基于電機(jī)動態(tài)投入的火電廠翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制方案

段發(fā)銀，王振濤，盧曉晨，汪 鋒，侯建國

（1.華能德州電廠，山東 德州 253004；2.華能山東發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

以煤炭為燃料的火力發(fā)電仍然是我國電力的主要來源。過去燃煤電廠通過人工的方式對入廠煤炭進(jìn)行卸車，操作繁瑣且效率極低［1］。為解決該問題，近年來許多火電廠已開始采用基于PLC 控制的翻車機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)卸煤過程的自動化控制［2-9］。與人工卸煤的方式相比，基于PLC 控制的翻車機(jī)系統(tǒng)能顯著降低卸煤過程中的人工成本，提升了該過程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。然而，目前火電廠中翻車機(jī)系統(tǒng)的管理與控制模式仍較為粗糙，在節(jié)能控制方面有待進(jìn)一步提升。

火電廠中的翻車機(jī)系統(tǒng)是用來翻卸鐵路運(yùn)煤的大型機(jī)械系統(tǒng)，包括翻車機(jī)、撥車機(jī)、遷車臺、推車機(jī)等設(shè)備［10］。撥車機(jī)負(fù)責(zé)牽引重車至翻車機(jī)內(nèi)，其動作過程可分為牽車與接車兩部分；推車機(jī)負(fù)責(zé)推出空車至空車線上，其動作過程可分為推出與返回兩部分。在上述四部分中，撥車機(jī)與推車機(jī)在同一動作過程的兩部分以及不同動作過程中，設(shè)備牽引力與推力均發(fā)生變化。設(shè)備運(yùn)行工況發(fā)生上述改變時(shí)，相應(yīng)的電機(jī)卻均仍處于恒轉(zhuǎn)矩滿負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，降低翻車機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，不利于系統(tǒng)的節(jié)能控制與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［11-15］。

以某電廠兩臺700 MW 機(jī)組翻車機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能控制為研究對象。該翻車機(jī)系統(tǒng)中，每臺FZ1-2 型C形轉(zhuǎn)子式翻車機(jī)配置2臺45 kW 變頻電機(jī)，每臺撥車機(jī)配置6 臺55 kW 變頻電機(jī)，每臺推車機(jī)配置2 臺55 kW變頻電機(jī)，每臺遷車臺配置2臺7.5 kW變頻電機(jī)，每臺翻車機(jī)出力為每小時(shí)25 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)車皮，每小時(shí)作業(yè)1 500 t，采用AB SLC 5/04 PLC 程序控制方式運(yùn)行。通過對電機(jī)牽引力以及重車阻力、電機(jī)推力以及空車阻力的計(jì)算，確立電機(jī)跟隨負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的分工況運(yùn)行方式，使系統(tǒng)在滿足工作需求的基礎(chǔ)上，減少電機(jī)投入率。按照上述原則，有針對性地對翻車機(jī)系統(tǒng)中撥車機(jī)與推車機(jī)兩大設(shè)備的電控系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化，制定基于電機(jī)動態(tài)投入的翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制方案，修改完善現(xiàn)有的PLC 程序及硬件控制回路。翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制優(yōu)化方案可降低廠用電消耗與設(shè)備損耗，延長設(shè)備壽命，提高翻車機(jī)的生產(chǎn)效率。

1 翻車機(jī)系統(tǒng)的控制優(yōu)化方案

待改進(jìn)翻車機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備有翻車機(jī)、撥車機(jī)、遷車臺和推車機(jī)，各設(shè)備的電機(jī)配備情況以及功率參數(shù)如表1 所示。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，待改進(jìn)系統(tǒng)的翻車機(jī)和遷車臺運(yùn)行時(shí)電機(jī)需要全部投入工作，因此待改進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)對象為撥車機(jī)與推車機(jī)。對翻車機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行工況的分析與工作階段的劃分，通過數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，得到撥車機(jī)、推車機(jī)的優(yōu)化參數(shù)；在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)關(guān)系確立控制優(yōu)化邏輯，確定控制優(yōu)化方案。

表1 翻車機(jī)系統(tǒng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.1 撥車機(jī)參數(shù)優(yōu)化

撥車機(jī)負(fù)責(zé)牽引重車［16］，其動作過程可分為如圖1 所示的三步。步序1 與步序2 工作在牽車向，步序3 工作在接車向。步序1：撥車機(jī)負(fù)責(zé)將重車牽至人工摘鉤位，撥車機(jī)所牽車節(jié)隨著翻車進(jìn)程逐步減少至零；步序2：撥車機(jī)負(fù)責(zé)牽引單節(jié)重車自人工摘鉤位至翻車機(jī)內(nèi)，并將空車牽至遷車臺；步序3：撥車機(jī)完成牽車作業(yè)，沿行走路線返回至重車接車位，進(jìn)入下一輪作業(yè)。

圖1 撥車機(jī)工作步序

進(jìn)行撥車機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化，需要分別對步序1到步序3進(jìn)行電機(jī)投入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算。

重車單車節(jié)的牽引阻力

式中：mz為單節(jié)重車的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際取100 t；g為重力加速度，取10ms2；f為火車軌道摩擦系數(shù)，取0.2。

由式（1）可計(jì)算出單節(jié)重車的牽引阻力Fz的值為2×106N，若一列運(yùn)煤火車的車節(jié)上限為60 節(jié)，則重車牽引阻力與重車節(jié)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 重車牽引阻力與重車節(jié)數(shù)對應(yīng)關(guān)系

撥車機(jī)的電機(jī)牽引力

式中：Pb為撥車機(jī)的牽引電機(jī)功率；v0為火車車節(jié)的啟動速度；以上兩參數(shù)按電廠生產(chǎn)實(shí)際分別取55 kW與0.01ms。

由式（2）可計(jì)算得出單臺撥車機(jī)電機(jī)的牽引力Fb的值為4.675×106N，則撥車機(jī)電機(jī)牽引力與投入電機(jī)臺數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 撥車機(jī)電機(jī)牽引力與電機(jī)臺數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由表2 和表3 可以得到撥車機(jī)電機(jī)投入數(shù)與待卸重車節(jié)數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如表4所示。

表4 撥車機(jī)電機(jī)投入?yún)?shù)對應(yīng)關(guān)系

1.2 推車機(jī)參數(shù)優(yōu)化

推車機(jī)負(fù)責(zé)將卸料后由遷車臺平移而來的空車節(jié)推入空車線［17］。其動作過程可分為如圖2 所示的兩步。步序1工作在推車向，步序2工作在接車向。步序1 中，推車機(jī)推單個(gè)空車節(jié)由遷車臺入空車線，并與上節(jié)空車進(jìn)行車節(jié)對接；步序2 中，推車機(jī)推車到位后，空載返回接車位。

圖2 推車機(jī)工作步序

進(jìn)行推車機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化，需要進(jìn)行電機(jī)投入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算。

空車單車節(jié)的阻力

式中：mq為單節(jié)空車的質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際取30 t。

根據(jù)式（3）可計(jì)算出單節(jié)空車的阻力Fq的值為6×104N，以運(yùn)煤火車一列60 節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)，則空車阻力與空車節(jié)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 空車阻力與空車節(jié)數(shù)對應(yīng)關(guān)系

推車機(jī)的電機(jī)推力

式中：Pt為推車機(jī)的牽引電機(jī)功率，按電機(jī)參數(shù)取55 kW。

根據(jù)式（4）可計(jì)算得出單臺推車機(jī)電機(jī)的推力Fb的值為4.675×106N，則推車機(jī)電機(jī)推力與投入電機(jī)臺數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表6所示。

表6 推車機(jī)電機(jī)推力與電機(jī)臺數(shù)對應(yīng)關(guān)系

由表5 和表6 可得出推車機(jī)電機(jī)投入數(shù)與已卸空車節(jié)數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如表7所示。

表7 推車機(jī)電機(jī)投入?yún)?shù)對應(yīng)關(guān)系

1.3 基于電機(jī)動態(tài)投入的翻車機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算得出撥車機(jī)與翻車機(jī)的控制優(yōu)化參數(shù)，綜合協(xié)調(diào)翻車過程中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行工況，確立了基于電機(jī)動態(tài)投入的翻車機(jī)系統(tǒng)。

撥車機(jī)在牽車過程中，牽引整列重車時(shí)投入6臺電機(jī)運(yùn)行，在作業(yè)至第10節(jié)至第20節(jié)重車時(shí)投入5 臺電機(jī)運(yùn)行，在作業(yè)至第20 節(jié)至第30 節(jié)重車時(shí)投入4 臺電機(jī)運(yùn)行，在作業(yè)第30 節(jié)至第40 節(jié)重車時(shí)投入3臺電機(jī)運(yùn)行，在作業(yè)剩余所有車節(jié)時(shí)投入2臺電機(jī)運(yùn)行；撥車機(jī)在牽引單節(jié)車送至遷車臺以及接車返回時(shí)只投入2 臺電機(jī)運(yùn)行。推車機(jī)在推前20 節(jié)空車時(shí)投入1臺電機(jī)運(yùn)行，20節(jié)空車后投入2臺電機(jī)運(yùn)行，返回全程只投入1臺電機(jī)運(yùn)行。

控制優(yōu)化方案以撥車機(jī)、推車機(jī)工作時(shí)的各個(gè)步序?yàn)閮?yōu)化對象。撥車機(jī)的優(yōu)化情況如圖3 所示，步序1 的電機(jī)投入數(shù)調(diào)整如圖3（a）所示，步序2 和步序3的電機(jī)投入數(shù)調(diào)整情況一致，如圖3（b）所示；推車機(jī)有兩步序，步序1 的電機(jī)投入數(shù)調(diào)整如圖4（a）所示，步序2的電機(jī)投入數(shù)調(diào)整如圖4（b）所示。

圖3 撥車機(jī)電機(jī)動態(tài)投入

圖4 推車機(jī)電機(jī)動態(tài)投入

2 改進(jìn)翻車機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與效果

2.1 實(shí)現(xiàn)方法

改進(jìn)后翻車機(jī)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證通過軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)，具體步驟為PLC 程序的編寫以及控制柜相關(guān)控制回路的搭建。

翻車機(jī)系統(tǒng)采用AB SLC 5/04 PLC 程序控制方式運(yùn)行。PLC 系統(tǒng)修改靈活，可操作性強(qiáng)［18］，可直接修改程序中撥車機(jī)、推車機(jī)邏輯段。在原有程序基礎(chǔ)上，在撥車機(jī)低速、中速、高速以及推車機(jī)低速、高速各程序段輸出點(diǎn)前分別加入翻車節(jié)數(shù)判斷，確定撥車機(jī)、推車機(jī)的電機(jī)投入數(shù)；將撥車機(jī)低速、中速、高速各程序段單個(gè)輸出點(diǎn)改為6 個(gè)輸出點(diǎn)，分別控制撥車機(jī)6 臺電機(jī)，將推車機(jī)低速、高速各程序段單個(gè)輸出點(diǎn)改為2個(gè)輸出點(diǎn)，分別控制推車機(jī)2臺電機(jī)。

此外，需調(diào)整翻車機(jī)系統(tǒng)的硬件控制回路以適應(yīng)PLC 程序的改動［19-20］。改進(jìn)翻車機(jī)配電室撥車機(jī)、推車機(jī)控制柜相關(guān)控制回路，增加各盤柜間聯(lián)絡(luò)電纜，將撥車機(jī)低速、中速、高速輸出繼電器分別擴(kuò)展為6 個(gè)輸出繼電器，分別控制撥車機(jī)6 臺電機(jī)。將推車機(jī)低速、高速輸出繼電器分別擴(kuò)展為2 個(gè)輸出繼電器，分別控制推車機(jī)2 臺電機(jī)。特別地，在翻車機(jī)系統(tǒng)上位機(jī)畫面增加選擇按鈕，當(dāng)整列重車送車過位或撥車機(jī)牽引過程中出現(xiàn)異常運(yùn)行工況時(shí)（如，提銷、落銷等），運(yùn)行人員可以選擇原程序而不影響系統(tǒng)的自動運(yùn)行。

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

改進(jìn)后的翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果較理想，在系統(tǒng)設(shè)備各個(gè)作業(yè)流程中均可按改進(jìn)方案調(diào)整電機(jī)投入率。

通過現(xiàn)場計(jì)時(shí)，撥車機(jī)牽引整列重車至摘鉤位時(shí)間為40 s，牽引單節(jié)車送至遷車臺時(shí)間為65 s，撥車機(jī)接車返回時(shí)間為65 s；推車機(jī)推車時(shí)間為105 s，返回時(shí)間為70 s。

撥車機(jī)與推車機(jī)作業(yè)流程中的省電量計(jì)算匯總?cè)绫?—表9所示。

表8 撥車機(jī)作業(yè)省電量

表9 推車機(jī)作業(yè)省電量

2.3 節(jié)能效果

以輸煤列車一列60 車節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)，在相同運(yùn)行工況下，改進(jìn)前后翻車機(jī)系統(tǒng)中撥車機(jī)與推車機(jī)的用電量情況如圖5所示。

圖5 撥車機(jī)與推車機(jī)節(jié)能效果

由圖5 可以看出，通過本文所提改進(jìn)方案，推車機(jī)的用電量由930.6 kWh 降為370.7 kWh，節(jié)能效果達(dá)到60.2%；撥車機(jī)的用電量由316.8 kWh 降為222.2 kWh，節(jié)能效果達(dá)到29.9%。

由于改進(jìn)方案以10 車節(jié)為電機(jī)投入率調(diào)整區(qū)間，因此將方案改進(jìn)前后的系統(tǒng)用電量情況按10 車節(jié)為區(qū)間統(tǒng)計(jì)整理，如表10—表11所示。

表10 翻車機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)前用電量

表11 翻車機(jī)系統(tǒng)改進(jìn)后用電量

方案改進(jìn)前后的累計(jì)用電量對比如圖6 所示，方案改進(jìn)前后節(jié)能效果理想，改進(jìn)后的系統(tǒng)用電量在每一車節(jié)區(qū)間內(nèi)的節(jié)能效果略有波動，但節(jié)能百分比浮動在±3%內(nèi)呈平緩曲線上升，可認(rèn)為節(jié)能控制效果理想。

圖6 翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果

以上參數(shù)為翻卸一列60 節(jié)輸煤列車的用電情況與節(jié)能效果，在此基礎(chǔ)上的實(shí)際節(jié)能效果需要結(jié)合電廠機(jī)組負(fù)荷并且考慮由于電機(jī)投入率減少帶來的工作時(shí)間延長的問題。按某電廠平均每天來車6列計(jì)算，電機(jī)投入率調(diào)整帶來的實(shí)際節(jié)能效果降低通過引入系數(shù)δ修正，則年節(jié)約電量約為

式中：∑W為修正前的改進(jìn)翻車機(jī)系統(tǒng)單日省電量，按圖5 計(jì)算取3 927 kWh；dy為年天數(shù)，取365；q為上網(wǎng)電價(jià)，按0.4 元/kWh 計(jì)算；δ為經(jīng)濟(jì)效益修正系數(shù)，按生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取0.7。

根據(jù)式（5）計(jì)算得年節(jié)約廠用電費(fèi)Ey約40.13萬元。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)火電廠翻車機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)在翻車卸料過程中始終處于恒轉(zhuǎn)矩滿負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，不僅增加了設(shè)備損耗、降低設(shè)備壽命，而且也不利于翻車機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

提出了一種基于電機(jī)動態(tài)投入的火電廠翻車機(jī)系統(tǒng)節(jié)能控制方案，通過軟硬件協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)改進(jìn)控制策略。該方案首先修改PLC 程序，按照撥車機(jī)與翻車機(jī)各速度段增加車節(jié)判定與電機(jī)動態(tài)投入單元；然后修改配電室控制回路，加裝盤柜間聯(lián)絡(luò)電纜，擴(kuò)展撥車機(jī)與翻車機(jī)出口繼電器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的獨(dú)立控制。改進(jìn)后的翻車機(jī)系統(tǒng)可使電機(jī)跟隨系統(tǒng)負(fù)荷動態(tài)調(diào)整出力，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，降低電機(jī)投入率與翻車機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。