)電耗。

（2）根據(jù)測得的煤粉細(xì)度結(jié)果，調(diào)整折向擋板的角度。由于磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速提高后會使煤粉變細(xì)，為了充分發(fā)揮高轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)的帶載能力，在制粉結(jié)果合格的前提下，可增加折向擋板的角度。

（3）為獲得最優(yōu)磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前煤種下煤量的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)定基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n=n0，基準(zhǔn)煤量Q=Q0，分別進(jìn)行0.75n，0.9n，1.0n，1.1n，1.25n共5 檔磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速下，煤量為最小負(fù)載、0.6Q、0.9Q、最大負(fù)載共4 種工況的測試，記錄入口一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫、出口壓力、出口溫度、煤粉細(xì)度、煤粉濃度、石子煤量、磨煤機(jī)電動機(jī)功率、電動機(jī)電流、1～2 h 磨煤機(jī)電耗，并進(jìn)行對比分析。最小負(fù)載工況以磨煤機(jī)運(yùn)行時不產(chǎn)生有害性振動為判斷依據(jù)，并參考磨煤機(jī)設(shè)計最小煤量；最大負(fù)載工況以磨煤機(jī)運(yùn)行時稀土電動機(jī)的定子電流、功率不超過額定值為判斷依據(jù)，并參考磨煤機(jī)設(shè)計最大煤量。

最后，對石子煤量進(jìn)行校核：若石子煤量在預(yù)設(shè)閾值內(nèi)，則進(jìn)行下一步驟；若石子煤量超過閾值，則返回上一步驟，調(diào)整基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與基準(zhǔn)煤量重新測試。

試驗方案的流程如圖1 所示。根據(jù)試驗結(jié)果，針對當(dāng)前煤種確定變頻器的變速范圍，以及輕載、中載、重載下的建議轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要降低磨煤機(jī)的最低煤量時，對于設(shè)計轉(zhuǎn)速為n0的磨煤機(jī)，可以通過變頻調(diào)速適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。

圖1 試驗方案流程

根據(jù)上述方案，結(jié)合1E 磨煤機(jī)的實際參數(shù)，設(shè)計了5 檔轉(zhuǎn)速，每檔轉(zhuǎn)速4 個工況（其中18 r/min時只進(jìn)行了3 個工況試驗），共計19 個工況的試驗（見表3）。各工況測試期間，磨煤機(jī)進(jìn)口冷熱風(fēng)門投自動，磨煤機(jī)出口溫度設(shè)定值為75 ℃，磨煤機(jī)一次風(fēng)量不設(shè)偏置，磨煤機(jī)液壓加載力跟隨該磨液壓加載曲線，磨煤機(jī)出口靜態(tài)分離器擋板放置于55°。試驗期間，1E 磨煤機(jī)上倉煤種均為同批次優(yōu)混煤，設(shè)計煤種和試驗煤種煤質(zhì)指標(biāo)見表4，機(jī)組負(fù)荷大部分時間穩(wěn)定在600 MW。

表3 工況安排

表4 試驗期間煤種情況

3 試驗內(nèi)容與分析

3.1 煤粉細(xì)度測試試驗

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行30 t/h，45 t/h 煤量時的煤粉細(xì)度測試試驗，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯合嗤毫肯?，隨著磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，煤粉細(xì)度呈下降趨勢；相同轉(zhuǎn)速下，隨著給煤量的增加，煤粉細(xì)度呈上升趨勢。

表5 不同轉(zhuǎn)速相同煤量煤粉細(xì)度測試結(jié)果

3.2 最大出力測試試驗

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行磨煤機(jī)最大出力和煤粉細(xì)度測試試驗，結(jié)果見表6。可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的提高，磨煤機(jī)最大出力增加較為明顯，相較于改造前額定轉(zhuǎn)速（24 r/min），磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速增加至27 r/min 和30 r/min 后，磨煤機(jī)最大出力分別增加約13.1%和20.4%；磨煤機(jī)最大出力工況下，隨著轉(zhuǎn)速提高，煤粉細(xì)度有減小趨勢。

表6 不同轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)最大出力及煤粉細(xì)度測試結(jié)果

將不同轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)最大出力時的煤粉細(xì)度折算到R90=18%進(jìn)行修正，修正后磨煤機(jī)的最大出力結(jié)果見表7?？梢钥闯?，將不同轉(zhuǎn)速下最大出力試驗時的煤粉細(xì)度折算到R90=18%進(jìn)行碾磨出力修正后，隨著轉(zhuǎn)速的提高，磨煤機(jī)最大出力增加更為明顯。

表7 不同轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)最大出力折算到設(shè)計煤種時的碾磨出力

3.3 最小出力試驗

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行磨煤機(jī)最小出力和煤粉細(xì)度測試試驗，結(jié)果見表8?？梢钥闯觯恨D(zhuǎn)速降低至21 r/min 和18 r/min，可以有效降低磨煤機(jī)最小出力，并且這2 檔轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)電流相比改造前空載電流降低約8 A；對比21 r/min 和18 r/min這2 檔轉(zhuǎn)速，磨煤機(jī)最小出力工況時，煤粉細(xì)度變化不大。

表8 不同轉(zhuǎn)速下磨煤機(jī)最小出力及煤粉細(xì)度測試結(jié)果

3.4 煤粉濃度和磨煤單耗

3.4.1 煤粉濃度

通過發(fā)電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取試驗期間1E磨煤機(jī)的平均給煤量和平均一次風(fēng)量，計算1E磨煤機(jī)在各煤量下，轉(zhuǎn)速增加時煤粉濃度的變化情況，如圖2 所示?？梢钥闯觯嗤毫肯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，煤粉濃度逐漸增加。

圖2 各煤量下轉(zhuǎn)速增加時煤粉濃度變化趨勢

3.4.2 磨煤單耗

試驗期間，由于機(jī)組負(fù)荷不同，無法對1E磨煤機(jī)改造前后的制粉單耗進(jìn)行直接對比。通過統(tǒng)計試驗期間各工況下磨煤機(jī)單位時間內(nèi)耗電量、平均給煤量、平均電流等參數(shù)，對比計算得到磨煤單耗，如圖3 所示?？梢钥闯觯嗤毫肯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，制粉系統(tǒng)磨煤單耗呈下降趨勢。其中最小給煤量（14 t/h 及以下）下，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速在21 r/min 時磨煤單耗最?。?0 t/h 煤量下，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速在24 r/min 時磨煤單耗最小；45 t/h煤量下，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速在27 r/min 時磨煤單耗最小；最大給煤量下，隨著磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，磨煤單耗呈下降趨勢。

圖3 各煤量下轉(zhuǎn)速增加時磨煤單耗變化趨勢

3.5 石子煤排放情況

試驗期間，對各工況下磨煤機(jī)石子煤排放量進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果見表9?？梢钥闯觯禾岣吣ッ簷C(jī)轉(zhuǎn)速，磨煤機(jī)出力增加后，石子煤量增加不明顯；較低煤量時，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速過高（達(dá)到27 r/min），磨煤機(jī)石子煤排放量較大。

表9 不同轉(zhuǎn)速、不同煤量時磨煤機(jī)石子煤統(tǒng)計情況

4 結(jié)語

本文提出一種磨煤機(jī)電動機(jī)采用永磁同步電動機(jī)后的變頻運(yùn)行技術(shù)方案，通過進(jìn)行5 檔轉(zhuǎn)速、每檔轉(zhuǎn)速4 個工況的試驗，測得不同工況下煤粉細(xì)度、最大出力、最小出力、石子煤排放情況，分析煤粉濃度和磨煤單耗的變化趨勢。

根據(jù)上述測試結(jié)果，針對當(dāng)前煤種提出變頻器運(yùn)行方案。輕載時（給煤量20 t/h 及以下），建議磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速為21 r/min；中載時（給煤量20～40 t/h），建議磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速為24 r/min；重載時（給煤量40 t/h 及以上），建議磨煤機(jī)轉(zhuǎn)速為27 r/min。采用該方案能使制粉系統(tǒng)的煤粉細(xì)度和煤粉濃度可控，有利于磨煤機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。