压缩空气用量最优控制研究与应用

张立敏，李智华，魏 晋，王慧敏

(内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司，内蒙古 乌海 016000)

1 背景

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司2×330 MW发电机组工程已投产，采用东方锅炉(集团)股份有限公司生产的自主研发型单炉膛330 MW级循环流化床锅炉，除灰系统是发电厂的重要组成部分，其节能对厂用电率产生很大影响[1]。气力除灰系统自20世纪80年代从国外引进以来，国内各厂商、科研院所等对其进行了大量研究，在解决气力除灰系统出力不足、堵管频繁及管道磨损严重等问题上取得了较大进展[2，3]，在燃煤发电企业广泛应用，但由于系统配置、除灰系统输送距离、输灰程控逻辑原理等原因，使气力除灰系统实际运行能耗偏高的现状不同程度的存在。

2 现状

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司空压机系统包括除灰系统、脱硫系统、厂用及仪用系统，其中除灰系统目前配置7台螺杆空气压缩机，电机功率总计为2 445 kW(G空压机为315 kW)；脱硫系配置4台螺杆空气压缩机，电动机功率总计为1 420 kW；厂用及仪用系统共配置5台螺杆空气压缩机，电动机功率总计为1 250 kW，目前空压机系统电动机总功率达到5 115 kW，历年耗电情况如下表1。

表1 近年空压机系统耗电率统计

2018年度综合厂用电率10.53%，空压机耗电率占比为6.65%，2019年度综合厂用电率10.39%，空压机系统耗电率占比为7.12%，空压机系统耗电率明显高于同类型电厂且呈上升趋势，用气高峰期甚至出现气源压力不足的问题。由于该厂灰库与机组输灰仓泵距离接近500 m，在发电负荷高峰及入炉煤灰分高时，7台除灰空压机全部启动运行才可勉强满足输灰用气要求，系统出力无余量，增加输灰管道堵管风险，严重情况下机组出力受限。针对以上问题，开展了全厂压缩空气用量最优控制研究与实践应用工作。

3 输灰系统配置及优化方案

3.1 电除尘及空气预热器出口输灰系统配置

空气预热器出口烟道配置4个灰斗及气力输灰设备，电除尘分为二级除尘，一电场8个灰斗，A、B侧烟道各4个，即一电场A侧4个，一电场B侧4个，各配置一根输灰管道至灰库，一电场B侧与空气预热器出口灰斗共用输灰管道；轮流输灰，二电场灰量较小，8个灰斗共用一根输灰管道至灰库，每套输灰管路系统配置进气阀、出料阀、旁路助吹阀、高料位开关，在灰库库顶配置油切换阀来控制细灰进入细灰库或者粗灰库。输灰程控系统基本顺序为，空预器灰斗与一电场A侧灰斗轮流输灰，相互闭锁，一电场B侧灰斗与二电场灰斗轮流输灰，相互闭锁。这样两台机组同一时间可能有四根管道同时输灰，用气量较大。

3.2 增加除灰管道助吹电磁阀

针对两台机组电除尘输灰至灰库系统输灰压力不足及波动幅度大问题，通过运行趋势比较、运行方式分析、周边电厂调研等方式，初步确定电除尘输灰系统使用压缩空气从输灰仓泵进入后，经过输灰管线到达灰库时，压降幅度较大，给输灰系统带来了较大的压力。后研究决定在输灰管道的水平段与上升段连接处增加助吹系统，在#1炉、#2炉至灰库系统6根输灰管道切换阀后各增加1个管道助吹电磁阀，用以控制助吹压缩空气，采用φ14×2气源管路，管道助吹电磁阀的控制方式为：当两台机组电除尘排灰输送系统对应管道的排灰阀及进气阀开启开始进行输灰时，经测算管道助吹电磁阀延时120 s开启，用以提高输灰末端至灰库库顶爬升动力，当两台机组电除尘排灰输送系统对应管道的排灰阀及进气阀关闭结束输灰时，管道助吹电磁阀关闭，以节省压缩空气。

3.3 优化旁路助吹阀控制逻辑

旁路助吹阀是在灰量较大时，为防止压缩空气压力低输灰不畅造成输灰管路堵塞而设置的助吹压缩空气控制阀，原程控系统在每次输灰时均使该阀开启参与输灰，增加了压缩空气使用量，对此增加电除尘一电场A、B侧旁路助吹阀以及二电场、空预器输灰旁路助吹阀参与输灰程控选择按钮，可由运行人员根据锅炉负荷或输灰量选择性的投入或退出助吹电磁阀是否参与输灰程控，从而减少压缩空气消耗。

3.4 电除尘输灰控制逻辑优化

原电除尘输灰方式采用二电场与一电场A侧轮流输灰，同时一电场B侧与空预器出口灰斗轮流输灰的方式，通过对输灰系统压缩空气压力等历史数据进行分析发现，此种方式在机组高负荷产灰量大的情况下比较适用，但是在机组低负荷的情况下，电除尘B侧仓泵处于高频次、低出力方式运行，#2炉典型输灰曲线，输灰压力仅仅0.05 MPa左右，且输灰持续时间为A侧的一半左右，与典型仓泵运行压力变化曲线(见图1)差异明显，输灰压缩空气浪费严重，为进一步对分析结果进行验证，利用红外热成像技术对低负荷电除尘输灰过程输灰量进行在线监测，验证了分析的判断正确性。经分析对两台机组的输灰程序进行了优化，在原有逻辑的基础上，对机组在低负荷的情况下作了相应的调整，采用二电场、一电场A、B侧3根输灰管道轮流进行输灰的方式，空预器灰斗每个运行班次选择性的进行输灰，降低机组在低负荷的情况下电除尘系统频繁输灰带来的压缩空气浪费，同时避免了同一时间段有两根输灰管路同时输灰引起输灰压力突降而使空压机出力瞬时增大。在操作画面上设计了两种输灰方式的切换按钮，方便运行人员根据输灰量随时对输灰方式进行调整。

图1 典型仓泵输灰压力变化曲线[4]

3.5 优化仓泵落料时间

投入输灰程控自动控制后，触发开始输灰条件为每个电场灰斗有一个高料位信号或者进料时间到时，两个条件满足其一后开始输灰，本电场输灰完成后触发下一电场开始输灰，这样循环输灰，周而复始，高料位信号为灰斗料位开关测量，进料时间设置的长短由运行人员凭借经验设置，进料时间作为高料位信号的后备保护，防止料位开关故障时中断输灰，通过对触发输灰开始信号的大量数据分析，发现大多数为进料时间到时开始输灰，此时灰斗料位还很低灰量较少，输灰压力曲线能明显反映出输灰时灰量较少，增加了输灰频次，浪费了大量的压缩空气，对此将开始输灰触发条件中一个高料位信号改为两个高料位信号，进料时间设置为根据锅炉负荷分段自动设置，进料时间的确定依据是利用红外热成像技术在线监测灰斗灰位，对高、低负荷电除尘灰斗落料时间及灰位确定，运行人员可根据具体情况进行时间长短的偏置增减，用以减少输灰频次，降低压缩空气使用量。

3.6 增加脱硫压缩空气与除灰压缩空气联络管道

为使脱硫用压缩空气与除灰压缩空气可以相互补充利用，在原脱硫压缩空气系统与除灰压缩空气系统之间增加了联络管道，以便于脱硫压缩空气与除灰压缩空气在空压机检修与用气量不足时达到相互补偿目的。

4 经济效益及社会效益

4.1 节电效益

通过开展以上技术攻关，2020年度全厂各空压机系统耗电率同比2019年变化见表2。

表2 空压机系统耗电率统计

通过表2中数据比较，2020年空压机系统运行耗电率同比2019年度降低0.07%，系统运行节电率达到9.46%，全年节电量达到253.90万kW·h。2020年度上网电价按0.282 9元/kW·h算，则全年节电经济收益为253.90×0.282 9=71.83万元。

4.2 节油及维护效益

根据单台空压机运行时功率为330 kW·h计算，共节约单台空压机的使用小时数为8 460 h。空压机每运行8 000 h，进行一次油的更换维护，每次加油约8桶，每桶油的价格为2 300元，每2 000 h更换一次油滤和空滤，两个共计1 380元，每4 000 h更换一次油分，每个1 190元，据此计算每年可节约空压机的维护费用为：2 300×8+1 380×4+1 190×2=2.63万元。

综合以上，通过全厂压缩空气用量最优控制研究与实践技术攻关共计产生74.46万元经济收益。

5 结束语

通过对电除尘输灰程控逻辑优化，在输灰管道末端至灰库库顶管道爬升处增加助吹压缩空气增大输灰压力，调整电除尘输灰方式，优化输灰步序，在满足电除尘系统输灰要求的同时，降低了压缩空气消耗量，降低了空压机的运行时间，节省了厂用电的同时，节省了空压机维护费用，为同类型发电企业电除尘输灰系统运行方式提供借鉴。