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球磨機新型控制策略研究與應用
點(diǎn)擊次數:2731 更新時(shí)間:2011-08-09
  引言
  
  在我國的中小型火電廠(chǎng)中,球磨機制粉系統使用十分普遍,并且該系統是電廠(chǎng)中除鍋爐燃燒系統外的又一重要調節系統。制粉系統的任務(wù)是將含有少量石灰石的燃煤通過(guò)鋼球磨煤機的研磨,制成一定細度的煤粉,并通過(guò)鍋爐風(fēng)力進(jìn)行干燥、輸送和分離,zui終將煤粉儲入料倉。
  
  制粉系統包括原煤倉,振動(dòng)給煤控制設備,粗細粉分離設備,球磨機,粉倉,絞龍輸粉閘閥,排粉機入口控制閥門(mén),球磨機熱風(fēng)、冷風(fēng)、隔離、再循環(huán)控制閥門(mén),三次風(fēng)、乏氣風(fēng)控制閥門(mén)等以及系統的大量測量設備,是一個(gè)比較龐大的風(fēng)粉混合系統。球磨機制粉系統的裝機容量大(僅球磨機的功率一般就為幾百千瓦),由于采用中間儲倉制,系統為間斷運行方式,啟停比較頻繁,故對鍋爐燃燒系統的擾動(dòng)大。
  
  對制粉系統而言,如何在保持磨煤機zui大出力下運行,以使噸煤電耗zui省是系統控制所追求的目標。但由于球磨機是一個(gè)多變量耦合嚴重的非線(xiàn)性系統,采用常規的控制方案很難達到控制目標。
  
  本文以南通一熱電站球磨機制粉系統的控制為例,在對球磨機的動(dòng)態(tài)性能分析的基礎上,提出了一種有效控制策略。該控制策略采用軟測量技術(shù)獲取磨負荷信息,通過(guò)協(xié)調控制器實(shí)現對球磨機磨負荷和出口溫度的控制。通過(guò)控制熱、冷風(fēng)量的比值實(shí)現對球磨機入口負壓的控制??刂破骶捎媚:齈ID控制算法,利用模糊控制實(shí)現動(dòng)態(tài)過(guò)程的有效控制,利用PID控制保證系統的穩態(tài)精度。
  
  實(shí)際運行結果表明,該控制策略能取得滿(mǎn)意的控制效果。
  
  一、球磨機動(dòng)態(tài)特性分析
  
  球磨機制粉系統的核心設備是球磨機。球磨機本身是一個(gè)包含機械能量轉換、熱交換的復雜設備。圖1為球磨機的輸人/輸出示意圖。
  
  球磨機的輸入一般有冷風(fēng)量Fr、熱風(fēng)量Fh和給煤量Fc。而被控制量有5入口負壓P、出口溫度T和磨負荷L??刂魄蚰C入口負壓的意義在于使整個(gè)球磨機處于負壓狀態(tài),防止煤粉和球磨機的過(guò)大漏風(fēng)。球磨機的出口溫度是指球磨機出口風(fēng)粉混合物的溫度,它是反映球磨機干燥出力、防止煤粉爆燃或爆炸的重要參數。磨負荷是反映制粉時(shí)滾筒內存煤量。
  
  在球磨機運行過(guò)程中,通過(guò)調節給煤量、熱風(fēng)量和冷風(fēng)量,以保證球磨機鼓筒內的存煤量(即磨負荷)、磨煤機出口溫度,以及入口負壓分別處在*值附近,從而使球磨機運行。球磨機的電機功率PD、進(jìn)出口壓差△P、磨出力Q與磨煤機體內的存煤量N之間的關(guān)系[4]如圖2所示。在特性曲線(xiàn)的Ⅰ區,球磨機的耗電量大,出力小;Ⅲ區易堵煤;Ⅱ區電機功率不是zui大,但球磨機的出力為zui大,這是理想工作區。由特性曲線(xiàn)還可看出,進(jìn)出口壓差可以間接反映磨負荷。
  
  從上面的分析可以得出:球磨機具有多容高階、純遲延較大、參數間耦合的動(dòng)態(tài)特性。其數學(xué)模型的結構可以近似表示為
  
  式中K為增益;τ為時(shí)間常數;t為純滯后時(shí)間。
  
  從階躍響應的時(shí)間看,磨煤機入口負壓的響應zui快、出入口壓差響應zui慢,其時(shí)間之比達到幾十。這些時(shí)間響應的快慢均反映在式中的時(shí)間常數上。
  
  上式是在某一條件下線(xiàn)性化得到的。事實(shí)上球磨機動(dòng)態(tài)特性具有變幻性,這主要表現在自衡能力和無(wú)自衡能力特性之間的差別和信號遲延時(shí)間長(cháng)短的差別上。球磨機出入口壓差在熱空氣帶粉量zui大值范圍內表現為有自衡能力的特性,而在這zui大值之外時(shí)則表現為無(wú)自衡能力的特性。入口負壓和出口溫度的遲延遠較壓差的遲延小。球磨機動(dòng)態(tài)特性的這種變幻性大大增加了控制難度。
  
  綜上所述,球磨機難以控制的原因可歸結為以下4點(diǎn)。
  
  a.系統具有多變量強耦合特性。如球磨機的入口負壓p與出口溫度T之間耦合十分嚴重。
  
  b.信號難以測量。磨負荷難以直接測量。目前,通常采用磨煤機進(jìn)出口壓差△P近似反映球磨機負荷。但壓差信號受筒內風(fēng)量的影響,而且延遲大,不能及時(shí)正確反映存煤量。信號難以測量的另一方面在于制粉系統的粉塵影響,使測量?jì)x器的靈敏度降低,尤其是易造成變送器導壓管堵塞、出口溫度測量元件磨損等問(wèn)題。
  
  c.系統動(dòng)態(tài)特性所具有的變幻性。
  
  d.有限的調節手段。制粉系統需要對磨煤機的入口負壓、出入口負壓、出口溫度、磨煤機負荷進(jìn)行控制。但控制手段一般只有熱風(fēng)門(mén)、循環(huán)風(fēng)門(mén)(或溫風(fēng)門(mén)、冷風(fēng)門(mén)等)和給煤機轉速等有限的調節手段。
  
  目前,球磨機制粉系統通常采用3套獨立的常規PID控制,這樣的控制方式既無(wú)法消除回路間的相互干擾,同時(shí)對于被控對象的大時(shí)滯后和變幻性更是無(wú)能為力。因此在很多場(chǎng)合下,尤其在一些規模比較小的熱電站,往往采用手動(dòng)控制。這使得球磨機制粉系統很難工作在*經(jīng)濟工況,制粉單耗高。
  
  因此,尋求更好的控制方式,實(shí)現對磨煤機制粉系統進(jìn)行有效控制,是人們一直在追求的目標。文獻[5]提出采用智能解耦的方法,控制系統由基礎控制級、協(xié)調控制級以及管理決策級構成,控制系統復雜。文獻[6]將模型預測控制引入球磨機制粉系統,仿真結果表明,該方法不但實(shí)現了系統的解耦,同時(shí)又能獲得較為滿(mǎn)意的控制效果。文獻[7]采用的遞階模糊控制,可使模糊控制規則大大縮減。文獻[8]提出一種多變量解耦控制策略,實(shí)現對球磨機入口負壓和出口溫度的有效控制。事實(shí)上,對球磨機制粉控制系統,在設計時(shí)首先應綜合考慮安全可靠、節能以及實(shí)用等因素,而不是一味追求控制系統的先進(jìn)性。本文所提出的對球磨機制粉系統的控制策略,具有實(shí)用、可靠等特點(diǎn)。
  
  二、球磨機制粉系統控制策略
  
  2.1控制策略確定
  
  通過(guò)對球磨機制粉系統的進(jìn)一步分析可知,磨負荷是需控制的關(guān)鍵變量。因此,在確定控制策略時(shí),把球磨機的磨負荷作為重要的被控變量。但控制磨負荷的關(guān)鍵是磨負荷的測量問(wèn)題。多年來(lái),磨負荷的測量一直是薄弱環(huán)節,盡管人們曾先后研究稱(chēng)重法和利用音頻傳感器以及通過(guò)測量球磨機的進(jìn)出口壓差來(lái)確定球磨機的存煤量等方法[9-10],但在實(shí)際應用中均存在問(wèn)題。以目前采用zui多的壓差法測量為例,不但粉塵會(huì )造成變送器導壓管的堵塞,使測量?jì)x器的靈敏度降低,而且煤的含水量、煤質(zhì)及鋼球裝載量的變化,均對壓差有影響。
  
  利用進(jìn)出口壓差法測量磨負荷實(shí)際是一種軟測量的方法,即選擇1組與被測變量(被估變量)相關(guān)的可測變量,構造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數學(xué)模型,用計算機軟件實(shí)現重要過(guò)程變量的估計??紤]到進(jìn)出口壓差法中變送器導壓管易堵塞的問(wèn)題,本系統中沒(méi)有選用進(jìn)出口壓差作為可測變量來(lái)估計磨負荷,而是把出口溫度T、熱風(fēng)量Fh作為估計磨負荷的可測變量。因為進(jìn)入球磨機原煤的溫度遠低于球磨機內的溫度,給煤量Fc的變化能顯著(zhù)影響出口溫度T。因此,本系統將磨負荷L作為被估變量,其關(guān)系可表示為
  
  L=f(T,Th)
  
  考慮到球磨機入口負壓主要受冷風(fēng)量和熱風(fēng)量的影響,因此采取控制加入球磨機熱風(fēng)量與冷風(fēng)量的比值,以實(shí)現對球磨機入口負壓的控制。
  
  球磨機出口溫度的控制主要從2個(gè)方面保證:
  
  a.在設計磨負荷回路時(shí)兼顧到出口溫度控制問(wèn)題,可通過(guò)協(xié)調控制器實(shí)現;
  
  b.控制好磨負荷和入口負壓來(lái)保證出口溫度,因為磨負荷和入口負壓均影響球磨機的出口溫度。
  
  由此可見(jiàn),球磨機的控制系統可簡(jiǎn)化為如圖3所示結構。
  
  模糊控制器1為入口負壓控制器,采用入口負壓的偏差及偏差變化率作為輸入變量,輸出變量為對應的熱風(fēng)量,通過(guò)比值器可得到相應的冷風(fēng)量。這一控制回路主要實(shí)現對球磨機入口負壓的控制。模糊控制器2與軟測量控制器,以及協(xié)調控制器構成磨負荷與出口溫度控制回路。通過(guò)軟測量控制器將出口溫度與熱風(fēng)量,獲得所需的磨負荷信號,模糊控制器2的輸出量與出口溫度測量值送至協(xié)調控制器,以獲得球磨機的給煤量。與其他球磨機控制系統相比,所設計的系統較簡(jiǎn)單、實(shí)用。
  
  2.2模糊控制器設計
  
  模糊控制器1和模糊控制器2均為模糊PID控制器。這里以模糊控制器1的設計為例,介紹模糊PID控制器的設計??刂破鞯男问讲扇∧:刂坪蚉ID控制相結合的方案。根據偏差大小確定采用模糊控制還是PID控制,見(jiàn)圖4。在│e│≥ε的動(dòng)態(tài)范圍內實(shí)行模糊控制,在│e│<ε范圍內實(shí)行PID控制。其優(yōu)點(diǎn)在于,利用模糊控制可以獲取系統動(dòng)態(tài)響應的快速性;利用PID控制來(lái)減小靜差。
  
  對于模糊控制器,球磨機入口負壓偏差的變化范圍?。?300Pa,+300Pa),壓力偏差變化率的范圍?。?50Pa/s,+50Pa/s)。2個(gè)輸入變量以及輸出變量語(yǔ)言值的模糊子集均?。∟B,NM,NS,0,PS,PM,PB),它們的量化論域均為(-3,-2,-1,0,+1,+2,+3)。
  
  為簡(jiǎn)化起見(jiàn),各模糊子集的隸屬度函數均取三角型。并通過(guò)模糊規則的推理,以及采用重心法求取輸出量U的值,得到控制表(見(jiàn)表1)。
  
  PID控制的主要任務(wù)是保證穩態(tài)精度。因此,在參數整定時(shí),加大積分的作用。
  
  模糊控制器2也是采用模糊PID控制器,設計方法與入口負壓控制回路的控制器設計相類(lèi)似。由于磨負荷控制回路兼顧到出口溫度的控制,所以控制器輸出量不能直接作為球磨機的給煤量。在模糊控制器2的輸出加入一個(gè)協(xié)調控制器。協(xié)調控制器依據當前的出口溫度,以及模糊控制器2的輸出值,綜合得到給煤量的值,以防給煤量突變對球磨機出口溫度的影響。
  
  三、結語(yǔ)
  
  本系統自2004年2月開(kāi)始投入使用,目前運行良好。從鍋爐運行趨勢圖看,磨煤機入口壓力的誤差波動(dòng)范圍為±(30~50)Pa。磨煤機出口溫度的誤差波動(dòng)范圍為±4℃。同時(shí),磨負荷能穩定在一個(gè)滿(mǎn)意的范圍內。通過(guò)2004年2~11月期間的數據統計,并與2003年全年數據比較:研磨電耗由2003年人工手動(dòng)調節時(shí)的22.3kW.h/t,降為20.4kW.h/t,總制粉研磨電耗下降8.52%。
  
  實(shí)際運行表明,該設計具有方案簡(jiǎn)單、運行可靠、節能效果明顯等特點(diǎn)。
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