壓縮空氣用量最優控制研究與應用

張立敏，李智華，魏 晉，王慧敏

(內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司，內蒙古 烏海 016000)

1 背景

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司2×330 MW發電機組工程已投產，采用東方鍋爐(集團)股份有限公司生產的自主研發型單爐膛330 MW級循環流化床鍋爐，除灰系統是發電廠的重要組成部分，其節能對廠用電率產生很大影響[1]。氣力除灰系統自20世紀80年代從國外引進以來，國內各廠商、科研院所等對其進行了大量研究，在解決氣力除灰系統出力不足、堵管頻繁及管道磨損嚴重等問題上取得了較大進展[2，3]，在燃煤發電企業廣泛應用，但由于系統配置、除灰系統輸送距離、輸灰程控邏輯原理等原因，使氣力除灰系統實際運行能耗偏高的現狀不同程度的存在。

2 現狀

內蒙古京海煤矸石發電有限責任公司空壓機系統包括除灰系統、脫硫系統、廠用及儀用系統，其中除灰系統目前配置7臺螺桿空氣壓縮機，電機功率總計為2 445 kW(G空壓機為315 kW)；脫硫系配置4臺螺桿空氣壓縮機，電動機功率總計為1 420 kW；廠用及儀用系統共配置5臺螺桿空氣壓縮機，電動機功率總計為1 250 kW，目前空壓機系統電動機總功率達到5 115 kW，歷年耗電情況如下表1。

表1 近年空壓機系統耗電率統計

2018年度綜合廠用電率10.53%，空壓機耗電率占比為6.65%，2019年度綜合廠用電率10.39%，空壓機系統耗電率占比為7.12%，空壓機系統耗電率明顯高于同類型電廠且呈上升趨勢，用氣高峰期甚至出現氣源壓力不足的問題。由于該廠灰庫與機組輸灰倉泵距離接近500 m，在發電負荷高峰及入爐煤灰分高時，7臺除灰空壓機全部啟動運行才可勉強滿足輸灰用氣要求，系統出力無余量，增加輸灰管道堵管風險，嚴重情況下機組出力受限。針對以上問題，開展了全廠壓縮空氣用量最優控制研究與實踐應用工作。

3 輸灰系統配置及優化方案

3.1 電除塵及空氣預熱器出口輸灰系統配置

空氣預熱器出口煙道配置4個灰斗及氣力輸灰設備，電除塵分為二級除塵，一電場8個灰斗，A、B側煙道各4個，即一電場A側4個，一電場B側4個，各配置一根輸灰管道至灰庫，一電場B側與空氣預熱器出口灰斗共用輸灰管道；輪流輸灰，二電場灰量較小，8個灰斗共用一根輸灰管道至灰庫，每套輸灰管路系統配置進氣閥、出料閥、旁路助吹閥、高料位開關，在灰庫庫頂配置油切換閥來控制細灰進入細灰庫或者粗灰庫。輸灰程控系統基本順序為，空預器灰斗與一電場A側灰斗輪流輸灰，相互閉鎖，一電場B側灰斗與二電場灰斗輪流輸灰，相互閉鎖。這樣兩臺機組同一時間可能有四根管道同時輸灰，用氣量較大。

3.2 增加除灰管道助吹電磁閥

針對兩臺機組電除塵輸灰至灰庫系統輸灰壓力不足及波動幅度大問題，通過運行趨勢比較、運行方式分析、周邊電廠調研等方式，初步確定電除塵輸灰系統使用壓縮空氣從輸灰倉泵進入后，經過輸灰管線到達灰庫時，壓降幅度較大，給輸灰系統帶來了較大的壓力。后研究決定在輸灰管道的水平段與上升段連接處增加助吹系統，在#1爐、#2爐至灰庫系統6根輸灰管道切換閥后各增加1個管道助吹電磁閥，用以控制助吹壓縮空氣，采用φ14×2氣源管路，管道助吹電磁閥的控制方式為：當兩臺機組電除塵排灰輸送系統對應管道的排灰閥及進氣閥開啟開始進行輸灰時，經測算管道助吹電磁閥延時120 s開啟，用以提高輸灰末端至灰庫庫頂爬升動力，當兩臺機組電除塵排灰輸送系統對應管道的排灰閥及進氣閥關閉結束輸灰時，管道助吹電磁閥關閉，以節省壓縮空氣。

3.3 優化旁路助吹閥控制邏輯

旁路助吹閥是在灰量較大時，為防止壓縮空氣壓力低輸灰不暢造成輸灰管路堵塞而設置的助吹壓縮空氣控制閥，原程控系統在每次輸灰時均使該閥開啟參與輸灰，增加了壓縮空氣使用量，對此增加電除塵一電場A、B側旁路助吹閥以及二電場、空預器輸灰旁路助吹閥參與輸灰程控選擇按鈕，可由運行人員根據鍋爐負荷或輸灰量選擇性的投入或退出助吹電磁閥是否參與輸灰程控，從而減少壓縮空氣消耗。

3.4 電除塵輸灰控制邏輯優化

原電除塵輸灰方式采用二電場與一電場A側輪流輸灰，同時一電場B側與空預器出口灰斗輪流輸灰的方式，通過對輸灰系統壓縮空氣壓力等歷史數據進行分析發現，此種方式在機組高負荷產灰量大的情況下比較適用，但是在機組低負荷的情況下，電除塵B側倉泵處于高頻次、低出力方式運行，#2爐典型輸灰曲線，輸灰壓力僅僅0.05 MPa左右，且輸灰持續時間為A側的一半左右，與典型倉泵運行壓力變化曲線(見圖1)差異明顯，輸灰壓縮空氣浪費嚴重，為進一步對分析結果進行驗證，利用紅外熱成像技術對低負荷電除塵輸灰過程輸灰量進行在線監測，驗證了分析的判斷正確性。經分析對兩臺機組的輸灰程序進行了優化，在原有邏輯的基礎上，對機組在低負荷的情況下作了相應的調整，采用二電場、一電場A、B側3根輸灰管道輪流進行輸灰的方式，空預器灰斗每個運行班次選擇性的進行輸灰，降低機組在低負荷的情況下電除塵系統頻繁輸灰帶來的壓縮空氣浪費，同時避免了同一時間段有兩根輸灰管路同時輸灰引起輸灰壓力突降而使空壓機出力瞬時增大。在操作畫面上設計了兩種輸灰方式的切換按鈕，方便運行人員根據輸灰量隨時對輸灰方式進行調整。

圖1 典型倉泵輸灰壓力變化曲線[4]

3.5 優化倉泵落料時間

投入輸灰程控自動控制后，觸發開始輸灰條件為每個電場灰斗有一個高料位信號或者進料時間到時，兩個條件滿足其一后開始輸灰，本電場輸灰完成后觸發下一電場開始輸灰，這樣循環輸灰，周而復始，高料位信號為灰斗料位開關測量，進料時間設置的長短由運行人員憑借經驗設置，進料時間作為高料位信號的后備保護，防止料位開關故障時中斷輸灰，通過對觸發輸灰開始信號的大量數據分析，發現大多數為進料時間到時開始輸灰，此時灰斗料位還很低灰量較少，輸灰壓力曲線能明顯反映出輸灰時灰量較少，增加了輸灰頻次，浪費了大量的壓縮空氣，對此將開始輸灰觸發條件中一個高料位信號改為兩個高料位信號，進料時間設置為根據鍋爐負荷分段自動設置，進料時間的確定依據是利用紅外熱成像技術在線監測灰斗灰位，對高、低負荷電除塵灰斗落料時間及灰位確定，運行人員可根據具體情況進行時間長短的偏置增減，用以減少輸灰頻次，降低壓縮空氣使用量。

3.6 增加脫硫壓縮空氣與除灰壓縮空氣聯絡管道

為使脫硫用壓縮空氣與除灰壓縮空氣可以相互補充利用，在原脫硫壓縮空氣系統與除灰壓縮空氣系統之間增加了聯絡管道，以便于脫硫壓縮空氣與除灰壓縮空氣在空壓機檢修與用氣量不足時達到相互補償目的。

4 經濟效益及社會效益

4.1 節電效益

通過開展以上技術攻關，2020年度全廠各空壓機系統耗電率同比2019年變化見表2。

表2 空壓機系統耗電率統計

通過表2中數據比較，2020年空壓機系統運行耗電率同比2019年度降低0.07%，系統運行節電率達到9.46%，全年節電量達到253.90萬kW·h。2020年度上網電價按0.282 9元/kW·h算，則全年節電經濟收益為253.90×0.282 9=71.83萬元。

4.2 節油及維護效益

根據單臺空壓機運行時功率為330 kW·h計算，共節約單臺空壓機的使用小時數為8 460 h。空壓機每運行8 000 h，進行一次油的更換維護，每次加油約8桶，每桶油的價格為2 300元，每2 000 h更換一次油濾和空濾，兩個共計1 380元，每4 000 h更換一次油分，每個1 190元，據此計算每年可節約空壓機的維護費用為：2 300×8+1 380×4+1 190×2=2.63萬元。

綜合以上，通過全廠壓縮空氣用量最優控制研究與實踐技術攻關共計產生74.46萬元經濟收益。

5 結束語

通過對電除塵輸灰程控邏輯優化，在輸灰管道末端至灰庫庫頂管道爬升處增加助吹壓縮空氣增大輸灰壓力，調整電除塵輸灰方式，優化輸灰步序，在滿足電除塵系統輸灰要求的同時，降低了壓縮空氣消耗量，降低了空壓機的運行時間，節省了廠用電的同時，節省了空壓機維護費用，為同類型發電企業電除塵輸灰系統運行方式提供借鑒。