輸煤系統(tǒng)分倉(cāng)計(jì)量的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海 200240；上海外高橋發(fā)電第三發(fā)電有限責(zé)任公司2，上海 200137；上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院3，上海 200233)

0 引言

為了加強(qiáng)火電廠發(fā)供電煤耗的科學(xué)管理，不斷提高火電廠經(jīng)濟(jì)效益，原電力工業(yè)部頒布并于1994年開(kāi)始實(shí)施的《火力發(fā)電廠按入爐煤量正平衡計(jì)算發(fā)供電煤耗的方法》，明確指出火電廠發(fā)供電煤耗統(tǒng)一以入爐煤計(jì)量煤量和入爐煤機(jī)械取樣分析的低位發(fā)熱量按正平衡計(jì)算，并以此數(shù)據(jù)上報(bào)及考核[1]。

根據(jù)該方法，火電廠要準(zhǔn)確計(jì)算單臺(tái)機(jī)組發(fā)供電煤耗，必須首先解決入爐煤的分倉(cāng)計(jì)量問(wèn)題[2]。這將為評(píng)價(jià)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)以及評(píng)估節(jié)能減排的成效提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大大提高火電廠的精細(xì)化管理水平,為火電機(jī)組的科技創(chuàng)新和環(huán)保節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益提供有力的支撐,對(duì)降低火電機(jī)組的發(fā)電成本、提高火電企業(yè)在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力具有特別重要的意義。

1 輸煤系統(tǒng)概述

上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱外三電廠)的加倉(cāng)流程如圖1所示。

圖1 加倉(cāng)流程圖

外三電廠現(xiàn)有2×1 000 MW機(jī)組，燃煤分別經(jīng)過(guò)安裝在皮帶機(jī)8E和8F中部的皮帶秤稱重后，通過(guò)皮帶機(jī)等設(shè)備的輸送、落煤管的連接和三通擋板的位置切換，將燃煤輸送到皮帶機(jī)11E和11F。最后由犁煤器的抬落,將燃煤加入7#機(jī)組和8#機(jī)組的12個(gè)原煤倉(cāng)內(nèi)。加倉(cāng)設(shè)備的最大生產(chǎn)率為1 800 t/h，皮帶秤的稱量范圍為0～1 800 t/h。

皮帶秤是安裝于皮帶機(jī)上、依據(jù)作用于燃煤上的重力來(lái)確定該燃煤質(zhì)量的計(jì)量?jī)x器。它無(wú)需進(jìn)行質(zhì)量細(xì)分或者中斷皮帶的運(yùn)動(dòng)，是對(duì)皮帶上的散狀物料燃煤進(jìn)行連續(xù)稱量的自動(dòng)衡器[3]。

實(shí)時(shí)采集的稱重傳感器和測(cè)速傳感器信號(hào)，經(jīng)皮帶稱二次儀表的乘法器、放大器、積分器等處理后，得到燃煤的累計(jì)量和瞬時(shí)流量[4]。

皮帶稱每累計(jì)計(jì)量到1 t燃煤，就產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖信號(hào)。輸煤程控系統(tǒng)對(duì)接收到的計(jì)量脈沖信號(hào)進(jìn)行累計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)機(jī)組加倉(cāng)煤量的準(zhǔn)確計(jì)算。

由于系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)入爐煤進(jìn)行分倉(cāng)和分爐計(jì)量[5]，所以無(wú)法對(duì)每一臺(tái)機(jī)組的加倉(cāng)煤量實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)量。分倉(cāng)計(jì)量的目的就是準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)原煤倉(cāng)的加倉(cāng)煤量，為正平衡計(jì)算單臺(tái)機(jī)組的煤耗提供更為準(zhǔn)確的入爐煤量的計(jì)量數(shù)據(jù)。

2 分倉(cāng)計(jì)量需要解決的問(wèn)題和解決方案

2.1 計(jì)量脈沖信號(hào)的采樣

在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，燃煤在皮帶秤上的分布是不均勻的，甚至是不連續(xù)的[6]。因此，計(jì)量脈沖信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間是隨機(jī)的。程控主機(jī)接收到的計(jì)量脈沖信號(hào)的保持時(shí)間一般在幾十毫秒左右，非常短。

解決該問(wèn)題的辦法是，采用設(shè)置緩沖寄存器的方法，對(duì)皮帶秤產(chǎn)生的計(jì)量脈沖信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地采樣和數(shù)據(jù)記錄，從而實(shí)現(xiàn)燃煤的離散處理，解決采樣存在的問(wèn)題。

2.2 加倉(cāng)路徑和加倉(cāng)倉(cāng)位的確定

由于三通擋板的切換，從皮帶秤到原煤倉(cāng)的加倉(cāng)路徑有很多條，且原煤倉(cāng)較多，所以必須通過(guò)邏輯判斷加倉(cāng)路徑和確定加倉(cāng)倉(cāng)位。

實(shí)際應(yīng)用中，利用現(xiàn)有的各原煤倉(cāng)加倉(cāng)過(guò)程中相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)[7]，通過(guò)皮帶機(jī)運(yùn)行和三通擋板位置信號(hào)來(lái)確定加倉(cāng)路徑，通過(guò)犁煤器的抬落位置信號(hào)來(lái)確定加倉(cāng)倉(cāng)位[8]。

2.3 延時(shí)入倉(cāng)

燃煤經(jīng)皮帶秤計(jì)量后需經(jīng)過(guò)若干設(shè)備才能到達(dá)原煤倉(cāng)。由于計(jì)量點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)不在一個(gè)地點(diǎn)，所以必須考慮燃煤通過(guò)這段距離所需要的時(shí)間即延時(shí)入倉(cāng)問(wèn)題[9]。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量燃煤延時(shí)入倉(cāng)的時(shí)間一般為3～4 min。

延時(shí)入倉(cāng)的解決方法是將采樣得到的計(jì)量脈沖信號(hào)按確定的加倉(cāng)路徑在加倉(cāng)設(shè)備上進(jìn)行取值和移位。

2.4 加倉(cāng)設(shè)備故障停運(yùn)

為防止燃煤在加倉(cāng)系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)或停止時(shí)堆積甚至損壞設(shè)備，當(dāng)任一設(shè)備故障停運(yùn)時(shí)，逆煤流輸送方向的設(shè)備將瞬時(shí)停機(jī)。由于皮帶稱所在的皮帶機(jī)是加倉(cāng)煤流輸送方向的源頭，加倉(cāng)流程中任一設(shè)備的停運(yùn)，將直接導(dǎo)致燃煤計(jì)量的停止，而未停運(yùn)皮帶機(jī)上經(jīng)過(guò)計(jì)量的燃煤仍在正常的運(yùn)行加倉(cāng)，造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差。

解決這一計(jì)量誤差的方法是將加倉(cāng)設(shè)備進(jìn)行分解，根據(jù)皮帶機(jī)的運(yùn)行信號(hào)確定是否移位。如皮帶機(jī)停運(yùn),則相應(yīng)皮帶上的移位寄存器移位也停止，從而實(shí)時(shí)真實(shí)地反映燃煤的輸送情況。

3 分倉(cāng)計(jì)量的實(shí)現(xiàn)

3.1 皮帶秤計(jì)量脈沖信號(hào)的采樣

3.1.1 采樣周期

采樣周期必須小于皮帶秤累計(jì)計(jì)量1 t燃煤而產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖信號(hào)的最短時(shí)間(2 s)。由此設(shè)定采樣周期為1 s，確保計(jì)量脈沖信號(hào)的精確采樣。

3.1.2 采樣方法

設(shè)置采樣寄存器，皮帶秤每出現(xiàn)一個(gè)計(jì)量脈沖信號(hào)的上升沿，直接將采樣寄存器置“1”，完成采樣。采樣的信號(hào)被取值后立即將采樣寄存器置“0”，以完成下一次采樣工作。

3.2 確定加倉(cāng)路徑和加倉(cāng)倉(cāng)位

根據(jù)輸煤程控采集的加倉(cāng)皮帶的運(yùn)行信號(hào)和三通擋板的位置信號(hào)，按照燃煤的輸送方向，即皮帶機(jī)8E/8F→皮帶機(jī)9E/9F→滾軸篩E/F→碎煤機(jī)E/F→皮帶機(jī)10E/10F→皮帶機(jī)11E/11F的流程，判定加倉(cāng)路徑。

同樣根據(jù)犁煤器的“落下反饋信號(hào)”判定“加倉(cāng)倉(cāng)位”。只要滿足判定條件，無(wú)論是否有燃煤加入原煤倉(cāng)，都將被視為加倉(cāng)倉(cāng)位。由于8D倉(cāng)作為尾倉(cāng)沒(méi)有犁煤器，其將始終被視為加倉(cāng)倉(cāng)位。

3.3 加倉(cāng)設(shè)備的分解

對(duì)加倉(cāng)設(shè)備進(jìn)行分解，在不同的加倉(cāng)設(shè)備之間實(shí)地測(cè)量燃煤的輸送時(shí)間，并將加倉(cāng)設(shè)備分段進(jìn)行編程。輸送時(shí)間包括燃煤在落煤管內(nèi)和在滾軸篩和碎煤機(jī)內(nèi)的輸送時(shí)間。

燃煤在設(shè)備之間的運(yùn)輸時(shí)間如表1所示。

表1 燃煤在設(shè)備之間的運(yùn)輸時(shí)間

3.4 計(jì)量脈沖信號(hào)移位、取值和累加

通過(guò)輸煤程控的RSLogix5000控制器，使用位左移(bit shift left，BSL)指令設(shè)置8個(gè)移位寄存器，其長(zhǎng)度按燃煤在設(shè)備之間的運(yùn)輸時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。移位寄存器中每一位的值，代表在不同采樣周期采樣得到的皮帶稱累計(jì)1 t燃煤的值，其值為“0”或“1”。為說(shuō)明BSL指令的工作原理，將移位寄存器不同的位進(jìn)行命名，如圖2所示。圖2中，采樣位為8E/8F皮帶機(jī)移位寄存器的第一位，溢出位為移位寄存器的最后一位，接收位(9E/9F/10E/10F/11E/11F)為皮帶機(jī)移位寄存器的第一位,負(fù)責(zé)按確定的加倉(cāng)路徑在不同加倉(cāng)設(shè)備之間將移位寄存器各位的值進(jìn)行傳遞。取值位負(fù)責(zé)按確定的加倉(cāng)倉(cāng)位將計(jì)量脈沖信號(hào)累加到原煤倉(cāng)的12個(gè)累加寄存器中。取值位的值被取值后將自動(dòng)清零，并繼續(xù)向移位寄存器的下一位進(jìn)行移位。

圖2 分倉(cāng)計(jì)量原理圖

位左移(BSL)指令的工作原理如下。當(dāng)皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)移位寄存器中各位存儲(chǔ)的計(jì)量脈沖信號(hào)的值自動(dòng)移動(dòng)一位。與此同時(shí)，采樣位將采樣寄存器內(nèi)寄存的皮帶稱計(jì)量脈沖信號(hào)進(jìn)行取值，而在不同加倉(cāng)設(shè)備之間的移位寄存器通過(guò)溢出位將值移位到接收位。由此模擬燃煤的實(shí)際運(yùn)輸方向,將皮帶稱的計(jì)量信號(hào)逐一傳遞到加倉(cāng)倉(cāng)位。被判定為加倉(cāng)倉(cāng)位的累加寄存器則從取值位進(jìn)行取值和累加，實(shí)現(xiàn)分倉(cāng)計(jì)量。

為保證計(jì)量信號(hào)在移位過(guò)程中不被丟失，當(dāng)皮帶機(jī)停運(yùn)時(shí)，相應(yīng)移位寄存器也將停止移位，直到皮帶機(jī)恢復(fù)運(yùn)行后再繼續(xù)進(jìn)行移位。同時(shí)，采樣、取值、移位、累加的周期均與采樣周期相同，都設(shè)置為1 s。

4 分倉(cāng)計(jì)量的誤差分析

分倉(cāng)計(jì)量的稱重計(jì)量脈沖來(lái)源于皮帶秤，分倉(cāng)計(jì)量的精度首先取決于皮帶秤的精度，不可能超過(guò)皮帶秤的計(jì)量精度。這里的誤差分析是對(duì)皮帶秤以外的各種主要因素進(jìn)行的分析[10]。

誤差因素主要有以下幾項(xiàng)。

① 受燃煤的加倉(cāng)瞬時(shí)流量，燃煤在落煤管、滾軸篩、碎煤機(jī)等設(shè)備中通過(guò)的時(shí)間等各種因素的影響，燃煤的輸送時(shí)間不可能保持絕對(duì)的相等。這將造成移位寄存器的位長(zhǎng)設(shè)定出現(xiàn)偏差，造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差。

② 犁煤器抬落動(dòng)作并非瞬間完成。當(dāng)有燃煤通過(guò)時(shí)，在行程過(guò)程中燃煤存在短暫的分流過(guò)程，使應(yīng)被加倉(cāng)倉(cāng)位取值的計(jì)量脈沖信號(hào)部分加入了未確認(rèn)的加倉(cāng)倉(cāng)位中，造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差。

③ 三通擋板的切換動(dòng)作并非瞬間完成。當(dāng)在有燃煤通過(guò)時(shí)，在行程過(guò)程中使加倉(cāng)路徑短暫消失，引起計(jì)量脈沖信號(hào)在移位過(guò)程中因丟失接收位而造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差。

④ 犁煤器、三通擋板在到位后發(fā)生漏煤和犁煤器的位置反饋信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤等設(shè)備缺陷，造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差。

上面分析了可能影響分倉(cāng)計(jì)量誤差的幾個(gè)主要的因素。其中第一個(gè)誤差因素只能盡量按真實(shí)的燃煤傳輸時(shí)間設(shè)置位寄存器的位長(zhǎng)來(lái)克服。對(duì)于第二個(gè)誤差因素，由于每臺(tái)犁煤器都會(huì)發(fā)生同樣的計(jì)量偏差，因此其作為可接受的誤差來(lái)對(duì)待。第三個(gè)誤差因素通過(guò)提高運(yùn)行人員的操作水平、操作規(guī)程中嚴(yán)禁此類操作來(lái)避免。第四個(gè)誤差因素只能通過(guò)提高設(shè)備的可靠性來(lái)解決。

其實(shí)作為一種利用軟件實(shí)現(xiàn)的分倉(cāng)計(jì)量的方法，都會(huì)因以上因素的無(wú)法測(cè)量、隨機(jī)性和不可預(yù)見(jiàn)性，無(wú)法完全實(shí)時(shí)地離散模擬燃煤的輸送和加倉(cāng)情況，造成分倉(cāng)計(jì)量的誤差，因而具有特定的計(jì)量誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)在外三電廠輸煤系統(tǒng)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和實(shí)際的應(yīng)用，分倉(cāng)計(jì)量的程序算法可以對(duì)各種復(fù)雜的加倉(cāng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)量，完全能滿足實(shí)際工況下的分倉(cāng)計(jì)量。兩臺(tái)機(jī)組正常日加倉(cāng)煤量在1.3～1.5萬(wàn)t。經(jīng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，分倉(cāng)計(jì)量的兩臺(tái)機(jī)組的日加倉(cāng)總量與皮帶秤計(jì)量的兩臺(tái)機(jī)組的日加倉(cāng)總量之間的誤差小于±0.01%，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)機(jī)組日加倉(cāng)煤量的準(zhǔn)確計(jì)量。

分倉(cāng)計(jì)量的程序充分利用了原有輸煤程控系統(tǒng)和皮帶秤的計(jì)量功能，其通過(guò)合理的算法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了輸煤系統(tǒng)的分倉(cāng)計(jì)量；無(wú)需增加硬件的投入，計(jì)量誤差小，性價(jià)比高，對(duì)同類型的火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)入爐煤的分倉(cāng)計(jì)量具有很大的推廣價(jià)值。

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