百萬千瓦火電機組一次風自適應系統應用研究

林典鵬， 王楚鴻， 李大吉， 江 永

(華能海門電廠， 廣東汕頭 515132)

百萬千瓦火電機組一次風自適應系統應用研究

林典鵬， 王楚鴻， 李大吉， 江 永

(華能海門電廠， 廣東汕頭 515132)

為降低一次風機電耗，設計并實施了一次風壓自適應控制系統，通過在原有一次風壓設定值的基礎上，再疊加一個獨立的自適應一次風壓力偏置值回路，在保證制粉系統安全運行的前提下，逐步降低一次風機出口壓力，達到一次風機經濟運行的目的。鍋爐運行一次風壓的降低，可使空氣預熱器漏風率有所下降，引風機電耗也會相應下降，節能降耗效果明顯。

一次風壓： 自適應： 控制策略； 節能

對于大型火電機組，制粉系統中主要的耗電設備是一次風機，其耗電量占整個制粉系統用電量的一半左右。從降低一次風機能耗的角度來進行節能的研究較少，而且都停留在試驗層面，對運行只具有指導意義[1]。在實際變工況過程中，一次風壓力偏置值由運行人員手動調節，調節幅度取決于該臺機組的運行規程規定及運行人員的經驗，不超過標準規定的限值、保證磨煤機的安全即可；但是，不同的運行人員對一次風壓力偏置值的調節幅度不同，即使能夠保證系統的安全性，也很難符合相應工況對一次風壓力的要求，更難達到最佳的節能降耗效果。

1 研究對象

DG3000/26.15-Ⅱ1型鍋爐制粉系統采用中速磨煤機正壓直吹式系統，設有6 座原煤倉及與其對應的6 臺電子稱重皮帶式給煤機和6臺中速磨煤機。磨煤機采用動態分離器；密封空氣系統采用母管制，有2臺離心式風機，一臺運行，一臺備用；一次風系統由2臺雙動葉可調的軸流風機供給，保證足夠的一次風速和風量；磨煤機出口設置4根煤粉管，每一根煤粉管再通過煤粉分配器一分為二，形成8根煤粉管，供給同層的8個旋流燃燒器。

鍋爐燃燒設計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種1為50%神府東勝煙煤+50%澳大利亞蒙托煤，校核煤種2為山西晉北煙煤，鍋爐除了燃燒設計煤種和校核煤種以外，還能單獨燃燒蒙托煤以及蒙托煤與晉北煤50%∶50%的混煤。鍋爐在BRL工況下，使用設計煤種、校核煤種，保證熱效率應不小于93.84%(按低位發熱值)，鍋爐脫硝裝置前NOx排放質量濃度≤300 mg/m3。

2 主要研究內容

一次風壓力自適應系統，完全實現自動控制：當熱風門未全開時，增大熱風門開度，降低一次風風壓，減少熱風門壓損，降低一次風機電耗以達到節能目的；當熱風門接近全開而風量仍達不到設定值時，通過適當提高一次風壓，使磨煤機風量達到設定值；當冷風門接近全開，且磨煤機出口溫度超過設定值時，適當增大一次風風壓，以滿足出口溫度要求；當密封風壓差低時，為保證動態分離器運轉，自動添加偏置以提高一次風風壓[2]；當磨煤機全部手動，或者當一次風風機全部手動時，切除一次風壓自適應調整功能。一次風壓力自適應系統能夠根據當前工況自動計算節能空間，即一次風壓力偏置值，在保證制粉系統安全運行的前提下，最大程度降低一次風壓力值，降低一次風機電耗，節約廠用電。

2.1控制策略優化

電廠鍋爐制粉系統運行的經濟性和安全性很大程度上取決于一次風運行參數，而一次風壓力是其中重要參數之一。一次風壓力較大，會使磨煤機冷、熱風門開度較小，節流損失較大、一次風機功耗增大、廠用電率增加；一次風壓力較小，會使磨粉堵管、一次風射流剛性不足影響系統的安全性[3]。

該一次風壓力自適應控制策略方案采用實時計算一次風壓的實際有效節能空間，通過在原有一次風壓設定值的基礎上，再疊加一個獨立的自適應一次風壓力偏置值回路，在優先保證磨煤機制粉系統安全運行的前提下，逐步降低一次風機出口壓力，進而降低一次風機耗電，達到一次風機經濟運行的目的。

目前獨立的自適應一次風壓力偏置值回路設計優先保證磨煤機安全運行的控制功能有三個：(1)磨煤機出口溫度超溫保護功能；(2)磨煤機一次風量低保護功能；(3)磨煤機密封風壓差低保護功能。

獨立的自適應一次風壓力偏置值回路，采用PID單回路設計。PID控制最早發展起來的策略之一，工業過程控制中的應用已有近百年的歷史。在此期間雖然有許多先進控制算法相繼誕生，如智能控制、自適應控制、預測控制等，但由于PID算法結構簡單、參數易于整定，P、I、D控制規律各自成獨立環節，可根據工業過程進行組合[4]；在實施過程中無需建立數學模型。

2.2優化模式

2.2.1 仿真模式

將熱一次風壓力偏置輸出加權系數設置為0(見圖1)，以確保無熱一次風壓力偏置的有效輸出。調整有關參數，使各磨煤機熱風門指令最大值小于99%，查看參與控制的各階段數值變化率，作用方向，確定正確后進入下一步。

圖1 熱一次風壓力偏置

2.2.2 手動模式

手動模式下，系統設置為：

(1) 將熱一次風壓力自適應控制PID輸出轉換函數設置為(0,-2；50,0；100,0.3)。

(2) 將熱一次風壓力偏置輸出加權系數設置為1。

(3) 在手動模式下，小幅調整輸出(見圖2)，觀察熱一次風壓力設定值變化后磨煤機冷熱風門的變化和風量變化、密封風與下磨碗壓差變化以及一次風機參數和鍋爐主參數的變化。

圖2 熱一次風壓力變化幅度

2.2.3 自動模式

自動模式下，系統設置為：

(1) 維持負荷穩定，投入自動模式，調整PID參數，觀察PID輸出、熱一次風壓力、磨煤機參數、一次風機參數，鍋爐主汽壓力和主汽溫度等參數的變化情況。

(2) 加減負荷條件下，觀察PID輸出、熱一次風壓力、磨煤機參數、一次風機參數，鍋爐主汽壓力和主汽溫度等參數的變化情況。

(3) 啟停磨煤機條件下，觀察PID輸出、熱一次風壓力、磨煤機參數、一次風機參數，鍋爐主汽壓力和主汽溫度等參數的變化情況。

(4) 調整熱一次壓力自適應控制PID設定值手動偏置，觀察PID輸出、熱一次風壓力、磨煤機參數、一次風機參數，鍋爐主汽壓力和主汽溫度等參數的變化情況。

(5) 尋求最佳的PID控制參數和第2.1.1節的參數設置。

從控制邏輯優化結果來看，一次風壓自適應控制系統的控制策略設計合理，達到了預期的設計目的。一次風自適應控制系統運行人員操作畫面見圖3。

圖3 一次風壓自適應系統操作界面

一次風壓自適應控制系統的輸出為“熱一次風壓偏置”，該偏置與DCS原“熱一次風壓函數設定值”相加，得到新的熱一次風壓設定值控制一次風機。

“熱一次風壓偏置輸出范圍”在調試設定為-2.0～+0.3 kPa，DCS原“熱一次風壓函數設定值”為9.0～11.5 kPa，則新一次風壓設定值為7.0～11.8 kPa。

一次風自適應控制系統有MAN(手動)和AUTO(自動)功能，MAN功能下“熱一次風壓偏置”由運行人員手動調整，AUTO功能下由自適應控制系統產生“熱一次風壓偏置”。

操作塊中的“S”字符為一次風自適應控制系統的設定值(運行磨煤機熱一次風門指令最大的目標值)，由函數產生，一般為100；“B” 字符為設定值的手動偏置，可由運行人員調整，正常運行后為0；“P” 字符為運行磨煤機熱一次風門指令實際最大值；“O” 字符為一次風自適應控制系統的輸出值，范圍為0～100。

“冷一次風門修正”對一次風自適應控制系統的設定值進行修正，由系統自動產生，初始范圍為0～20。

為保證動態分離器運轉，當密封風下磨碗壓差低于一定值時，一次風自適應控制系統自動提高偏置以提高一次風風壓。

當磨煤機全部手動，或者當一次風機全部手動時，一次風自適應控制系統自動切除。

2.3優化結果

圖4為機組在調試期間的一段運行曲線。從主蒸汽流量曲線可以看出，機組先加負荷，然后降到某一負荷穩定運行。在加負荷的過程中，磨煤機一次風量、一次風壓、一次風機電流隨之增加；當隨后降負荷穩定運行過程中，負荷基本不變(蒸汽流量基本不變)，磨煤機一次風量基本保持不變，而一次風壓逐步降低，一次風機電流同步降低，電流降至加負荷前狀態，從而體現出一次風機經濟運行的效果。

圖4 機組在調試期間的一段運行曲線

3 節能效益評估

在一定條件下，退出和投入一次風自適應控制系統，在不同負荷下比較一次風機功率，計算節能效果。一次風機參數取自SIS系統數據，一次風機功率從6 kV配電室記錄，節電率計算公式為：節電率=(退出時的總電流或總功率-投入時的總電流或總功率)/退出時的總電流或總功率×100。

表1為退出和投入一次風自適應控制系統有關參數的比較。

表1 退出和投入一次風自適應控制系統有關參數的比較

在440～878 MW的試驗負荷內，一次風機節電功率為195～465 kW，一次風機節電率為5.0%～15.0%；以各負荷點試驗的一次風機節電功率平均計算(平均負荷688 MW)，1號鍋爐一次風機平均節約功率268 kW，平均節約廠用電率0.04%，一次風機平均節電率7.6%，以年運行7 267 h(假設該機組年利用5 000 h)，上網電價(含稅)為0.53元/(kW·h)，則應用一次風自適應控制系統的年經濟效益為103萬元，鍋爐運行一次風壓的降低，可使空氣預熱器漏風率有所下降，引風機電耗也會相應下降。

4 結語

(1) 在試驗條件下，該鍋爐應用一次風自適應控制系統后，在440～878 MW的試驗負荷內，一次風機節電功率為195～465 kW，一次風機節電率為5.0%～15.0%。

(2) 在同樣磨煤機組合下，隨給煤量下降，一次風機節電率升高。

(3) 在試驗條件下，該鍋爐應用一次風自適應控制系統的年經濟效益約為103萬元。

(4) 該鍋爐運行一次風壓的降低，可使空氣預熱器漏風率有所下降，引風機電耗也會相應下降。

(5) 該鍋爐應用一次風自適應控制系統具有足夠的安全邊際，不必人為設定一次風壓運行下限。

一次風壓為制粉系統運行的重要參數，項目設計的一次風自適應控制系統充分考慮了磨煤機風量不足、密封風下磨碗壓差低、磨煤機出口溫度高等異常情況對一次風壓的要求，對大多數電廠鍋爐來說，一次風壓不存在其他影響鍋爐安全運行的條件，因此，設定一次風壓運行下限是不必要的。建議保證一次風自適應控制系統的投運率，不必人為設定一次風壓運行下限。

[1] 吳偉. 高壓變頻器在電廠一次風機上的實際應用[J]. 科技與創新, 2016(1): 161.

[2] 李小強,周靜,譚厚章. 火電廠一次風機節能改造研究[J]. 通訊世界, 2016(2): 235-237.

[3] 王晨光. 300 MW循環流化床鍋爐一次風機變頻改造及耗能分析[J]. 現代工業經濟和信息化, 2016, 6(4): 16-17, 29.

[4] 孫大偉, 石清鑫, 喬海勇, 等. 600 MW機組一次離心風機系統的整體優化節能改造[J]. 風機技術, 2016, 58(2): 78-80, 90.

ApplicationStudyonanAdaptiveControlSystemofPrimaryAirPressurein1000MWUnit

Lin Dianpeng, Wang Chuhong, Li Daji, Jiang Yong

(Huaneng Haimen Power Plant, Shantou 515132, Guangdong Province, China)

To reduce the power consumption of primary air fans, an adaptive control system of primary air pressure was designed and applied by adding an independent adaptive primary air pressure bias circuit based on the original setting value, thus gradually reducing the primary air pressure and the power consumption of primary air fans under the premise of ensuring the safe operation of the coal pulverizing system. Meanwhile both the air preheater leakage rate and the power consumption of induced draft fans drop accordingly due to the reduction of primary air pressure, resulting in obvious energy saving effect.

primary air pressure; adaptive system; control strategy; energy saving

2016-12-02；

2016-12-27

林典鵬(1983—)，男，工程師，從事大型火電機組生產管理及其優化工作。E-mail: frank133@126.com

TK223.26

A

1671-086X(2017)06-0403-04