300 MW機組磨煤機總風門優化控制的應用研究

姜烈偉

(廣東省韶關市韶關發電廠，廣東 韶關 512132)

0 引言

廣東省韶關發電廠10號機組為300 MW燃煤機組，所配鍋爐為DG1025/18.2-II10型燃用無煙煤的燃煤爐。該鍋爐是東方鍋爐廠根據引進的美國福斯特·惠勒公司的技術所制造的。它是一種具有亞臨界參數、單汽包自然循環、雙拱爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道、露天布置、全鋼全懸吊結構、固態排渣、“W”型火焰燃燒方式的鍋爐。鍋爐使用的制粉系統由福斯特·惠勒生產的D-11D型雙進雙出鋼球磨煤機和輔助設備組成，主要包括磨煤機驅動裝置、傳動裝置、盤車裝置、加球裝置、潤滑油系統、齒輪噴油系統、密封風系統、煤位測量系統和一次風總風門。

本文通過對磨煤機總風門的故障分析，在優化總風門控制回路的基礎上，提出了解決氣缸內活塞在全開位置不固定的方案。該方案解決了氣缸內磁性活塞開位置不固定所帶來的問題。2011年8月，韶關電廠10號爐磨煤機總風門控制回路等相關改造工作已完成。該方案應用至今，效果顯著。

1 設備簡介及控制原理

1.1 設備簡介

氣缸內活塞示意圖如圖1所示。

圖1 氣缸內活塞示意圖Fig.1 Schematic diagram of the piston in air cylinder

10號爐使用的制粉系統為正壓直吹式制粉系統。在一次風進入磨煤機前，設有一次風總風門。該門具有隔斷、快關的雙重功能，其作用是在磨煤機停止運行、跳閘或內部檢修時隔斷熱風，防止由于一次風泄漏過大而對磨煤機、鍋爐或檢修人員的安全產生影響。當磨煤機內著火時，一次風總風門快速關閉，切斷一次風的熱風來源，以防止磨煤機內的煤粉發生爆燃［1］。按照設計要求，總風門應關閉嚴密、靈活可靠，在冷、熱狀態下都不會出現卡澀。一次風總風門采用壓縮空氣為動力，推動氣缸內的活塞動作，通過與擋板連接的軸帶動擋板移動，從而實現總風門開關。

1.2 控制原理

改造前后的控制原理如圖2所示。

圖2 改造前后控制原理圖Fig.2 Control principles before and after retrofit

圖2中，A601與N601之間為220 VAC電源，K為小型斷路器，ZJ為電源監視繼電器，ZJ1～ZJ4為中間繼電器。一次總風門打開和關閉過程具體介紹如下。

①總風門打開過程

分散控制系統(distributed control system，DCS)發出打開總風門指令(open demand，OD)，則氣缸松開，電磁閥線圈SV2帶電，同時繼電器ZJ1動作，并通過自保持回路松開氣缸。氣缸松開到位后，總風門松開到位，磁性行程開關SR1接通;然后總風門打開，電磁閥線圈SV4帶電，直到總風門打開到位后總風門打開到位。磁性行程開關SR2接通，并復位DCS打開總風門指令OD，同時繼電器ZJ2閉合，繼電器ZJ3得電動作;繼電器ZJ3發出總風門打開狀態信號并自保持，完成整個總風門打開過程。

②總風門關閉過程

DCS發出關閉總風門指令(close demand，CD)，則關閉總風門電磁閥，線圈SV3帶電，關閉到位后總風門關閉到位，磁性行程開關SR3接通;然后鎖緊總風門電磁閥，線圈SV5得電動作，鎖緊氣缸鎖緊到位后總風門鎖緊到位，磁性行程開關SR4接通，同時繼電器ZJ4閉合，并發出總風門鎖緊狀態信號，完成總風門關閉過程。

2 設備現狀及故障分析

2.1 設備現狀

在實際應用中，磨煤機總風門經常在該開時開不了、該關時關不了。一旦磨煤機出現故障，檢修人員處理故障的時間過長，有時甚至需要操作人員到現場手動打開總風門，從而導致磨煤機不能正常啟停，使機組負荷不能滿足要求;有時總風門在磨煤機運行中突然關閉，導致磨煤機跳閘。這不僅嚴重影響機組的安全穩定運行，還增加了檢修、運行人員的工作量［2］。同時，總風門出現故障后，為了穩定燃燒，運行人員必須投入油槍，這必然增加了燃油量，導致經濟效益下降。

通過查閱DCS系統歷史數據、設備缺陷記錄和運行操作記錄，統計了10號爐4臺磨煤機總風門的故障類型和次數，具體如表1所示。

表1 故障類型及次數Tab.1 Fault type and number

2.2 故障分析

2010年，10號爐的空預器漏風率為10.92%。由于機組空預器漏灰，導致熱一次風帶灰較嚴重。磨煤機總風門內積灰嚴重，造成其機械部分卡澀［3］，使氣缸內磁性活塞在打開位置不固定，磁性行程開關SR2無法正常檢測到其開到位狀態。這就使總風門的打開過程不能順暢地執行，導致總風門開失敗。

通過調取DCS的歷史數據發現，運行中總風門突然關閉前，打開指令、關閉指令和關閉失敗報警同時存在。在查看磨煤機總風門的DCS邏輯控制圖后發現，在總風門發出關閉指令18 s后，若鎖緊到位狀態信號沒有返回至DCS，即總風門在18 s內沒有關閉，則總風門操作畫面顯示關閉失敗報警。經檢查，總風門的DCS邏輯控制圖正確無誤，執行關閉指令的繼電器動作可靠、觸點良好。由此可以斷定，總風門在運行中發生突然關閉是設備和控制回路故障的表現［4］。

經檢查現場的接線發現，各個接線處積灰多、接線易松動，現場沒有端子箱、接線裸露。一次風溫為310℃左右，現場溫度較高，電纜芯線發生不同程度的絕緣層老化和絕緣層脫落，嚴重時將導致現場接線直接接地并引起總風門跳閘［5］。2010年11月26日22∶17，運行人員通知值班人員10號爐A磨煤機在運行中突然跳閘，機組負荷由290 MW減至220 MW。經值班人員現場檢查發現，A磨煤機的跳閘原因是失去總風門電源，而機組負荷降低的原因是由于爐內溫度高，開到位磁性行程開關的引線表皮已經融化。由于總風門開到位磁性行程開關的引線與總風門的門體相接觸，且磁性行程開關的工作電壓為交流220 V，從而導致總風門交流220 V電源通過磁性行程開關裸露的引線與門體接觸而直接接地，最終造成總風門跳閘。

3 方案設計及分析

由上述分析不難看出，可以通過優化總風門控制回路、改善現場接線情況，解決氣缸內磁性活塞在打開位置不固定的問題，以減少總風門發生故障的頻率。

3.1 磁性活塞及回路優化

由于總風門打開到位行程開關信號與控制回路聯系密切，所以在設計方案時，需要同時解決優化控制回路和氣缸內的磁性活塞在打開位置不固定這兩個問題。根據改造前的控制原理圖可知，幾個容易出故障的中間環節都會導致開關過程失敗。

若SR1不通，則SV4不能帶電，總風門打開過程無法執行;若SR2檢測不正常，則會導致總風門打開失敗。由于總風門內部積灰造成機械部分卡澀，所以每次擋板打開時，磁性活塞的位置不確定，而SR2行程開關檢測的范圍有限，這是導致總風門打開失敗的主要原因。由于繼電器ZJ3具有自保持功能，因此，SR2曾瞬間接通，則ZJ3閉合發出總風門打開到位狀態信號。由于時間太短不能復位開指令OD，此時又有關閉指令CD到來，則在打開、關閉電磁閥線圈時，SV4和SV3同時得電;而打開、關閉電磁閥同時控制一個閥芯，使電磁閥的閥芯處于中間狀態，因此導致總風門關閉失敗［6］。運行中出現SV3和SV4同時帶電的情況是很危險的。由于現場設備振動的原因導致SR2接通，則復位打開指令OD，使SV4失電，而此時SV3是帶電的，因此，電磁閥的閥芯移動，導致總風門自動關閉。

針對以上分析，對總風門控制系統進行了優化。優化后如果SR2能夠正常接通，則繼電器ZJ2閉合并自保持，同時發送打開狀態信號到DCS顯示其狀態，并復位指令OD，使SV4失電，而原來的控制回路只有在SR2長期接通的情況下才能復位指令OD。因此，控制原理在改動后不會出現SV4和SV3同時帶電的情況，避免了總風門自動關閉。

針對氣缸內磁性活塞在打開位置不固定這一問題，由于總風門的改造費用太大，同時也沒有找到合適的替代產品，故只能從完善行程開關的檢測方式和改善總風門內部積灰情況入手。

①完善行程開關的檢測方式。經現場觀察測量，磁性活塞的最大變化范圍為25 cm，而實際上，行程開關的檢測范圍為3 cm，這使磁性行程開關無法檢測到磁性活塞的動作位置，從而導致總風門打開失敗。事實上，因為磁性活塞動作范圍為25 cm，目前尚沒有磁性行程開關可以對如此大的動作范圍進行檢測。查找總風門的說明書與圖紙后得知，擋板長度為142 cm，活塞長度為173.5 cm，兩者差值為31.5 cm，接近測量的磁性活塞開位置活動范圍為25 cm。考慮一定的間隙、連接距離，把SR2行程開關固定在磁性活塞處于全開位置前的28 cm處。這個位置的開度對應的熱風流量達到了設計的要求。

②改善總風門內部積灰情況。由于積灰均在總風門擋板底部，考慮到一次風壓力為6.5 kPa左右，經現場勘查和研究，在總風門的門體底部打開三個圓孔。該圓孔必須保證總風門門體底部的內外貫通，將螺母電焊至圓孔處。為了防止一次風泄漏，用與之配套的螺栓鎖緊，通過圓孔定期將擋板底部的積灰排掉，以避免機械部分卡澀，從而使總風門開、關過程順暢。具體步驟如下。

首先，在離擋板內導軌水平距離6.5 cm處，開直徑為3.7 cm的三個圓孔(距離門體底部兩邊15 cm處各一個，門體底部中點位置一個)。

其次，將與外六角螺栓(外六角螺栓規格等級為8.8級、最大外徑34 mm、最大內徑22 mm、長度28 mm)配套的標準螺母(螺母外徑為32.95 mm)放在開好的圓孔處，進行電焊處理，保證焊縫連續且螺母不變形［7］。為避免一次風大量泄漏，需保證筒體壓力，再將外六角螺栓擰緊。

最后，每個月進行一次放灰操作，即將三個螺栓松開，清除存在擋板底部的積灰。這樣就能夠保證SR2接通，解決了總風門打開失敗的最主要瓶頸問題。

在完善行程開關的檢測方式，并改善總風門內部積灰情況后，只要氣缸活塞的開位置超過全開位置前的28 cm，SR2就可以檢測到活塞的動作。通過改造可以看出，由于繼電器ZJ2的自保持功能，只要SR2接通，則ZJ2閉合發出總風門打開到位狀態信號，這就使總風門打開控制過程可以順暢地執行完畢，不會出現總風門打開失敗的故障，保證了總風門的正常開關操作。

為了檢驗優化后的控制回路的效果，利用繼電器與行程開關等其他設備，根據修改后的控制原理圖進行接線。試驗結果表明，控制回路均沒有出現開失敗和自動關閉等誤動和拒動的故障現象，初步達到了設計要求，為現場應用打下了堅實的基礎。

通過以上設計，優化了控制回路，解決了由于氣缸內磁性活塞在打開位置不固定所帶來的一系列問題，消除了總風門打開失敗和自動關閉的故障，簡化了控制原理，回路動作可靠。

3.2 現場布線改善

為改善現場接線凌亂的狀況，杜絕由于電纜芯線裸露而導致總風門電源跳閘［8］，經現場測量，可在現場加裝密封性能好的端子箱(規格為30 cm×20 cm×10 cm)，端子箱的防水、防塵效果好。同時，為裸露的控制電纜加裝金屬軟管，整治絕緣層老化的芯線，將電纜引入端子箱接線，以減少總風門發生故障的中間環節。

4 方案實施

在機組檢修期間，按照上述設計方案，進行了控制回路改造和打開到位磁性行程開關安裝，加裝了防塵密封端子箱，并對現場接線進行了整治?，F場端子箱安裝、接線和電纜整治完成后，經測試，電纜對地電阻均達到500 MΩ以上，絕緣性能良好［9］，布線整齊、美觀，接線牢固，接線不再裸露、松脫。

5 效果檢查

經過六個多月的使用和觀察，總風門沒有再出現由控制回路故障而引起的系列問題。在實際使用過程中，總風門動作順暢，達到了節能降耗的目的［10］。在取得經濟效益的同時，該方案也解決了設備安全隱患問題，使機組穩定運行。

6 結束語

本文針對300 MW燃煤機組的磨煤機總風門的故障，重新設計了總風門控制回路;并通過完善行程開關的檢測方式和改善總風門內部積灰情況，徹底解決了由于氣缸內磁性活塞開位置不固定所帶來的系列問題。實際運行證明，整個系統結構更加簡潔，控制回路動作可靠，極大地減少了機組運行、檢修人員的工作量。

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