600 MW超臨界機(jī)組制粉系統(tǒng)自啟停功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王鋒，林藝展

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516623)

0 引言

現(xiàn)代大型火電機(jī)組的容量大、設(shè)備多、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組或系統(tǒng)的啟停往往需要運(yùn)行人員經(jīng)過(guò)大量的操作才得以實(shí)現(xiàn)。分散控制系統(tǒng)(DCS)在火電機(jī)組應(yīng)用的日益成熟, 不僅大大提高了熱控系統(tǒng)的可靠性, 也為火電機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間。隨著火電機(jī)組自動(dòng)化水平的不斷提高，基于整機(jī)自啟停系統(tǒng)(APS)的先進(jìn)控制思想在大型火電機(jī)組的控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。機(jī)組自動(dòng)化水平的日益提高，不但可以減輕運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，同時(shí)也減少了誤操作的可能，有利于機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)真正能實(shí)現(xiàn)自啟停的機(jī)組僅是少數(shù)全進(jìn)口機(jī)組[7]，機(jī)組自啟?？刂剖请姀S自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)[8]。

廣東電網(wǎng)中，火電機(jī)組的裝機(jī)容量比例較大，火電機(jī)組不可避免地要參與調(diào)峰調(diào)頻，火電機(jī)組需根據(jù)負(fù)荷需求不斷地啟停制粉系統(tǒng)，而制粉系統(tǒng)每啟停1次需按照一定的順序操作磨煤機(jī)潤(rùn)滑油泵、相關(guān)的各個(gè)風(fēng)門、磨煤機(jī)、給煤機(jī)等設(shè)備，同時(shí)還要維持磨煤機(jī)入口風(fēng)壓、出口風(fēng)溫等參數(shù)在一定范圍，這一較為復(fù)雜而重復(fù)的工作靠運(yùn)行人員手動(dòng)操作，不僅費(fèi)時(shí)，而且還會(huì)因誤操作而影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。制粉系統(tǒng)作為一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立且完整的系統(tǒng)，完全可以設(shè)計(jì)成一個(gè)功能組，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟?？刂?，并納入到整個(gè)機(jī)組的APS控制體系，完成機(jī)組級(jí)協(xié)調(diào)功能組對(duì)其的調(diào)用，共同實(shí)現(xiàn)機(jī)組的整體自啟?？刂?。

1 設(shè)備概況

廣東紅海灣發(fā)電有限公司一期工程#1，#2機(jī)組為國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，采用中速磨煤機(jī)正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐設(shè)6臺(tái)中速磨煤機(jī)、6臺(tái)電子稱重皮帶式給煤機(jī)及6個(gè)原煤倉(cāng)，滿負(fù)荷時(shí)5套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，1套備用。制粉系統(tǒng)的一次風(fēng)由2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)提供，分為2路，一路經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后作為熱一次風(fēng)，另一路作為冷一次風(fēng)。通過(guò)磨煤機(jī)入口熱一次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門和冷一次風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)節(jié)熱風(fēng)和冷風(fēng)的混合比例，獲得所需的制粉一次風(fēng)溫度和流量。磨煤機(jī)入口前風(fēng)管道上裝設(shè)有風(fēng)量測(cè)量裝置，用來(lái)測(cè)量一次風(fēng)量，以便調(diào)節(jié)風(fēng)煤比。磨煤機(jī)出口分成6根送粉管道，分別進(jìn)入6個(gè)煤粉燃燒器，每臺(tái)磨煤機(jī)分別對(duì)應(yīng)前墻或后墻的1層燃燒器。

2 控制策略

制粉系統(tǒng)的控制可分為3個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、正常運(yùn)行階段和停止階段。在啟動(dòng)和停止階段，主要是各個(gè)設(shè)備的順序控制，而正常運(yùn)行階段主要是過(guò)程變量的連續(xù)控制。針對(duì)制粉系統(tǒng)的啟?？刂?，本文設(shè)計(jì)了暖磨、啟磨、停磨3個(gè)主要功能組，以實(shí)現(xiàn)制粉系統(tǒng)的全程自動(dòng)控制。

2.1 暖磨功能組設(shè)計(jì)

能否安全、快速地使制粉系統(tǒng)出口溫度達(dá)到規(guī)程要求，一直是制約制粉系統(tǒng)自啟停功能組能否實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。一套制粉系統(tǒng)冷態(tài)啟動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間很大程度上取決于磨煤機(jī)暖磨的時(shí)間，為了保證制粉系統(tǒng)能既安全又快速地完成暖磨，應(yīng)設(shè)計(jì)暖磨功能組服務(wù)于制粉系統(tǒng)自啟停功能組，實(shí)現(xiàn)制粉系統(tǒng)的自動(dòng)暖磨。本文設(shè)計(jì)的暖磨功能組可根據(jù)制粉系統(tǒng)的停運(yùn)時(shí)間或磨煤機(jī)的溫度自動(dòng)判斷磨煤機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)(這里主要考慮冷態(tài)和熱態(tài))，再根據(jù)磨煤機(jī)的狀態(tài)選擇合適的溫升率，對(duì)制粉系統(tǒng)的熱風(fēng)調(diào)門進(jìn)行閉環(huán)溫升率自適應(yīng)控制，從而實(shí)現(xiàn)安全、快速的暖磨功能。設(shè)計(jì)獨(dú)立暖磨功能組的目的是：在制粉系統(tǒng)的啟動(dòng)指令觸發(fā)前，運(yùn)行人員便可獨(dú)立調(diào)用該功能組進(jìn)行磨煤機(jī)的預(yù)暖操作，從而節(jié)省了后續(xù)制粉系統(tǒng)啟動(dòng)所需的暖磨時(shí)間。暖磨功能組的控制流程為：磨煤機(jī)停運(yùn)且任一密封風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)磨煤機(jī)密封風(fēng)門、開(kāi)給煤機(jī)密封風(fēng)門、退石子排放自動(dòng)、關(guān)石子煤排料門；反饋到位后，關(guān)給煤機(jī)進(jìn)口門、關(guān)給煤機(jī)出口門、開(kāi)石子煤進(jìn)料門；反饋到位后，開(kāi)磨煤機(jī)出口門、開(kāi)磨煤機(jī)冷風(fēng)門、開(kāi)磨煤機(jī)熱風(fēng)門；反饋到位后，投磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)；當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，暖磨功能組結(jié)束。實(shí)際運(yùn)行中，6臺(tái)磨煤機(jī)的熱風(fēng)門都存在不同程度的漏風(fēng)現(xiàn)象，漏風(fēng)容易導(dǎo)致暖磨時(shí)磨煤機(jī)出口超溫或暖磨結(jié)束后磨煤機(jī)出口溫度無(wú)法維持在目標(biāo)值(此時(shí)磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)門已在全關(guān)狀態(tài))，對(duì)此，可將冷風(fēng)調(diào)門預(yù)置一定的開(kāi)度來(lái)平衡熱風(fēng)門的漏風(fēng)，以達(dá)到良好的控制效果。暖磨控制曲線如圖1所示，由圖1可以看出：暖磨功能組啟動(dòng)后，磨煤機(jī)出口溫度平緩上升，達(dá)到目標(biāo)值后維持在目標(biāo)值不變；整個(gè)暖磨過(guò)程中，磨煤機(jī)入口風(fēng)量、風(fēng)壓控制良好，一次風(fēng)壓波動(dòng)很小，達(dá)到了暖磨要求。

圖1 暖磨控制曲線

2.2 啟磨功能組設(shè)計(jì)

制粉系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)同時(shí)兼顧磨煤機(jī)、給煤機(jī)等重要設(shè)備的安全運(yùn)行及煤粉在爐膛內(nèi)的穩(wěn)定燃燒，防止爆燃。因此在啟動(dòng)過(guò)程中首先應(yīng)確保一次風(fēng)壓穩(wěn)定不越限，這樣才能保證磨煤機(jī)進(jìn)的一次風(fēng)有足夠高的靜壓頭，以克服磨煤機(jī)及粉管的阻力，維持正常的一次風(fēng)量和出口溫度。啟磨功能組的控制流程為：煤層無(wú)火且點(diǎn)火能量滿足且一次風(fēng)壓正常時(shí)，啟動(dòng)暖磨順控功能組；磨煤機(jī)出口溫度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，啟動(dòng)磨煤機(jī)潤(rùn)滑油泵；潤(rùn)滑油條件滿足時(shí)，開(kāi)磨煤機(jī)密封門、開(kāi)給煤機(jī)密封風(fēng)門、關(guān)石子煤排料門；反饋到位后，開(kāi)磨煤機(jī)出口門、開(kāi)石子煤進(jìn)料門；反饋到位后，開(kāi)磨煤機(jī)冷風(fēng)門、開(kāi)磨煤機(jī)熱風(fēng)門、投磨煤機(jī)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)、投磨煤機(jī)熱風(fēng)調(diào)節(jié)門自動(dòng)；反饋到位且啟磨條件滿足后，啟動(dòng)磨煤機(jī)、設(shè)置一次風(fēng)壓力；當(dāng)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓正常時(shí)，開(kāi)給煤機(jī)出口門；反饋到位且給煤機(jī)啟動(dòng)條件滿足后，啟動(dòng)給煤機(jī)、開(kāi)給煤機(jī)入口門；給煤機(jī)鋪煤正常時(shí)，投入給煤機(jī)自動(dòng)、投石子煤排放自動(dòng)，啟磨功能組結(jié)束。啟磨功能組主要包括以下功能。

(1)與暖磨功能組的接口。若制粉系統(tǒng)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)就調(diào)用暖磨功能組完成暖磨操作；磨煤機(jī)出口溫度已達(dá)到規(guī)程要求，則跳過(guò)暖磨操作直接進(jìn)入啟磨過(guò)程，節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間。

(2)磨煤機(jī)啟動(dòng)后的燃料全程控制。這里包括了啟動(dòng)初期皮帶的快速鋪煤邏輯設(shè)計(jì)以及根據(jù)機(jī)組負(fù)荷自動(dòng)閉環(huán)控制煤量增減的邏輯設(shè)計(jì)。此處必須與機(jī)組APS體系中的機(jī)組燃料全程控制策略相結(jié)合，達(dá)到鍋爐主控、燃料主控、給煤機(jī)給煤率控制均實(shí)現(xiàn)全程控制的目的。

(3)啟磨過(guò)程中的風(fēng)量控制功能。啟動(dòng)制粉系統(tǒng)過(guò)程中風(fēng)量全程控制也是需要考慮的問(wèn)題，這里應(yīng)包括啟動(dòng)初期最低風(fēng)量的配風(fēng)、點(diǎn)火初期風(fēng)量大小的配比以及增加給煤率時(shí)的風(fēng)量自適應(yīng)增加等功能。

實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)調(diào)門投自動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)磨煤機(jī)后，磨煤機(jī)入口風(fēng)量偏小、磨煤機(jī)入口風(fēng)壓偏低，無(wú)法達(dá)到正常啟磨的要求，此時(shí)若再打開(kāi)給煤機(jī)出口門啟動(dòng)給煤機(jī)，磨煤機(jī)極可能因進(jìn)煤而導(dǎo)致入口風(fēng)量、風(fēng)壓進(jìn)一步降低，最終跳閘；而若一直等待磨煤機(jī)入口風(fēng)量、風(fēng)壓上升至滿足要求，又無(wú)法快速響應(yīng)機(jī)組的負(fù)荷要求。對(duì)此，根據(jù)運(yùn)行人員手動(dòng)啟磨的經(jīng)驗(yàn)，增加輔助控制回路，設(shè)定啟磨時(shí)磨煤機(jī)入口溫度和冷、熱風(fēng)調(diào)門開(kāi)度的函數(shù)，在磨煤機(jī)進(jìn)煤前將冷、熱風(fēng)調(diào)門預(yù)置在一個(gè)合適的開(kāi)度，既保證了磨煤機(jī)的安全啟動(dòng)，又達(dá)到了快速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的要求。此外，在啟磨初期，給煤機(jī)投自動(dòng)后，因煤量突增，燃料主控下調(diào)，致使剛啟動(dòng)給煤機(jī)的給煤量在最小給煤量的基礎(chǔ)上往下降，由此可能引起燃燒不穩(wěn)、火檢信號(hào)跳變，并進(jìn)一步導(dǎo)致跳磨，對(duì)此，可設(shè)置給煤量閉鎖回路，在順控啟磨初期閉鎖減該磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)給煤機(jī)的給煤量。啟磨控制曲線如圖2所示，由圖2可以看出，啟磨過(guò)程中，磨煤機(jī)出口溫度及磨煤機(jī)入口風(fēng)量、風(fēng)壓控制較好，一次風(fēng)壓波動(dòng)較小且能快速恢復(fù)穩(wěn)定，與燃料主控的接口回路動(dòng)作正常，實(shí)現(xiàn)了給煤量的全程自動(dòng)控制。

圖2 啟磨控制曲線

2.3 停磨功能組設(shè)計(jì)

制粉系統(tǒng)停運(yùn)過(guò)程中，應(yīng)保證風(fēng)量、風(fēng)溫下降平穩(wěn)，風(fēng)壓系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)煤粉充分走空，系統(tǒng)溫度下降到規(guī)定值，從而消除了制粉系統(tǒng)內(nèi)煤粉爆燃現(xiàn)象，減少制粉系統(tǒng)風(fēng)量變化對(duì)爐膛負(fù)壓的擾動(dòng)。停磨功能組的控制流程為：煤層點(diǎn)火能量滿足時(shí)，設(shè)置最小給煤率，開(kāi)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門、關(guān)熱風(fēng)調(diào)節(jié)門；當(dāng)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度大于90%且熱風(fēng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度小于5%時(shí)，關(guān)熱風(fēng)門；熱風(fēng)門關(guān)到位且給煤率小于10 t/h時(shí)，停給煤機(jī)；給煤機(jī)停運(yùn)后，延時(shí)關(guān)給煤機(jī)出口門、慢關(guān)冷風(fēng)調(diào)節(jié)門；給煤機(jī)出口門關(guān)到位、磨煤機(jī)已走空且冷風(fēng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度小于20%時(shí)，停磨煤機(jī)，關(guān)給煤機(jī)密封風(fēng)門、關(guān)磨煤機(jī)密封風(fēng)門，停磨功能組結(jié)束。停磨功能組主要包括以下功能。

(1)風(fēng)量及風(fēng)溫控制。既要保證不出現(xiàn)冷、熱風(fēng)調(diào)門配合不好導(dǎo)致磨煤機(jī)入口風(fēng)量低直接跳磨，進(jìn)而導(dǎo)致停磨功能組失敗，還應(yīng)控制停磨過(guò)程中溫度下降的速率，保證設(shè)備的安全。

(2)停磨過(guò)程中的風(fēng)門管理功能。為了避免停磨過(guò)程中風(fēng)量降低過(guò)快及關(guān)閉磨出口門時(shí)導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)喘振，應(yīng)增加制粉系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)風(fēng)門的管理功能，以保證一次風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

停磨過(guò)程中，磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)調(diào)門開(kāi)關(guān)速率的控制至關(guān)重要。在關(guān)熱風(fēng)調(diào)門時(shí)，磨煤機(jī)入口風(fēng)量下降較快，存在跳磨的隱患；磨煤機(jī)停止進(jìn)煤后，在慢關(guān)冷風(fēng)調(diào)門的過(guò)程中，關(guān)速率設(shè)置過(guò)快，不但會(huì)導(dǎo)致磨煤機(jī)出口溫度下降緩慢，延長(zhǎng)停磨時(shí)間，同時(shí)極易引起一次風(fēng)壓力波動(dòng)，并有可能導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)喘振。對(duì)此，可根據(jù)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置合適的冷、熱風(fēng)調(diào)門的慢關(guān)速率，從而有效地保證磨煤機(jī)的安全停運(yùn)。停磨曲線如圖3所示，由圖3可以看出：停磨過(guò)程中磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)調(diào)門開(kāi)關(guān)速率控制合適，磨煤機(jī)出口風(fēng)溫在停磨前已降至合適范圍，各風(fēng)門協(xié)調(diào)動(dòng)作良好，磨煤機(jī)入口風(fēng)量下降平穩(wěn)，一次風(fēng)壓波動(dòng)較小，達(dá)到了安全停磨的控制要求。

圖3 停磨控制曲線

2.4 石子煤排放自動(dòng)控制子功能

作為制粉系統(tǒng)全程自動(dòng)控制的一個(gè)方面，制粉系統(tǒng)石子煤排放的自動(dòng)控制也必須考慮。制粉系統(tǒng)中磨煤機(jī)產(chǎn)生的石子煤一般由運(yùn)行人員手動(dòng)排放，排放周期約15 min，在一個(gè)當(dāng)班期間，運(yùn)行副值班員很大一部分時(shí)間都用于石子煤的排放工作。實(shí)現(xiàn)制粉系統(tǒng)石子煤排放的自動(dòng)控制后，副值班員只需花少量時(shí)間關(guān)注石子煤排放控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)即可，大部分時(shí)間都可用于協(xié)助主值班員監(jiān)視燃燒、汽水、電氣等重要系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，大大緩解了主值班員的監(jiān)盤壓力，降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度。制粉系統(tǒng)石子煤排放自動(dòng)控制的控制流程為：石子煤進(jìn)料門開(kāi)到位且石子排料門關(guān)到位且石子煤排放系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，投石子排放控制自動(dòng)；設(shè)定的排放周期時(shí)間到后，關(guān)石子煤進(jìn)料門；反饋到位后，開(kāi)石子煤排料門；延時(shí)120 s后關(guān)石子煤排料門；反饋到位后，開(kāi)石子煤進(jìn)料門。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)石子煤的自動(dòng)排放。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)及調(diào)試，廣東紅海灣發(fā)電有限公司一期工程#1，#2機(jī)組制粉系統(tǒng)自啟停功能組的各項(xiàng)功能均已正常投入使用，符合設(shè)計(jì)要求。制粉系統(tǒng)自啟停功能組的實(shí)現(xiàn)，提高了機(jī)組的自動(dòng)化水平，降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，并為整機(jī)的APS體系奠定了基礎(chǔ)。

APS控制是一種先進(jìn)的控制理念，它對(duì)目前的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，體現(xiàn)了機(jī)組自動(dòng)化控制的最高水平。目前，國(guó)內(nèi)整機(jī)APS的投用成功率還不高，除了設(shè)備自身的可控性和可用率不能滿足自動(dòng)化要求外，還存在一些工藝和技術(shù)上的問(wèn)題，這些問(wèn)題需要通過(guò)長(zhǎng)期、深入的分析研究才能得到解決。制粉系統(tǒng)功能組全程自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)為整機(jī)的APS控制創(chuàng)造了條件,要真正實(shí)現(xiàn)整機(jī)APS控制，不僅取決于系統(tǒng)控制策略，還與系統(tǒng)設(shè)備自身的可控性和可用率能否滿足自動(dòng)化要求有很大的關(guān)系，只有在良好的設(shè)備可控性基礎(chǔ)上，將各個(gè)子系統(tǒng)的自動(dòng)控制有機(jī)融合為一體，才能實(shí)現(xiàn)整機(jī)的APS控制。

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