壓縮空氣用量最優(yōu)控制研究與應(yīng)用

張立敏，李智華，魏 晉，王慧敏

(內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

1 背景

內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司2×330 MW發(fā)電機(jī)組工程已投產(chǎn)，采用東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的自主研發(fā)型單爐膛330 MW級(jí)循環(huán)流化床鍋爐，除灰系統(tǒng)是發(fā)電廠的重要組成部分，其節(jié)能對(duì)廠用電率產(chǎn)生很大影響[1]。氣力除灰系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)各廠商、科研院所等對(duì)其進(jìn)行了大量研究，在解決氣力除灰系統(tǒng)出力不足、堵管頻繁及管道磨損嚴(yán)重等問(wèn)題上取得了較大進(jìn)展[2，3]，在燃煤發(fā)電企業(yè)廣泛應(yīng)用，但由于系統(tǒng)配置、除灰系統(tǒng)輸送距離、輸灰程控邏輯原理等原因，使氣力除灰系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能耗偏高的現(xiàn)狀不同程度的存在。

2 現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司空壓機(jī)系統(tǒng)包括除灰系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、廠用及儀用系統(tǒng)，其中除灰系統(tǒng)目前配置7臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)，電機(jī)功率總計(jì)為2 445 kW(G空壓機(jī)為315 kW)；脫硫系配置4臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率總計(jì)為1 420 kW；廠用及儀用系統(tǒng)共配置5臺(tái)螺桿空氣壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率總計(jì)為1 250 kW，目前空壓機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)總功率達(dá)到5 115 kW，歷年耗電情況如下表1。

表1 近年空壓機(jī)系統(tǒng)耗電率統(tǒng)計(jì)

2018年度綜合廠用電率10.53%，空壓機(jī)耗電率占比為6.65%，2019年度綜合廠用電率10.39%，空壓機(jī)系統(tǒng)耗電率占比為7.12%，空壓機(jī)系統(tǒng)耗電率明顯高于同類(lèi)型電廠且呈上升趨勢(shì)，用氣高峰期甚至出現(xiàn)氣源壓力不足的問(wèn)題。由于該廠灰?guī)炫c機(jī)組輸灰倉(cāng)泵距離接近500 m，在發(fā)電負(fù)荷高峰及入爐煤灰分高時(shí)，7臺(tái)除灰空壓機(jī)全部啟動(dòng)運(yùn)行才可勉強(qiáng)滿(mǎn)足輸灰用氣要求，系統(tǒng)出力無(wú)余量，增加輸灰管道堵管風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重情況下機(jī)組出力受限。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展了全廠壓縮空氣用量最優(yōu)控制研究與實(shí)踐應(yīng)用工作。

3 輸灰系統(tǒng)配置及優(yōu)化方案

3.1 電除塵及空氣預(yù)熱器出口輸灰系統(tǒng)配置

空氣預(yù)熱器出口煙道配置4個(gè)灰斗及氣力輸灰設(shè)備，電除塵分為二級(jí)除塵，一電場(chǎng)8個(gè)灰斗，A、B側(cè)煙道各4個(gè)，即一電場(chǎng)A側(cè)4個(gè)，一電場(chǎng)B側(cè)4個(gè)，各配置一根輸灰管道至灰?guī)?，一電?chǎng)B側(cè)與空氣預(yù)熱器出口灰斗共用輸灰管道；輪流輸灰，二電場(chǎng)灰量較小，8個(gè)灰斗共用一根輸灰管道至灰?guī)欤刻纵敾夜苈废到y(tǒng)配置進(jìn)氣閥、出料閥、旁路助吹閥、高料位開(kāi)關(guān)，在灰?guī)鞄?kù)頂配置油切換閥來(lái)控制細(xì)灰進(jìn)入細(xì)灰?guī)旎蛘叽只規(guī)?。輸灰程控系統(tǒng)基本順序?yàn)?，空預(yù)器灰斗與一電場(chǎng)A側(cè)灰斗輪流輸灰，相互閉鎖，一電場(chǎng)B側(cè)灰斗與二電場(chǎng)灰斗輪流輸灰，相互閉鎖。這樣兩臺(tái)機(jī)組同一時(shí)間可能有四根管道同時(shí)輸灰，用氣量較大。

3.2 增加除灰管道助吹電磁閥

針對(duì)兩臺(tái)機(jī)組電除塵輸灰至灰?guī)煜到y(tǒng)輸灰壓力不足及波動(dòng)幅度大問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)行趨勢(shì)比較、運(yùn)行方式分析、周邊電廠調(diào)研等方式，初步確定電除塵輸灰系統(tǒng)使用壓縮空氣從輸灰倉(cāng)泵進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)輸灰管線到達(dá)灰?guī)鞎r(shí)，壓降幅度較大，給輸灰系統(tǒng)帶來(lái)了較大的壓力。后研究決定在輸灰管道的水平段與上升段連接處增加助吹系統(tǒng)，在#1爐、#2爐至灰?guī)煜到y(tǒng)6根輸灰管道切換閥后各增加1個(gè)管道助吹電磁閥，用以控制助吹壓縮空氣，采用φ14×2氣源管路，管道助吹電磁閥的控制方式為：當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組電除塵排灰輸送系統(tǒng)對(duì)應(yīng)管道的排灰閥及進(jìn)氣閥開(kāi)啟開(kāi)始進(jìn)行輸灰時(shí)，經(jīng)測(cè)算管道助吹電磁閥延時(shí)120 s開(kāi)啟，用以提高輸灰末端至灰?guī)鞄?kù)頂爬升動(dòng)力，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組電除塵排灰輸送系統(tǒng)對(duì)應(yīng)管道的排灰閥及進(jìn)氣閥關(guān)閉結(jié)束輸灰時(shí)，管道助吹電磁閥關(guān)閉，以節(jié)省壓縮空氣。

3.3 優(yōu)化旁路助吹閥控制邏輯

旁路助吹閥是在灰量較大時(shí)，為防止壓縮空氣壓力低輸灰不暢造成輸灰管路堵塞而設(shè)置的助吹壓縮空氣控制閥，原程控系統(tǒng)在每次輸灰時(shí)均使該閥開(kāi)啟參與輸灰，增加了壓縮空氣使用量，對(duì)此增加電除塵一電場(chǎng)A、B側(cè)旁路助吹閥以及二電場(chǎng)、空預(yù)器輸灰旁路助吹閥參與輸灰程控選擇按鈕，可由運(yùn)行人員根據(jù)鍋爐負(fù)荷或輸灰量選擇性的投入或退出助吹電磁閥是否參與輸灰程控，從而減少壓縮空氣消耗。

3.4 電除塵輸灰控制邏輯優(yōu)化

原電除塵輸灰方式采用二電場(chǎng)與一電場(chǎng)A側(cè)輪流輸灰，同時(shí)一電場(chǎng)B側(cè)與空預(yù)器出口灰斗輪流輸灰的方式，通過(guò)對(duì)輸灰系統(tǒng)壓縮空氣壓力等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，此種方式在機(jī)組高負(fù)荷產(chǎn)灰量大的情況下比較適用，但是在機(jī)組低負(fù)荷的情況下，電除塵B側(cè)倉(cāng)泵處于高頻次、低出力方式運(yùn)行，#2爐典型輸灰曲線，輸灰壓力僅僅0.05 MPa左右，且輸灰持續(xù)時(shí)間為A側(cè)的一半左右，與典型倉(cāng)泵運(yùn)行壓力變化曲線(見(jiàn)圖1)差異明顯，輸灰壓縮空氣浪費(fèi)嚴(yán)重，為進(jìn)一步對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)低負(fù)荷電除塵輸灰過(guò)程輸灰量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了分析的判斷正確性。經(jīng)分析對(duì)兩臺(tái)機(jī)組的輸灰程序進(jìn)行了優(yōu)化，在原有邏輯的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組在低負(fù)荷的情況下作了相應(yīng)的調(diào)整，采用二電場(chǎng)、一電場(chǎng)A、B側(cè)3根輸灰管道輪流進(jìn)行輸灰的方式，空預(yù)器灰斗每個(gè)運(yùn)行班次選擇性的進(jìn)行輸灰，降低機(jī)組在低負(fù)荷的情況下電除塵系統(tǒng)頻繁輸灰?guī)?lái)的壓縮空氣浪費(fèi)，同時(shí)避免了同一時(shí)間段有兩根輸灰管路同時(shí)輸灰引起輸灰壓力突降而使空壓機(jī)出力瞬時(shí)增大。在操作畫(huà)面上設(shè)計(jì)了兩種輸灰方式的切換按鈕，方便運(yùn)行人員根據(jù)輸灰量隨時(shí)對(duì)輸灰方式進(jìn)行調(diào)整。

圖1 典型倉(cāng)泵輸灰壓力變化曲線[4]

3.5 優(yōu)化倉(cāng)泵落料時(shí)間

投入輸灰程控自動(dòng)控制后，觸發(fā)開(kāi)始輸灰條件為每個(gè)電場(chǎng)灰斗有一個(gè)高料位信號(hào)或者進(jìn)料時(shí)間到時(shí)，兩個(gè)條件滿(mǎn)足其一后開(kāi)始輸灰，本電場(chǎng)輸灰完成后觸發(fā)下一電場(chǎng)開(kāi)始輸灰，這樣循環(huán)輸灰，周而復(fù)始，高料位信號(hào)為灰斗料位開(kāi)關(guān)測(cè)量，進(jìn)料時(shí)間設(shè)置的長(zhǎng)短由運(yùn)行人員憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，進(jìn)料時(shí)間作為高料位信號(hào)的后備保護(hù)，防止料位開(kāi)關(guān)故障時(shí)中斷輸灰，通過(guò)對(duì)觸發(fā)輸灰開(kāi)始信號(hào)的大量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)為進(jìn)料時(shí)間到時(shí)開(kāi)始輸灰，此時(shí)灰斗料位還很低灰量較少，輸灰壓力曲線能明顯反映出輸灰時(shí)灰量較少，增加了輸灰頻次，浪費(fèi)了大量的壓縮空氣，對(duì)此將開(kāi)始輸灰觸發(fā)條件中一個(gè)高料位信號(hào)改為兩個(gè)高料位信號(hào)，進(jìn)料時(shí)間設(shè)置為根據(jù)鍋爐負(fù)荷分段自動(dòng)設(shè)置，進(jìn)料時(shí)間的確定依據(jù)是利用紅外熱成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)灰斗灰位，對(duì)高、低負(fù)荷電除塵灰斗落料時(shí)間及灰位確定，運(yùn)行人員可根據(jù)具體情況進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)短的偏置增減，用以減少輸灰頻次，降低壓縮空氣使用量。

3.6 增加脫硫壓縮空氣與除灰壓縮空氣聯(lián)絡(luò)管道

為使脫硫用壓縮空氣與除灰壓縮空氣可以相互補(bǔ)充利用，在原脫硫壓縮空氣系統(tǒng)與除灰壓縮空氣系統(tǒng)之間增加了聯(lián)絡(luò)管道，以便于脫硫壓縮空氣與除灰壓縮空氣在空壓機(jī)檢修與用氣量不足時(shí)達(dá)到相互補(bǔ)償目的。

4 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

4.1 節(jié)電效益

通過(guò)開(kāi)展以上技術(shù)攻關(guān)，2020年度全廠各空壓機(jī)系統(tǒng)耗電率同比2019年變化見(jiàn)表2。

表2 空壓機(jī)系統(tǒng)耗電率統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表2中數(shù)據(jù)比較，2020年空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行耗電率同比2019年度降低0.07%，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)電率達(dá)到9.46%，全年節(jié)電量達(dá)到253.90萬(wàn)kW·h。2020年度上網(wǎng)電價(jià)按0.282 9元/kW·h算，則全年節(jié)電經(jīng)濟(jì)收益為253.90×0.282 9=71.83萬(wàn)元。

4.2 節(jié)油及維護(hù)效益

根據(jù)單臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)功率為330 kW·h計(jì)算，共節(jié)約單臺(tái)空壓機(jī)的使用小時(shí)數(shù)為8 460 h。空壓機(jī)每運(yùn)行8 000 h，進(jìn)行一次油的更換維護(hù)，每次加油約8桶，每桶油的價(jià)格為2 300元，每2 000 h更換一次油濾和空濾，兩個(gè)共計(jì)1 380元，每4 000 h更換一次油分，每個(gè)1 190元，據(jù)此計(jì)算每年可節(jié)約空壓機(jī)的維護(hù)費(fèi)用為：2 300×8+1 380×4+1 190×2=2.63萬(wàn)元。

綜合以上，通過(guò)全廠壓縮空氣用量最優(yōu)控制研究與實(shí)踐技術(shù)攻關(guān)共計(jì)產(chǎn)生74.46萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電除塵輸灰程控邏輯優(yōu)化，在輸灰管道末端至灰?guī)鞄?kù)頂管道爬升處增加助吹壓縮空氣增大輸灰壓力，調(diào)整電除塵輸灰方式，優(yōu)化輸灰步序，在滿(mǎn)足電除塵系統(tǒng)輸灰要求的同時(shí)，降低了壓縮空氣消耗量，降低了空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省了廠用電的同時(shí)，節(jié)省了空壓機(jī)維護(hù)費(fèi)用，為同類(lèi)型發(fā)電企業(yè)電除塵輸灰系統(tǒng)運(yùn)行方式提供借鑒。