火電機組GBL型撈渣機系統的優化改造策略

孫建國,石家魁,孫殿承,鄭翔宇,胡金偉,萬 杰

(1.北方聯合電力有限責任公司達拉特發電廠,內蒙古 達拉特 014300;2.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.黑龍江苑博信息技術有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001;4.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司,上海 200063)

0 引言

鍋爐常用的濕式刮板撈渣機除渣系統是火電機組的重要輔機設備系統之一[1]。當前，許多大功率火電機組鍋爐都配備了傳統刮板式撈渣機(GBL型撈渣機)。隨著科技進步，現代工業生產都朝著生產高度自動化和控制高度智能化的方向快速發展。以國內占主流的火電機組為例，因其需長期維持安全、高效、環保運行，對撈渣機等輔助設備的綜合性能提出了更高要求。然而，目前運行的許多300 MW及600 MW火電機組投產時間較早，部分甚至已服役達20年。其原設計配備的撈渣機的控制策略和運行方式已無法很好地滿足現代生產的安全、經濟、環保需求。因此，需對撈渣機進行相應的優化改造[2]。

不少文獻針對硬件的故障診斷和升級改造開展相關研究工作，對撈渣機鏈條、電機、刮板以及就地控制箱等設備進行故障排查和技術改造，解決其經常出現的脫掉鏈、斷齒、刮板脫落等故障。此外，還有研究人員針對進口撈渣機刮板驅動裝置故障頻出的實際問題，直接將其升級改造為國產化設備[3-4]。文獻[5]通過對轉動機械故障的研究，提出了一種結合變分模態分解(variational mode decomposition,VMD)樣本熵和混合布谷鳥改進的機械傳動電機軸承故障診斷方法。該方法對撈渣機類診斷仍然有效。文獻[6]提出以國產渣鏈替代進口鏈條，從而降低機組國外設備的維護保養費用。同時，也有研究人員對撈渣機運行控制方式優化改進方面開展了探索。如：文獻[7]設計了撈渣機密封水水位自動控制系統的模糊控制器；文獻[8]改進了刮板撈渣機斷鏈保護控制系統。

此外，還有針對機組刮板撈渣機臺數及關斷門設置的探討研究。文獻[9]介紹了某發電廠6號爐撈渣機因鏈輪跑偏、軸承磨損導致斷鏈信號誤發問題，提出了對斷鏈保護信號檢測裝置的改進方案。文獻[10]應用以太網技術，將主機控制系統和鍋爐其他輔助控制系統組成網絡，并設計不同方式，以滿足不同工況對撈渣機的需要，從而實現變工況下的撈渣機控制。綜上所述，研究關于提升鍋爐GBL型撈渣機水位參數監測準確性，并提高其整體自動化監控水平的權威公開文獻相對較少。

本文提出了一種GBL型水浸式撈渣機控制系統的優化改造策略：通過對撈渣機增加遠程自控制系統，在提高其自動化程度的基礎上，增加其對渣量變化的適應性；同時，對渣水的水位測量方法進行優化設計，提高了爐底水封安全及鍋爐整體密封性。6臺330 MW機組的實際應用效果顯示：該撈渣機控制系統的優化改造策略，可同時顯著提高撈渣機的自動控制性能及安全可靠性。

1 機組撈渣機概況及存在問題分析

1.1 機組撈渣機概況

本文以北方聯合電力有限責任公司達拉特發電廠(以下簡稱“達拉特電廠”)配備的6臺亞臨界330 MW供熱機組為研究對象。該機組由法國阿爾斯通和中國北重生產。該廠分三期建設：一期2臺機組分別于1995年和1996年投產；二期2臺機組分別于1998年、1999年投產；三期2臺機組分別于2004投產。一、二期4臺機組運行壽命已超過20年，三期2臺機組運行壽命也接近20年。所以，這6臺機組鍋爐配備的都是傳統GBL型水浸式刮板撈渣機，利用圓環鏈式刮板實現對鍋爐灰渣的連續清除。其撈渣機殼體為雙層矩形截面，上層為水封槽，下層為回鏈槽，放在鍋爐排渣口下面；鍋爐排出的灰渣直接落入水封槽內，經水淬后落到水封槽底，隨同刮板鏈條沿槽底水平和向上傾斜移動，經有效脫水后由除渣機口排出、裝車運走。

1.2 撈渣機存在的問題分析

隨著火電機組靈活運行的需求以及智慧電廠的發展，對所有關鍵設備的綜合性能也提出了更高要求。剛投產不久的機組鍋爐撈渣機，在槽體、斜升段、鏈條、軸承等各部分均有針對性的設計和考慮,滿足了機組實際的高可靠性需求[11]。然而，隨著電網對火電機組運行靈活性要求的不斷提高，許多已運行服役十余年、甚至二十余年的鍋爐撈渣機仍采用原有運行控制方式，已無法滿足當前安全環保節能的實際生產需求。以達拉特電廠的6臺亞臨界330 MW供熱機組為例，其撈渣機設備在自動化水平及安全監測等方面還存在以下問題。

①撈渣機鏈條轉速控制，缺乏遠程操作手段。其主要操作由就地控制柜上電位器手動控制，通過調節電位器，將其電信號轉換為變頻器電壓，實現對撈渣機鏈條轉速的控制。因此，撈渣機的轉速控制只能由工作人員現場就地控制，無法進行遠程控制。與此同時，撈渣機的轉速控制只能由工作人員按照經驗間斷式調整，無法保證準確、有效的控制運行。

②撈渣機渣槽水位檢測由安裝在撈渣機側壁的音叉料位計監測，控制電動補水門進行補水，實現開環控制。由于撈渣機渣水中含有大量灰渣，音叉料位計經常堵塞而不能正常工作，而現場環境惡劣，給檢修維護帶來較大困難。

受煤種變化影響，即使在穩定工況下，燃燒后灰渣變化仍然較大；爐底密封不嚴，將導致過量空氣系數波動，不僅增加煤耗，嚴重時還將引起風機過電流等故障。爐底水封一旦失去，2 min內難以恢復，將引起滅火、停機等重大故障；水位監測還與電廠的節水節能相關，所以渣水水位監視及其重要。現有水位監測不便于檢修，就地工作環境比較復雜，爐渣、渣水溫度較高，給就地工作帶來安全隱患；與此同時，由于監測數據不穩，將無法支撐遠程水位調整操作。因此，撈渣機需要進行相應的優化改造。

2 撈渣機控制系統的優化改造策略

針對上述GBL型撈渣機實際存在的問題，對控制系統提出了優化改造策略。首先，針對性地設計了一套遠程操作系統，以確保撈渣機的運行適應機組渣量變化。同時，為了提高撈渣機水位監測的準確性、降低維護運行的工作量，優化設計了一套連通式液位檢測裝置。最后，撈渣機設備的就地操原始控制模式被遠程監視及操作所替代，設備自動化水平得到提高。該策略在保障撈渣機安全穩定運行的同時，降低了工作人員的勞動強度。

2.1 撈渣機的遠程監測及控制系統

為實現撈渣機的遠程監測控制，所設計的裝置主要包括轉速檢測裝置、變頻測量裝置以及信號傳輸裝置。其功能的實現主要體現在以下幾個方面。首先，將轉速測量裝置安裝在撈渣機鏈條上，實時獲取其轉速線號，并通過信號傳輸，把轉速信號遠傳至分散控制系統(distributed control system,DCS)機柜，實現對撈渣機轉速信號的遠程監測。然后，為檢測撈渣機的電流信號，在主動輪電機控制處安裝變頻器電流測量裝置，并把信號遠傳至DCS機柜，實現對撈渣機變頻器電流信號的遠程監測。最后，為實現對轉速的控制，對撈渣機電位器進行改造，由DCS機柜輸出電壓信號，輸入電位器，轉換為撈渣機變頻器的電流信號，并在DCS軟件中設計比例控制系統，實現對撈渣機鏈條轉速的遠程控制。為實現撈渣機堵轉的自動啟停，本文提出將堵轉保護信號加入DCS中。GBL 型撈渣機遠程監測控制方法設計策略如圖1所示。

圖1 GBL 型撈渣機遠程監測控制方法設計策略

函數f(x)的取值通過試驗獲得。在穩定機組工況下，手動調節撈渣機轉速，使每板的刮渣量一致，即撈渣量與落渣量一致。記錄此時撈渣機變頻器電流為x、撈渣機轉速為y。在機組不同工況下進行試驗，獲得一系列的撈渣機變頻器電流[x1，x2，…,xn]及其對應的撈渣機轉速[y1，y2，…,yn]，以及[x1，x2，…,xn]至[2y1，2y2，…,2yn]的映射關系，即函數f(x)。

2.2 撈渣機水位測量方法設計

撈渣機水位控制關系到機組的水耗和能耗[11-12]。為了進一步改善撈渣機的控制精確性，針對現有水位測量系統經常堵塞無法正常工作，以及檢修工作危險性大的問題，設計了一種新型的水位測量系統。新型水位測量系統原理如圖2所示。

圖2 新型水位測量系統原理示意圖

在撈渣機側壁上安裝取樣管。取樣管上安裝一個水槽。利用連通器原理，水槽中水位與撈渣機渣水水位相等。通過在水槽中安裝一個帶連桿的浮球，連桿與支架連接，水槽中水位的變化反映到連桿端位移的變化，連桿端與位移測量裝置連接。這樣，水槽中水位的變化通過位移測量裝置轉化為模擬量，同時檢修人員作業時的安全狀況也大大改善。由此可知，渣水水位=撈渣機渣水池底部到水槽底部距離(H)+水槽中水位(L)。

渣水中一般含有大量的灰渣，易造成取樣管堵塞。設計時，在取樣管口安裝濾網，同時在補水管路取一旁路管安裝于取樣管管口，通過定期打開手動閥對取樣管和濾網進行沖洗，以防止堵塞。上述工作完成后，把水位模擬量信號引入DCS或可編程邏輯控制器中實現水位閉環控制。根據實際情況，在程序中設置高、低水位，在高、低水位時實現調門超遲關和開，保證了鍋爐運行時爐底水封安全，節約用水。

3 實際應用及效果分析

對達拉特電廠6臺亞臨界330 MW供熱機組，應用了上述撈渣機控制系統的優化改造策略。圖3為圖1所述改造策略的DCS控制邏輯實現。圖3中：實線為模擬量信號；虛線為開關量信息。

圖3 DCS控制邏輯實現圖

由圖3可知，該設計邏輯處理在完成撈渣機電位器電壓計算的同時，實現了撈渣機的故障預警。

長期實際應用效果表明：升級后的撈渣機可針對不同渣量進行遠程適應性調整，既減少了就地人員的工作量和勞動強度，又降低了撈渣機電機能耗，并進一步減少了不必要的巡檢工作、提升了鍋爐運行的安全性和經濟性；與此同時，連通式水位計設計具有水位監測準確、便于檢修的特點，降低了鍋爐運行故障率、保障了鍋爐安全運行。此外，該優化改造方案成本低、便于實施，對同類撈渣機的升級改造極具借鑒意義。在此基礎上，后期達拉特電廠還將開展2臺亞臨界600 MW空冷機組的實際應用工作。

4 結論

針對電廠多臺火電機組GBL 型鍋爐撈渣機存在的實際問題，本文研究了撈渣機控制系統的優化改造策略，得到的結論如下。

①針對現有撈渣機存在就地人工監視與操作的問題，設計了一套撈渣機遠程自適應操作系統。在提高其自動化程度、降低運行人員工作量的基礎上，本文研究的策略增加了對渣量變化的適應性。

②針對原始渣水的水位測量方法存在的弊端，對水位測量方法進行優化改進，保證了爐底水封的安全性。

③經實際6臺亞臨界330 MW供熱機組優化改造后的長期運行效果顯示：撈渣機的渣量自動調整水平及撈渣機的運行可靠性都得到顯著提高。

該方案具有成本低、便于實施的特點，對同類撈渣機的升級改造極具借鑒意義。