基于補(bǔ)償式防堵取樣的引風(fēng)機(jī)失速控制優(yōu)化

王小龍，李 堅(jiān)

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

某廠1號(hào)爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1900/25.4-II2型600 MW超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，其引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)經(jīng)超低排放改造后，實(shí)現(xiàn)了引增合一，并列布置2臺(tái)Howden雙級(jí)動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流式引風(fēng)機(jī)，型號(hào)ALT-2968/1400R，主要由外殼、進(jìn)氣箱、擴(kuò)散筒、葉輪、軸承箱及附屬軸承密封風(fēng)機(jī)等組成。工作時(shí)煙氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)氣室，經(jīng)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉輪的作功產(chǎn)生靜壓能和動(dòng)壓能，后導(dǎo)向葉輪將煙氣的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入擴(kuò)壓器降速降壓后排至脫硫系統(tǒng)。軸承密封風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)機(jī)軸承進(jìn)行密封和冷卻。動(dòng)葉采用液壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為25°～79°(0 %～100 %)。

引風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的壓升一定程度上與進(jìn)氣角α成正比。當(dāng)α低于臨界值，空氣將沿著葉片表面流動(dòng)。當(dāng)α超過臨界值，氣流將離開葉片的弧形表面形成湍流，氣流在葉片背部的流動(dòng)遭到破壞，升力減小，阻力增加，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速。失速將引起壓力和流量的損失，并導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)機(jī)械部件以及相鄰風(fēng)道的劇烈振動(dòng)，影響機(jī)組帶高負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成機(jī)組跳閘，風(fēng)機(jī)葉片損壞，引發(fā)安全事故。因此對(duì)引風(fēng)機(jī)失速控制進(jìn)行深入探究，提出有效合理的控制策略和方法，避免引風(fēng)機(jī)發(fā)生失速，對(duì)機(jī)組的安全有效運(yùn)行有著重要意義。

1 存在的問題

目前， 1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)經(jīng)超低排放改造后，其失速差壓的取樣裝置采用常規(guī)的防堵取樣探頭，雖然有一定程度的防堵效果，但取樣探頭還是會(huì)經(jīng)常堵塞。在實(shí)際運(yùn)行中， 1號(hào)爐A/B引風(fēng)機(jī)失速取壓探頭多次出現(xiàn)堵塞而導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)失速差壓偏離正常值，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作造成引風(fēng)機(jī)跳閘，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來很大的影響。

2017-07-19，1號(hào) 機(jī) 組 負(fù) 荷551.9 MW，A，B引風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，A引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉開度82.4 %，B引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉開度78.59 %。A引風(fēng)機(jī)失速差壓測(cè)點(diǎn)低壓側(cè)取樣堵，無風(fēng)壓，造成A引風(fēng)機(jī)失速差壓大于500 Pa且超過120 s，觸發(fā)引風(fēng)機(jī)跳閘條件“A引失速且動(dòng)葉開度大于36 %跳閘”保護(hù)誤動(dòng)作，導(dǎo)致A引風(fēng)機(jī)跳閘、A送風(fēng)機(jī)聯(lián)跳、RB保護(hù)動(dòng)作，減負(fù)荷至300 MW。當(dāng)引風(fēng)機(jī)失速差壓(模擬量)大于500 Pa且葉片角度大于43°(動(dòng)葉開度大于36 %)時(shí)，延時(shí)120 s跳閘引風(fēng)機(jī)。

優(yōu)化改造之前，針對(duì)引風(fēng)機(jī)失速取樣堵塞的問題，只能采取加強(qiáng)設(shè)備巡檢，定期對(duì)取樣管路進(jìn)行吹掃，利用機(jī)組停運(yùn)期間對(duì)失速差壓測(cè)點(diǎn)取樣裝置進(jìn)行通堵清理的措施。但在吹掃和清堵期間，失速差壓的測(cè)量和保護(hù)聯(lián)鎖就要中斷和解除，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)失速差壓取樣既要防堵又要測(cè)量準(zhǔn)確的問題依然無法徹底解決。引風(fēng)機(jī)控制邏輯中針對(duì)失速工況的設(shè)置和自動(dòng)控制有待進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

2 優(yōu)化方案

2.1 控制邏輯優(yōu)化

為避免引風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)采用了失速自動(dòng)控制邏輯，通過完善的控制邏輯確定出運(yùn)行工況點(diǎn)的當(dāng)前位置并監(jiān)測(cè)引風(fēng)機(jī)失速差壓，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)在性能曲線穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，失速差壓變動(dòng)較小，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)超過失速線，失速差壓會(huì)變的很大，此時(shí)通過失速差壓報(bào)警與引風(fēng)機(jī)失速控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)葉角度，使風(fēng)機(jī)脫離失速區(qū)，達(dá)到安全運(yùn)行目的。

通過對(duì)引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性研究和分析，應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)引風(fēng)機(jī)控制邏輯中失速報(bào)警邏輯、自動(dòng)控制邏輯進(jìn)行了如下優(yōu)化措施。

(1) 當(dāng)引風(fēng)機(jī)失速差壓(模擬量)大于等于500 Pa時(shí)，“引風(fēng)機(jī)失速”報(bào)警，并有聲光報(bào)警及顯示，提醒運(yùn)行監(jiān)盤人員及時(shí)采取措施并切除引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)，及時(shí)降低機(jī)組負(fù)荷及鍋爐總風(fēng)量，調(diào)整好爐膛負(fù)壓，使失速引風(fēng)機(jī)出力降至失速點(diǎn)以下運(yùn)行，待失速引風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行后，調(diào)整好機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，再投入引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(2) 當(dāng)引風(fēng)機(jī)失速差壓(模擬量)大于等于500 Pa、葉片角度大于45°(動(dòng)葉開度大于38 %)且引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉在自動(dòng)，運(yùn)行人員未及時(shí)采取措施切除引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉開度指令則自動(dòng)降至36 %，控制引風(fēng)機(jī)及時(shí)脫離失速工況，保證引風(fēng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，待引風(fēng)機(jī)失速差壓恢復(fù)至正常范圍且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后再恢復(fù)正常開度。

(3) 根據(jù)1號(hào)爐引風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合引風(fēng)機(jī)失速曲線，為防止風(fēng)機(jī)超出力運(yùn)行引起失速，在邏輯中限制引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉最大開度為93 %，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，不管引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)采用自動(dòng)或手動(dòng)方式，均應(yīng)控制動(dòng)葉開度不要超過限制值。

2.2 測(cè)量裝置改造

失速差壓測(cè)量裝置的準(zhǔn)確可靠，能夠使運(yùn)行監(jiān)盤人員及時(shí)監(jiān)視引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況和差壓數(shù)據(jù)，并根據(jù)引風(fēng)機(jī)的失速曲線，采取相應(yīng)措施，避免風(fēng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行。真實(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，也可以有效提高風(fēng)機(jī)失速控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，保證風(fēng)機(jī)在特性曲線允許區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

引風(fēng)機(jī)失速控制采用差壓式測(cè)量探頭，分別由高壓側(cè)探頭和低壓側(cè)探頭組成，按照引風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)方向先后布置，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量越小，失速壓差值越大。失速探頭與控制系統(tǒng)的差壓開關(guān)連接。當(dāng)失速探頭測(cè)量的差壓值達(dá)到報(bào)警值，應(yīng)能快速靈敏地發(fā)出報(bào)警，提醒運(yùn)行操作人員及時(shí)采取相應(yīng)的措施；當(dāng)失速探頭測(cè)量的差壓值達(dá)到邏輯整定的跳機(jī)值時(shí)，保護(hù)應(yīng)能準(zhǔn)確可靠動(dòng)作，跳閘相應(yīng)引風(fēng)機(jī)，從而避免風(fēng)機(jī)進(jìn)一步受到損壞。

在引風(fēng)機(jī)失速測(cè)量裝置的高低壓側(cè)差壓取樣管上，增加HBC-2a型補(bǔ)償式防堵吹掃裝置，設(shè)置調(diào)壓穩(wěn)壓器、流量控制器和內(nèi)置壓力補(bǔ)償器的取樣吹掃探頭。正常運(yùn)行時(shí)，向取樣裝置內(nèi)通入符合表1技術(shù)要求的壓縮空氣，保證連續(xù)不斷地向取樣管及探頭內(nèi)通風(fēng)吹掃，并在取樣管內(nèi)設(shè)置補(bǔ)償器，利用流體力學(xué)的動(dòng)壓補(bǔ)償原理，消除取樣管內(nèi)吹掃氣體額外產(chǎn)生的壓力，從而有效保證了失速差壓測(cè)量的真實(shí)準(zhǔn)確。首次投運(yùn)補(bǔ)償式防堵吹掃前，應(yīng)關(guān)閉調(diào)壓穩(wěn)壓器及吹掃氣源，直接測(cè)量風(fēng)煙管道內(nèi)的差壓值，觀察差壓的波動(dòng)情況。當(dāng)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定正常后，慢慢打開調(diào)壓穩(wěn)壓器和流量控制器將吹掃氣控制為0.2 MPa，流量為1 m3/h，調(diào)整與無吹掃時(shí)所測(cè)量的差壓值應(yīng)一樣，若有偏差再作微調(diào)。

表1 吹掃裝置主要技術(shù)指標(biāo)

3 論證分析

1號(hào)機(jī)組A/B引風(fēng)機(jī)失速差壓取樣裝置經(jīng)補(bǔ)償式防堵吹掃改造完后，其失速差壓取樣系統(tǒng)示意如圖1所示。圖1中，經(jīng)吹掃氣減壓閥和流量控制器調(diào)整后的恒流恒壓吹掃氣源，通過圖中補(bǔ)償裝置的1-1橫截面、取樣吹掃管的2-2橫截面后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)煙氣通道，同時(shí)吹掃氣通過補(bǔ)償裝置的樣氣取樣孔進(jìn)入失速變送器進(jìn)行差壓測(cè)量。

圖1 改造后的失速差壓取樣系統(tǒng)示意

設(shè)通過圖中截面1-1，2-2處的面積為A1，A2；壓力為P1，P2；流速為V1，V2；高度為Z1，Z2；1-1截面至2-2截面間的管阻力系數(shù)為ξ；阻力消耗能量為hω；氣體的密度為ρ。

則根據(jù)伯努利方程，1-1，2-2兩截面之間的方程為：

由于氣體的流動(dòng)壓差可以不考慮，設(shè)1-1，2-2的高度基本相等，而，則(1)式可化成：

由式(2)可知，要使P1=P2，只要滿足式(3)即可。

由于1-1與2-2截面為串聯(lián)管路，則流量相等，其連續(xù)性方程為：

因此，經(jīng)分析可知，只要改變吹掃氣體流通的橫截面積，調(diào)節(jié)截面1-1處的過截面滿足式使P1等于P2，保證吹掃氣源的動(dòng)壓和氣體流通過的吹掃取樣管所產(chǎn)生的阻力一樣，取樣點(diǎn)所測(cè)量到的壓力就是煙道內(nèi)真實(shí)的煙氣壓力，即失速變送器測(cè)量的差壓值即為引風(fēng)機(jī)葉片的真實(shí)失速差壓。

從實(shí)際的投運(yùn)情況來看，改造后引風(fēng)機(jī)失速差壓取樣裝置運(yùn)行穩(wěn)定，防堵吹掃效果良好，取壓管和探頭未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，取壓口保持正常微負(fù)壓狀態(tài)，引風(fēng)機(jī)失速差壓曲線平穩(wěn)無異常波動(dòng)。差壓值能準(zhǔn)確地反映出引風(fēng)機(jī)的真實(shí)工作狀況。引風(fēng)機(jī)的流量越小，失速探頭的壓差越大，反之壓差越小，從而有效保障了設(shè)備及機(jī)組的安全性和可靠性。

4 結(jié)束語

通過應(yīng)用自動(dòng)控制理論優(yōu)化完善引風(fēng)機(jī)失速報(bào)警邏輯、自動(dòng)控制邏輯，有效防止了引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的失速運(yùn)行、失速保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象。利用流體力學(xué)的動(dòng)壓補(bǔ)償吹掃方法，實(shí)現(xiàn)了差壓測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)連續(xù)吹掃，準(zhǔn)確地反映出失速測(cè)點(diǎn)的差壓值，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，徹底解決了因測(cè)量值異常而導(dǎo)致的失速保護(hù)誤動(dòng)跳閘現(xiàn)象。同時(shí)，補(bǔ)償式防堵吹掃取樣的優(yōu)化策略也很好地解決了風(fēng)煙管道多粉塵和高溫狀態(tài)下壓力測(cè)量管路的堵塞和燒毀現(xiàn)象。此技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可有效解決發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)磨煤機(jī)磨碗上下部差壓、密封風(fēng)與磨碗差壓等既要防堵又要測(cè)量準(zhǔn)確的壓力測(cè)量問題，并適合在行業(yè)內(nèi)多種差壓式取樣裝置上推廣應(yīng)用，可有效提高差壓式取樣裝置運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性，并為將來有關(guān)差壓式取樣裝置的優(yōu)化改造提供了經(jīng)驗(yàn)。