火电机组GBL型捞渣机系统的优化改造策略

孙建国,石家魁,孙殿承,郑翔宇,胡金伟,万 杰

(1.北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂,内蒙古 达拉特 014300;2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.黑龙江苑博信息技术有限公司,黑龙江 哈尔滨 150001;4.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 200063)

0 引言

锅炉常用的湿式刮板捞渣机除渣系统是火电机组的重要辅机设备系统之一[1]。当前，许多大功率火电机组锅炉都配备了传统刮板式捞渣机(GBL型捞渣机)。随着科技进步，现代工业生产都朝着生产高度自动化和控制高度智能化的方向快速发展。以国内占主流的火电机组为例，因其需长期维持安全、高效、环保运行，对捞渣机等辅助设备的综合性能提出了更高要求。然而，目前运行的许多300 MW及600 MW火电机组投产时间较早，部分甚至已服役达20年。其原设计配备的捞渣机的控制策略和运行方式已无法很好地满足现代生产的安全、经济、环保需求。因此，需对捞渣机进行相应的优化改造[2]。

不少文献针对硬件的故障诊断和升级改造开展相关研究工作，对捞渣机链条、电机、刮板以及就地控制箱等设备进行故障排查和技术改造，解决其经常出现的脱掉链、断齿、刮板脱落等故障。此外，还有研究人员针对进口捞渣机刮板驱动装置故障频出的实际问题，直接将其升级改造为国产化设备[3-4]。文献[5]通过对转动机械故障的研究，提出了一种结合变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)样本熵和混合布谷鸟改进的机械传动电机轴承故障诊断方法。该方法对捞渣机类诊断仍然有效。文献[6]提出以国产渣链替代进口链条，从而降低机组国外设备的维护保养费用。同时，也有研究人员对捞渣机运行控制方式优化改进方面开展了探索。如：文献[7]设计了捞渣机密封水水位自动控制系统的模糊控制器；文献[8]改进了刮板捞渣机断链保护控制系统。

此外，还有针对机组刮板捞渣机台数及关断门设置的探讨研究。文献[9]介绍了某发电厂6号炉捞渣机因链轮跑偏、轴承磨损导致断链信号误发问题，提出了对断链保护信号检测装置的改进方案。文献[10]应用以太网技术，将主机控制系统和锅炉其他辅助控制系统组成网络，并设计不同方式，以满足不同工况对捞渣机的需要，从而实现变工况下的捞渣机控制。综上所述，研究关于提升锅炉GBL型捞渣机水位参数监测准确性，并提高其整体自动化监控水平的权威公开文献相对较少。

本文提出了一种GBL型水浸式捞渣机控制系统的优化改造策略：通过对捞渣机增加远程自控制系统，在提高其自动化程度的基础上，增加其对渣量变化的适应性；同时，对渣水的水位测量方法进行优化设计，提高了炉底水封安全及锅炉整体密封性。6台330 MW机组的实际应用效果显示：该捞渣机控制系统的优化改造策略，可同时显著提高捞渣机的自动控制性能及安全可靠性。

1 机组捞渣机概况及存在问题分析

1.1 机组捞渣机概况

本文以北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂(以下简称“达拉特电厂”)配备的6台亚临界330 MW供热机组为研究对象。该机组由法国阿尔斯通和中国北重生产。该厂分三期建设：一期2台机组分别于1995年和1996年投产；二期2台机组分别于1998年、1999年投产；三期2台机组分别于2004投产。一、二期4台机组运行寿命已超过20年，三期2台机组运行寿命也接近20年。所以，这6台机组锅炉配备的都是传统GBL型水浸式刮板捞渣机，利用圆环链式刮板实现对锅炉灰渣的连续清除。其捞渣机壳体为双层矩形截面，上层为水封槽，下层为回链槽，放在锅炉排渣口下面；锅炉排出的灰渣直接落入水封槽内，经水淬后落到水封槽底，随同刮板链条沿槽底水平和向上倾斜移动，经有效脱水后由除渣机口排出、装车运走。

1.2 捞渣机存在的问题分析

随着火电机组灵活运行的需求以及智慧电厂的发展，对所有关键设备的综合性能也提出了更高要求。刚投产不久的机组锅炉捞渣机，在槽体、斜升段、链条、轴承等各部分均有针对性的设计和考虑,满足了机组实际的高可靠性需求[11]。然而，随着电网对火电机组运行灵活性要求的不断提高，许多已运行服役十余年、甚至二十余年的锅炉捞渣机仍采用原有运行控制方式，已无法满足当前安全环保节能的实际生产需求。以达拉特电厂的6台亚临界330 MW供热机组为例，其捞渣机设备在自动化水平及安全监测等方面还存在以下问题。

①捞渣机链条转速控制，缺乏远程操作手段。其主要操作由就地控制柜上电位器手动控制，通过调节电位器，将其电信号转换为变频器电压，实现对捞渣机链条转速的控制。因此，捞渣机的转速控制只能由工作人员现场就地控制，无法进行远程控制。与此同时，捞渣机的转速控制只能由工作人员按照经验间断式调整，无法保证准确、有效的控制运行。

②捞渣机渣槽水位检测由安装在捞渣机侧壁的音叉料位计监测，控制电动补水门进行补水，实现开环控制。由于捞渣机渣水中含有大量灰渣，音叉料位计经常堵塞而不能正常工作，而现场环境恶劣，给检修维护带来较大困难。

受煤种变化影响，即使在稳定工况下，燃烧后灰渣变化仍然较大；炉底密封不严，将导致过量空气系数波动，不仅增加煤耗，严重时还将引起风机过电流等故障。炉底水封一旦失去，2 min内难以恢复，将引起灭火、停机等重大故障；水位监测还与电厂的节水节能相关，所以渣水水位监视及其重要。现有水位监测不便于检修，就地工作环境比较复杂，炉渣、渣水温度较高，给就地工作带来安全隐患；与此同时，由于监测数据不稳，将无法支撑远程水位调整操作。因此，捞渣机需要进行相应的优化改造。

2 捞渣机控制系统的优化改造策略

针对上述GBL型捞渣机实际存在的问题，对控制系统提出了优化改造策略。首先，针对性地设计了一套远程操作系统，以确保捞渣机的运行适应机组渣量变化。同时，为了提高捞渣机水位监测的准确性、降低维护运行的工作量，优化设计了一套连通式液位检测装置。最后，捞渣机设备的就地操原始控制模式被远程监视及操作所替代，设备自动化水平得到提高。该策略在保障捞渣机安全稳定运行的同时，降低了工作人员的劳动强度。

2.1 捞渣机的远程监测及控制系统

为实现捞渣机的远程监测控制，所设计的装置主要包括转速检测装置、变频测量装置以及信号传输装置。其功能的实现主要体现在以下几个方面。首先，将转速测量装置安装在捞渣机链条上，实时获取其转速线号，并通过信号传输，把转速信号远传至分散控制系统(distributed control system,DCS)机柜，实现对捞渣机转速信号的远程监测。然后，为检测捞渣机的电流信号，在主动轮电机控制处安装变频器电流测量装置，并把信号远传至DCS机柜，实现对捞渣机变频器电流信号的远程监测。最后，为实现对转速的控制，对捞渣机电位器进行改造，由DCS机柜输出电压信号，输入电位器，转换为捞渣机变频器的电流信号，并在DCS软件中设计比例控制系统，实现对捞渣机链条转速的远程控制。为实现捞渣机堵转的自动启停，本文提出将堵转保护信号加入DCS中。GBL 型捞渣机远程监测控制方法设计策略如图1所示。

图1 GBL 型捞渣机远程监测控制方法设计策略

函数f(x)的取值通过试验获得。在稳定机组工况下，手动调节捞渣机转速，使每板的刮渣量一致，即捞渣量与落渣量一致。记录此时捞渣机变频器电流为x、捞渣机转速为y。在机组不同工况下进行试验，获得一系列的捞渣机变频器电流[x1，x2，…,xn]及其对应的捞渣机转速[y1，y2，…,yn]，以及[x1，x2，…,xn]至[2y1，2y2，…,2yn]的映射关系，即函数f(x)。

2.2 捞渣机水位测量方法设计

捞渣机水位控制关系到机组的水耗和能耗[11-12]。为了进一步改善捞渣机的控制精确性，针对现有水位测量系统经常堵塞无法正常工作，以及检修工作危险性大的问题，设计了一种新型的水位测量系统。新型水位测量系统原理如图2所示。

图2 新型水位测量系统原理示意图

在捞渣机侧壁上安装取样管。取样管上安装一个水槽。利用连通器原理，水槽中水位与捞渣机渣水水位相等。通过在水槽中安装一个带连杆的浮球，连杆与支架连接，水槽中水位的变化反映到连杆端位移的变化，连杆端与位移测量装置连接。这样，水槽中水位的变化通过位移测量装置转化为模拟量，同时检修人员作业时的安全状况也大大改善。由此可知，渣水水位=捞渣机渣水池底部到水槽底部距离(H)+水槽中水位(L)。

渣水中一般含有大量的灰渣，易造成取样管堵塞。设计时，在取样管口安装滤网，同时在补水管路取一旁路管安装于取样管管口，通过定期打开手动阀对取样管和滤网进行冲洗，以防止堵塞。上述工作完成后，把水位模拟量信号引入DCS或可编程逻辑控制器中实现水位闭环控制。根据实际情况，在程序中设置高、低水位，在高、低水位时实现调门超迟关和开，保证了锅炉运行时炉底水封安全，节约用水。

3 实际应用及效果分析

对达拉特电厂6台亚临界330 MW供热机组，应用了上述捞渣机控制系统的优化改造策略。图3为图1所述改造策略的DCS控制逻辑实现。图3中：实线为模拟量信号；虚线为开关量信息。

图3 DCS控制逻辑实现图

由图3可知，该设计逻辑处理在完成捞渣机电位器电压计算的同时，实现了捞渣机的故障预警。

长期实际应用效果表明：升级后的捞渣机可针对不同渣量进行远程适应性调整，既减少了就地人员的工作量和劳动强度，又降低了捞渣机电机能耗，并进一步减少了不必要的巡检工作、提升了锅炉运行的安全性和经济性；与此同时，连通式水位计设计具有水位监测准确、便于检修的特点，降低了锅炉运行故障率、保障了锅炉安全运行。此外，该优化改造方案成本低、便于实施，对同类捞渣机的升级改造极具借鉴意义。在此基础上，后期达拉特电厂还将开展2台亚临界600 MW空冷机组的实际应用工作。

4 结论

针对电厂多台火电机组GBL 型锅炉捞渣机存在的实际问题，本文研究了捞渣机控制系统的优化改造策略，得到的结论如下。

①针对现有捞渣机存在就地人工监视与操作的问题，设计了一套捞渣机远程自适应操作系统。在提高其自动化程度、降低运行人员工作量的基础上，本文研究的策略增加了对渣量变化的适应性。

②针对原始渣水的水位测量方法存在的弊端，对水位测量方法进行优化改进，保证了炉底水封的安全性。

③经实际6台亚临界330 MW供热机组优化改造后的长期运行效果显示：捞渣机的渣量自动调整水平及捞渣机的运行可靠性都得到显著提高。

该方案具有成本低、便于实施的特点，对同类捞渣机的升级改造极具借鉴意义。