配置雙進雙出磨煤機的超臨界機組入爐煤量計算方法及應用

許偉強，劉翔

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，能源消耗總量連年攀升，一次能源緊張局面日趨嚴重。由于區域煤炭資源貧乏，各燃煤電廠煤源多樣，劣質煤種充當電煤漸成定局，雙進雙出磨煤機對煤種適應性強的特點使其在火力發電廠中將得到更加廣泛的應用[1]。然而，配置雙進雙出磨煤機的火電機組，由于入爐煤計算不準確，機組控制難度較大，而電網對火力發電機組的控制精度與快速響應電網負荷變化的要求卻有增無減[2-4]。

某電廠一期工程為2臺600 MW超臨界燃煤機組，鍋爐為東方鍋爐廠生產的DG1852/25.31-Ⅱ8 型超臨界參數、W火焰燃燒、全懸吊結構 Π 形鍋爐；制粉系統配置了北方重工集團有限公司生產的MGS4366型雙進雙出鋼球磨煤機，單臺最大磨煤量為78 t/h；汽輪機為上海汽輪機廠生產的N660-24.2/566/566型超臨界、中間再熱、凝汽式汽輪機，機組采用高中壓缸聯合啟動，定-滑-定運行方式。控制系統采用全廠一體化模式，配置南自美卓maxDNA控制系統。

1 入爐煤量傳統計算方法及存在的問題

雙進雙出磨煤機擁有一個龐大的筒體，該筒體既充當磨制煤粉的空間，又充當煤粉的存儲空間，實際運行中，給煤機的給煤量與進入爐膛的煤量并無一一對應關系，特別是磨煤機啟停過程中，出粉量與給煤量難以找到靜態或動態關系。在大型超超臨界機組中，入爐煤量是協調控制系統一個重要參數，但進入爐膛的煤粉量不能用給煤量直接替代[5]，傳統的入爐煤量計算方式主要存在以下問題。

1.1 計算不準確

入爐煤量無法準確計量，通過容量風擋板開度折算的入爐煤量與理論給煤量存在較大差異，特別是機組升降負荷時。

1.2 關系參數不全面

目前，主要用容量風量或容量風擋板開度來折算入爐煤量，但這些方法都有較大的局限性，前者并未考慮筒體儲粉的情況對風攜帶煤粉能力的影響，后者未考慮一次風壓、煤粉儲存情況對容量風攜粉能力的影響。

1.3 啟、停磨煤機過程中存在較大偏差

傳統的入爐煤量計算未考慮暖磨、鋪煤、停磨吹余煤、跳磨等工況，這些非正常運行工況下入爐煤的計算會出現較大擾動，如磨煤機及給煤機啟動后，需要10～20 min才能建立磨煤機料位，磨煤機才能夠正常、穩定地運行[1]。

1.4 影響機組調節品質

在機組協調控制系統中，鍋爐主控輸出指令既作為總燃料量的設定值，又作為給水流量設定值的重要參數，易出現水煤比失調現象，導致機組調節品質不佳[2]。

2 入爐煤量的相關因素分析

雙進雙出磨煤機構成的制粉系統比直吹式磨煤機對應的制粉系統復雜得多，表現在輔助設備多、被控參數多、對象的動態特性更為復雜，是典型的多變量控制系統[5]，其工藝流程如圖1所示。

表1 過程參數與設備參數之間強弱關系

注：×表示相關極弱，+表示弱相關，++表示中等相關， +++ 表示強相關。

表2 容量風擋板開度與入爐煤量關系

圖1 雙進雙出磨煤機工藝流程

配置雙進雙出磨煤機的火電機組的入爐煤量雖然不能直接測量，但入爐煤量與其他參數有一定關系，如容量風A/B擋板開度、旁路風A/B擋板開度、磨煤機A/B側料位、一次風壓和分離器轉速等。在分析運行機理和大量現場試驗的基礎上，定性粗略獲得這些參數與入爐煤的關系，見表1。

2.1 容量風擋板開度

從表1可以看出，入爐煤量同容量風擋板開度之間存在強相關性，若磨煤機料位在正常位置(壓力差為650 Pa左右)且保持相對不變，入爐煤量與容量風擋板開度對應表2中的理論值，入爐煤量與容量風擋板開度(0～60%)呈線性關系。大量現場試驗表明，入爐煤量與容量風擋板開度的關系對應表2中的修正值，容量風擋板開度為20%～45%時，因擋板風量特性的原因，容量風擋板開度對應入爐煤量幅度較其他區域更大。用修正后的曲線作為入爐煤量與容量風擋板開度之間的函數關系較為準確，但因磨煤機型號不同，磨煤機安裝存在差異，不同磨煤機對應的關系略有差異，以實際試驗數據為準。

2.2 磨煤機料位

從表1可以看出，入爐煤量與磨煤機筒體中的料位之間存在較強相關性，所以，入爐煤量計算須用料位對其進行修正。磨煤機運行過程中，料位代表磨筒體中的存粉量或風粉濃度[1]。通常用磨筒體上下的壓力差代表料位，壓力差越大，表示磨筒體內煤量料位越高，反之亦然，工程應用中測量范圍一般為0～1 500 Pa，通過分析現場大量數據，將料位對風煤比修正劃分 4 個區域。

(1)磨煤機在正常料位運行區(壓力差為650 Pa左右)附近較寬的范圍內，容量風的攜粉量基本與料位的變化無關，修正系數為1.0。

(2)在啟停磨煤機過程中，在低料位區(壓力差為150～650 Pa)，料位修正系數基本同料位呈線性關系，修正系數為0.5～1.0。

(3)當磨煤機在高料位區時(壓力差為800～1 000 Pa)，也近似認為是線性關系，修正系數為1.1～1.2。

(4)當料位繼續升高時(壓力差>1 000 Pa)，磨煤機運行進入堵磨區，風攜帶粉的能力急劇下降，料位修正系數為1.2～0.3，正常運行時應極力避免在此區域停留。

2.3 磨煤機入口一次風壓

從表1可以看出，入爐煤量與磨煤機入口一次風壓之間存在較強相關性，入爐煤量計算須用一次風壓對其進行修正。磨煤機運行過程中，一次風壓間接代表一次風的攜粉能力。將料位對風煤比修正劃分多個區，修正函數輸出為0.5～1.3。在每個區，一次風壓修正函數輸出與一次風壓實際值近似認為是線性關系：一次風壓高時風攜帶粉的能力上升，修正系數增大，最大為1.3；一次風壓低時風攜粉的能力下降，修正系數減小，最小為0.5。

3 改進型計算方法

通過表1可知，分離器轉速不變的情況下，與入爐煤量關系較大的參數是容量風開度、料位和一次風壓，入爐煤量計算邏輯如圖2所示，通過大量試驗得到主要參數關系函數(主要采用容量風擋板開度折算，用一次風壓和磨煤機料位修正)。

qV=[f2(xA1)f3(xA2)+f2(xB1)f3(xB2)]f1(x) ，

(1)

式中：qV為入爐煤量；f1(x)為料位修正系數；f2(x)為容量風擋板開度函數；f3(x)為一次風壓修正系數；xA1為A側容量風擋板開度；xA2為A側料位；xB1為B側容量風擋板開度；xB2為B側料位。

圖2 入爐煤量計算邏輯

圖2表述的計算邏輯，其計算結果在磨煤機正常運行時較為準確。但料位測量采用微差壓測量裝置，實際運行時料位波動較大，特別是磨煤機啟停過程中，無法真實反映料位的真實情況，因此圖2表述的計算方法不能適應實際磨煤機的運行狀態。對入爐煤量的計算必須進行深入的分析與分解，劃分磨煤機運行狀態。通常，磨煤機包括暖磨、建立料位、正常料位運行、停運吹空、停運以及跳閘后重新啟動等6個運行狀態，將運行狀態融入計算公式，將大大提高計算準確度。

3.1 暖磨階段(無存粉啟動)

當磨煤機運行但給煤機未運行時，容量風門與冷熱風門在通風暖磨，磨煤機準備投入運行，此時雙進雙出磨煤機處于暖磨過程中，容量風門有一定的開度，磨煤機的風粉空間將會有一定的容量風通過，但由于磨煤機還未進入正式制粉階段，所以容量風未攜帶煤粉，進入爐膛的煤粉量為0。

3.2 建立料位

磨煤機暖磨結束后，運行人員一般會開啟第1臺給煤機，磨煤機進入料位建立階段，磨煤機建立料位開始的標志是：磨煤機運行，并且任意給煤機剛運行的10～20 min內，開始有煤進入磨煤機磨筒內[2]。在此過程中，容量風、給煤量的大小對入爐煤量的計算均有影響，但這種關系較為復雜，隨著磨筒內料位的升高，可以用公式(1)近似計算入爐煤量。

3.3 未吹空啟動(有存粉啟動)

當磨煤機故障跳閘或停止時未吹空存粉時，磨筒中會積存大量的粉量，下一次啟動該磨煤機時，即使不啟動給煤機，只要有容量風通入，磨煤就會運行，容量風將攜帶存粉直接進入爐膛，這種運行狀態越過了料位建立這一環節。即使給煤機未運行，相應的入爐煤量計算同正常料位運行時類似。

3.4 磨煤機正常料位運行

按公式(1)計算入爐煤量。

3.5 磨煤機停運吹空過程

當磨煤機需要退出制粉系統時，首先停止給煤機，但容量風門還需保持適當的開度，仍然通過一次風將磨煤機中的存粉吹入爐膛，以達到吹空磨煤機粉筒的作用，這便是與中速磨煤機運行最大的區別之一。該過程料位會漸漸下降，相應容量風攜帶粉量的能力下降。當下降到一定程度(壓力差<150 Pa)，可以認為磨煤機內存粉幾乎被吹空，煤量計算時可以緩慢將該磨煤機出力切至0。

3.6 磨煤機跳閘

磨煤機跳閘后，所有磨煤機的出口門迅速關閉，進入爐膛的風粉路徑迅速截斷，可以用一個慣性時間較短的過程來模擬這一過程，即跳磨瞬間的入爐煤量經由一階慣性后迅速減至0。慣性時間主要同煤粉管和一次風壓有關，一般為2～5 s，實際工程應用時可以忽略。

綜合以上磨煤機運行狀態，入爐煤量計算如圖3表述(以A磨煤機為例)，綜合的計算結果設置合理的速率變化功能，防止工況發生變化時，入爐煤量計算突變，對煤量控制擾動太大，影響機組安全運行。

4 控制效果分析

將改進后的入爐煤量計算方法應用于實際工程，通過分析大量試驗結果，得到計算方法中主要參數關系函數(主要有容量風擋板開度函數，一次風壓修正函數和磨煤機料位修正函數)，計算準確度及應用效果如下。

圖3 改進型入爐煤量近似計算方法邏輯

4.1 計算準確度分析

與傳統計算方法相比，新的計算方法具有以下優點：(1)融合相關因素，計算更準確；(2)考慮多種工況，計算更貼近實際，工況發生變化時擾動量小。

4.2 機組整體控制效果

提高入爐煤量計算的準確性，使機組控制效果明顯提升，不僅提升了變負荷速率，也提高了負荷響應能力，經過自動發電控制(AGC)考核試驗，各項控制指標良好。

(1)AGC模式下，機組負荷從350 MW升至600 MW，機組主要參數平穩變化，負荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應時間<30 s，實際變化率9.0 MW/min)，如圖4所示。

圖4 升負荷時主要參數趨勢

(2)AGC模式下，機組負荷從600 MW降至330 MW，機組主要參數平穩變化，負荷跟隨效果較好，滿足AGC考核要求(響應時間<30 s，實際變化率9.2 MW/min)，如圖5所示。

圖5 降負荷時主要參數趨勢

提高入爐煤計算準確性，也使相關的過程參數調節品質提高，機組的操控性增強，提高了機組的安全運行特性；同時，過程參數可以控制在設計值附近，有效保證了機組的經濟性。

5 結束語

入爐煤量是配置雙進雙出磨煤機機組的一個重要參數，入爐煤量計算的準確性關系到機組的控制效果和調節能力，在分析磨煤機運行機理和大量現場試驗的基礎上，充分考慮多種運行工況，形成新的入爐煤計算方法，在某600 MW機組的實際應用表明，文中提出的人爐煤量計算方法穩定可靠，解決了機組運行中因入爐煤量計算偏差大引發的機組參數波動大，協調控制效果不好等問題，提高了機組調節品質，機組主要參數控制在設計值附近較小的區間，有效保證了機組的經濟性。