（电力电子与电力传动专业论文）中间仓储式球磨机制粉系统智能控制方法研究.pdf

上海人学硕士学位论文 a b s t r a c t a st ot h em u l t i v a r i a b l e ，s t r o n g c o u p l i n g , g r e a ti n e r t i a , n o n l i n e a ra n d t i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a l lm i l lp u l v e r i z a t i o ns y s t e m ，s e v e r a lc o n t r o l s y s t e m sa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h ea l l a r o u n da n a l y s i so f i t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c f i r s to fa l l ，i no r d e rt oc o m p a r ea n da n a l y z et h ec o n t r o le f f e c tb e t w e e n d i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e m s ，ac o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e ma n dad e c o u p l i n gp i d c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns t a t i ci n v e r s em a t r i xa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r ；s e c o n d ， b e c a u s ei ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o d st oa c h i e v eab e t t e r c o n t r o le f f e c t ，s e v e r a li n t e l l i g e n ti m p r o v e dp i dc o n t r o ls y s t e m sa r ed e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h ep i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l en e u r o nn e t w o r k ，t h ep i dc o n t r o l s y s t e mb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k ，t h ep i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h ma n dt h ep i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np s oa l g o r i t h m ；f i n a l l y , i nv i e wo f t h ei n a d e q u a c yo ft h es i n g l ec o n t r o lm e t h o d ，ap i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u z z y r b fn e u r a ln e t w o r ki sd e s i g n e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sac o m b i n a t i o no ff u z z y c o n t r o la n dr b fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，s oi tc a na b s o r bt h e m e r i t so fb o t h a p p r o a c h e sa n dh a sv e r yg o o dc o n t r o lq u a l i t y b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f b a l lm i l lp u l v e r i z a t i o ns y s t e ma n dt h ea b o v ec o n t r o la l g o r i t h m s ，p r o g r a mo f s i m u l a t i o na n dc o n t r o la l g o r i t h mi sw r i t t e nb yj a v af o rs i m u l a t i n g t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o lc a p a b i l i t i e so ft h ei m p r o v e dp i dc o n t r o lm e t h o da r e b e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lp i de o n t r o lm e t h o d k e y w o r d s ：b a l lm i l lp u l v e r i z i n g , b pn e u r a ln e t w o r k ，p s oa l g o r i t h r n ，g a ，f u z z y r b fn e u r a ln e t w o r k v i 上海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一社魄皆划 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弛社譬名：巡吼学坳 i i 上海大学硕上学位论文 1 1 课题的来源 第一章引言 本课题来源于2 0 0 6 年度上海市教育委员会重点科研项目，项目编号为 0 6 z z 6 9 ，项目名称为“中间仓储式球磨机制粉系统智能控制方法研究 。 1 2 课题研究的目的和意义 中间仓储式球磨机制粉系统广泛应用于火力发电机组，是火电厂的重要大 型辅助设备，也是耗电大户之一，据统计，制粉系统的用电量占火电厂用电量 的1 5 , - , 2 5 ，是潜在的节能大户之一【l 】，而长期以来，我国火电厂中间仓储式制 粉系统的自动控制一直是一项技术难题，由于系统的大时延、非线性、多变量、 强耦合及时变特性，还有控制方式和磨内存煤量测量信号等存在的问题，使得 设计安装的自动控制系统一直未能投入运行【2 1 。以往设计的控制系统大多是基 于三套独立的p i d 控制回路，对于各回路之间的耦合及大时延特性显得无能为 力。因此研究制粉系统的自动控制和优化运行，具有重要的实际意义。 钢球磨煤机是我国大中型燃煤电厂制粉系统中使用最多的磨煤设备，它具 有运行可靠、维护简单、对煤种适应性强和检修费用低等优点，从目前发展情 况来看，其应用范围还在不断扩大，但是它的缺点也很突出，即制粉电耗高和 难以实现自动控制。 中储式磨煤机制粉系统是一个多变量、强耦合、大惯性和具有多种不确定 性扰动的被控对象，其主要被控量是球磨机出口温度、入口负压、出入口压差、 磨煤机载煤量等，这些参量的影响是交织在一起的，使得制粉系统成为一个具 有多变量耦合和模型时变等特性的控制对象，改变给煤、热风、冷风和再循环 风中的任何一个量，都会影响磨煤机的出口温度、入口负压、存煤量、通风量 等，从而使得该系统的自动化较难以实现。 以往的控制系统大多以单回路调节器为基础，采用3 套相互独立的p i d 控 制回路，强行将变量间的相互关系割裂，从而顾此失彼，不可能得到满意的控 制效果。此外，中储式磨煤机制粉系统动态特性复杂，且动态特性随时间而发 上海大学硕士学位论文 生变化，这使得对象的数学模型难以准确获得，这也是该系统难以实现自动化 控制的原因之一。目前大多数电厂的制粉系统仍处于人为判断和手工操作的原 始状态【3 1 。手动操作时为了保证球磨机安全工作，防止堵煤跑粉等事故，球磨 机经常处于料位偏低( 低负荷) 、风量偏大、经济运行较差的“习惯运行区， 系统的制粉单耗较高。对钢球添加量与钢球大小配比、风量优化等缺乏合理的 指导，故提高制粉系统的经济性，是火电厂的一个重点节能挖潜之处。所以如 何将现有的控制理论及方法应用于制粉系统，实现系统的自动控制，使之运行 在最佳工况点是目前亟待解决的问题之一。 实现中储式球磨机制粉系统自动控制的目标是，充分考虑球磨机系统的非 线性特性、强耦合特性以及大迟延大惯性特性，并充分考虑断煤、堵煤和超温 等异常工况，进一步提高系统在大范围内的可控性和适应性，采用领域相关知 识优化系统的运行状态，不仅使单耗最低，更要使制粉系统的总体效率最佳， 达到整体上的优化，并且保证系统安全运行，构造具有实用价值的运行支援系 统【4 】。 实现钢球磨煤机自动化控制有如下意义： 1 ) 可保证锅炉机组运行经济可靠； 2 ) 可减轻操作人员的劳动强度； 3 ) 可使得球磨机运行于最佳工况，产生较好的社会和经济效益。 因此，本课题针对球磨机制粉系统难以实现自动控制的难题，提出智能控 制的办法来保证球磨机在安全运行的情况下，使磨出力达到最大，处于最佳经 济运行工况，并避免在制粉过程中的满煤、跑粉等问题。 1 3 球磨机制粉系统控制现状与发展 由于中储式球磨机制粉系统存在多变量强耦合，大时滞和模型时变的特性， 造成了基于经典p i d 方法设计的控制方案多年来无法长期稳定的投入自动控 制，影响了球磨机运行的安全性，使球磨机无法长期稳定运行在最佳经济出力 工况下，造成了厂用电的较大浪费。 二十世纪六十年代末，国外大都采用模拟仪表进行磨煤机控制，而我国的 钢球磨煤机一直是采用手动控制方式【5 1 ，直到七十年代初期，我国开始设计了 2 上海大学硕十学位论文 以给煤量控制压差，以热风量控制温度，以再循环风量控制负压的自动控制系 统，以及另一种用给煤量控制温度、用热风控制负压的方法。它们共同的问题 是以单回路调节器为基础，对球磨机如此复杂的系统显然达不到控制要求。三 变量之间的严重耦合，加之系统的非线性和时变性问题，这个时期的自动控制 系统均不能投入运行，直到八十年代初期，国内开始有人研究钢球磨煤机制粉 系统的动态特性，并把多变量解耦控制方法应用于制粉系统的分析中。进入九 十年代，人们在消化引进国外制粉系统控制技术的同时，开始探索用新的方法 来检测磨煤机内的存煤量，而且控制方法也有了较大的进步。 随着先进控制理论和检测手段以及计算机技术的发展，火电厂过程控制水 平有了大幅度的提高，球磨机制粉系统这一较难控制的系统开始受到重视，并 取得了一些理论和应用方面的研究成果。在充分考虑了球磨机制粉系统特点的 基础上，针对不同被控过程的具体特性，一批以多变量控制理论、模糊控制理 论、神经网络控制理论以及自适应优化理论为基础的实用控制策略已被提出， 如解耦控制、自寻优控制、模糊控制、预测控制和神经网络控制等先进控制方 法。 1 3 1 球磨机制粉系统的常规解耦控制 球磨机制粉系统是一个严重耦合的三输入三输出多变量系统，在任何一个 调节回路中，不管输入和输出之间如何配对三个回路之间均存在严重的耦合【6 】， 因此需要进行多变量解耦。常规解耦控制方法可分为静态解耦和动态解耦。静 态解耦方法适用于对象模型较精确，在静态工作点附近线性度较好的情况下， 它具有结构简单、实现容易的特点，但钢球磨煤机是一个复杂的被控对象，工 作状态极不稳定，所以静态解耦不适用于钢球磨煤机。动态解耦是在被控对象 工作的全过程进行解耦，在一定的条件下有良好的解耦效果【7 1 。解耦后的系统 可按单回路的原则来整定p i e ) 控制器的参数。动态解耦方法适用于能获得钢球 磨煤机精确数学模型的条件下，并且它还限于磨煤机在动态工作点附近有良好 的线性度情况下。对于钢球磨煤机这样一个多扰动、非线性的复杂系统，此方 法还是具有较大的局限性。另外，为了使解耦网络易于实现必须对系统做出相 应的简化，但这样会造成系统模型的失真，当系统出现扰动时极易造成不稳定。 上海大学硕十学位论文 所以常规解耦法不能从根本上解决磨煤机的控制问题【引。解耦控制的共同特点 是用补偿矩阵来消除各控制回路之间的影响，要实现完全解耦在理论上是可以 通过补偿来实现，但工程上应遵从简单有效的原则，过于复杂的补偿矩阵是无 法实现的。 1 ：3 2 球磨机制粉系统的基于多变量频域理论的i n a 设计方法 i n a 法即逆奈氏阵列法是多变量频域理论的重要内容之一，它具有对数学 模型的精确性要求不高、物理概念清晰、易于工程实现等特点。i n a 法的关键 在于求出被控对象的预补偿矩阵，使对象的广义传递函数具有对角优势【9 】。基 于i n a 方法设计的磨煤机控制方案不需要精确的数学模型，克服了系统易受扰 动，稳定性差的毛病，使系统具有耦合小，鲁棒性及故障稳定性强的特点【l o 1 1 】， 但i n a 法设计磨煤机控制系统需相应的c a c s d 软件支持，而且系统设计复杂。 1 3 3 球磨机制粉系统的自寻优控制 当制粉系统处于稳态工况时，常规的控制方式可以维持系统运行在给定料 位下，但无法保证运行的经济性。对于磨煤机系统来说，最佳料位不是一成不 变的，钢球的磨损、煤种的变化等都会使最佳料位产生漂移1 2 】，因此控制系统 应能够实时自动跟踪料位变化，在运行中不断修正控制参数，使控制对象始终 运行在最佳工作状态。 为提高球磨机的效率，工程技术人员提出了采用预估比较的动态步进搜索 法【1 3 】，输入信号不作连续变化，而是在起始状态的基础上作一个有限的变化， 然后测量由于输入信号的改变引起输出量变化的大小和方向，等辨明方向后， 再按需要的方向调节被控对象的输入。 利用给煤量的自适应优化控制，可以使制粉系统在安全运行的前提下，确 保其处于或接近最佳工况，使制粉系统出力最大，系统制粉电耗最小，即通过 改变给煤量来计算单耗，判断单耗变化方向，再控制给煤量朝着单耗减小的方 向变化【1 4 】。 为了使给出的设定值能实时跟踪球磨机的最佳工作点，在自寻优的过程中， 需要给出一个振动信号变化的整定值缈。如果检测到的振动信号变化的变化 4 上海大学硕上学位论文 值a y a y o ，说明这时球磨机的工作点在最大出力的左边，因此应加大设定值 尺；反之应减小设定值r 。重复几次调整后可使系统稳定运行在最大出力点【l5 1 。 自寻优的引入，使控制系统能自动跟踪最大出力点的漂移，保证球磨机始终运 行在最大出力点。 但是球磨机单耗的计算没有统一的算法，若以给煤机的给煤量近似表示球 磨机负荷，并不能准确测得球磨机的实际出力，也无法正确计算出单耗，那么 在线寻优也并非为最优，另外该方法调节动作频繁不利于系统的稳定运行。自 寻优控制的优化指标也是随设备条件、煤质( 特别是可磨系数) 、运行工况而变 化的，这对于实时控制在实现的方法上提出了很高的要求。 1 3 4 球磨机制粉系统的模糊控制 模糊控n ( f c ) 算法是本世纪7 0 年代才发展起来的一种新型控制算法，其本 质是一种非线性控制，它不需要知道被控对象的数学模型，并具有比常规控制 系统更好的稳定性、更强的鲁棒性和良好的抗噪性能【1 6 ，1 7 1 ，而且容易跟人工操 作经验相结合，可以有效地实现对非线性系统的控制。 模糊控制利用模糊语言规则，将运行人员的经验归纳后，存储到计算机中 进行数值计算，实现模糊控制，首先通过调整给煤量、热、再循环风门，使磨 煤机的磨负荷、出口温度和入口负压控制在给定范围内，即将磨煤机调整到最 佳工况【l s , 1 9 ；其次，在负压、温度都正常的情况下，调整给煤量使磨煤机内存 煤量最佳，达到出力最大和单耗最小。 另一种则是利用模糊控制的特点，认为当偏差较大时，控制的主要矛盾是 要尽快减小偏差，使系统输出接近稳定值，即采用一种变结构的控制方案【2 0 2 1 1 ， 大偏差时采用模糊控制方案，小偏差时采用p i d 控制，接近稳态时则为保持方 式。 模糊控制方案无需磨煤机精确的数学模型，这对经典的控制方法是一个很 大的进步。但对于球磨机这种三输入三输出系统而言，由于模糊控制规则数太 多，采用模糊控制查询表的方式来实现会带来很多不便 2 2 , 2 3 , 2 4 1 。对于工程实际 而言，将难以实现。如果采用递阶模糊控制【2 2 5 1 ，即将控制系统分为两级，第一 级由三个并行的模糊控制器组成，第二级为协调级，相当于一个解耦器。通过 5 上海大学硕上学位论文 这种递阶结构将原来的l1 7 6 4 9 条规则减少到了4 9 0 条，大大降低了模糊控制器 设计和计算的复杂度，非常有利于工程的实现。 1 3 5 球磨机制粉系统的预测控制 由于常规的模糊控制规则集中并没有包含对象纯滞后的信息，因此，寻找 克服大纯滞后对象的模糊控制规则也是人们正在努力的一个方向【2 6 1 。 有些学者提出了将球磨机的传递函数矩阵转换为球磨机的脉冲响应矩阵 【2 7 1 ，根据系统的现在时刻和过去时刻的控制输入预测系统输出的未来值，实现 预测控制。蔡松波【2 8 】提出采用模型算法控n ( m a c ) x c n 粉系统进行控制，通过 引入输出反馈消除误差。具体的模型算法控制由被控对象的内部模型、参考模 型和控制变量的计算三大部分组成，其中参考模型用于生成参考轨迹，引导被 控对象的输出沿着期望的、平滑的曲线无超调地收敛到给定值。采用预n - - 步 控制算法求解三个回路的最优控制方案。针对m a c 算法在对多变量耦合系统 解耦时需要求解大量线性方程组的问题，王东风提出一种新型解耦思想【_ 7 1 ，其 核心思想是设y 。，y ：，y ，已被解耦，是独立给出的，这样就可使预测时域p 。， p ，p ，和控制时域m ，m ：，m ，均可根据具体情况而具有不同值。有些学者 采用了动态矩阵控制( d m c ) ，同样是利用系统的脉冲响应曲线进行动态矩阵控 制【2 9 1 。d m c 在控制量计算中加入了过程动态特性、多步预测系统输出，可以 及时识别系统异常进行超前调节。而预测控制的难点在于预测传递函数的获取， 特别对于像球磨机这种复杂的时变对象。 1 3 6 球磨机制粉系统的神经网络控制 神经网络因其具有自学习、自适应的优点，并且不依赖具体数学模型，非 常适合动态特性随运行工况大范围变化的对象。而球磨机就属于这类对象，因 此一些学者已经开始尝试将神经网络应用在球磨机制粉系统中【3 0 】。姚钢等提出 对温度和负压回路采用神经元解耦控制器【3 l 】，神经元采用h c b b 学习规则和万学 习规则相结合，通过关联搜索对外界的变化做出相应的反应，从而达到了自学 习的功能，并且具有较佳的解耦性能。但神经网络种类繁多并存在训练时间长、 计算量大和训练收敛等问题。 6 上海大学硕上学位论文 1 3 7 球磨机制粉系统的混合集成控制 以上所提到的算法各有其优缺点，对于球磨机中储式制粉系统用单一控制 方法很难同时解决所有问题。因此，学者们想到将多种控制理论结合使用，如 p i d 与模糊结合【3 2 1 、自适应与模糊结合【1 8 】、解耦控制与模糊控制结合【2 5 1 、预测 控制与模糊控制结合e 捌、自寻优控制与模糊控制结合【1 3 】、仿人智能控制与模糊 控制结合【1 9 1 、专家与模糊结刽3 3 , 3 4 1 、预测控制与神经网络结刽3 5 1 、模糊控制与 神经网络结合【3 6 】等。但这些方法存在着随意性、不成熟性和应用性等方面问题， 还有很多问题值得进一步探讨和研究。 1 4 本论文的主要工作 基于上述分析，本文致力于解决球磨机制粉系统的强耦合、大延迟大惯性 等不利因素对控制系统性能的影响，并对所设计的球磨机制粉控制系统做了相 应的仿真分析。在查阅了大量国内外文献的基础上，论文的主要工作如下： 1 ) 分析球磨机制粉系统的工作原理、数学模型及其对象特性，并深入分析 了制粉系统的控制要求和控制难点； 2 1 为了便于控制算法间的对比和分析，本文首先设计了一些常规的控制方 法，包括常规p i d 控制和基于静态逆矩阵解耦的p i d 控制方法，并进 行了仿真研究；然后针对常规控制方法的不足，又设计了一些基本的智 能控制方法，包括基于单神经元网络的p i d 智能控制、基于b p 神经网 络整定的p i d 控制、基于遗传算法整定的p i d 控制和基于p s o 算法整 定的p i d 控制，针对这些算法也进行了仿真研究。在对这些算法进行仿 真的过程中，并没有采用m a t l a b 进行仿真，而采用j a v a 语言进行仿真， 编制成了一个仿真系统软件并申请了计算机软件著作权，这样通过可视 化界面可以很方便的进行参数调整和仿真分析( 本仿真软件在后面的章 节中有详细的介绍) ； 3 ) 针对混合集成控制策略能克服单独控制策略的不足，具有更优良的性 能，能更好地满足控制要求，所以本文针对球磨机制粉系统设计了基于 模糊r b f 神经网络的p i d 控制系统。因为模糊神经网络控制既具有模 7 上海大学硕士学位论文 糊控制的善于利用经验知识、推理能力强等优点，又具有神经网络控制 的善于从控制数据中学习知识、学习能力强等特点，是一种优于模糊控 制和神经网络控制的智能控制方法，同样，对该控制算法也进行了各种 仿真研究。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题的来源、目的和意义。首先介绍了目前火电厂中间 仓储式制粉系统的自动控制一直是一项技术难题，由于系统的大时延、非线性、 多变量、强耦合及模型的时变特性，以及控制方式和磨内存煤量测量信号等存 在的问题，使得设计安装的自动控制系统一直未能投入运行，导致目前大多数 电厂仍处于人为判断和手工操作的原始状态，而手动操作时为了保证球磨机安 全工作，防止堵煤跑粉等事故，球磨机经常处于料位偏低( 低负荷) 、风量偏大、 经济运行较差的“习惯运行区 ，系统的磨煤以及制粉单耗较高，故提高制粉系 统的经济性，是火电厂重点节能挖潜之处。然后介绍了当前国内外球磨机制粉 系统的研究现状与发展，主要有常规解耦控制，自寻优控制，模糊控制，神经 网络控制和一些混合型的控制方法等等，并简单分析了它们各自的优缺点。最 后介绍了本论文的主要工作，本文主要针对球磨机制粉系统设计了一些常规的 控制方法和智能型p i d 控制方法，重点介绍了基于模糊r b f 神经网络的p i d 控 制系统。 上海大学硕士学位论文 第二章球磨机制粉系统的工作原理、数学模型及特 性分析 2 1 球磨机制粉系统的工作原理 2 1 1 球磨机制粉系统的结构和工作过程 常见的磨煤机是一个直径2 4 m ，长为3 一l o m ，内壁衬有波浪型锰钢护甲 的圆筒。筒内装有许多直径为3 0 - - 6 0 c m 的钢球。筒体一边是原煤进口与干燥 热风进口，另外一边是气粉混合物的出口。筒身经电动机、减速装置传动以低 速旋转，在离心力和摩擦力的作用下，护甲将钢球及原煤提升至一定的高度， 然后借重力自由下落。煤主要被钢球击碎同时还受到钢球之间、钢球与护甲之 间的挤压和研磨。磨好的煤粉被热空气带入炉膛燃烧。制粉系统主要有以下部 件：即碎煤机、给煤机、粗粉分离器、细粉分离器、煤粉仓、给粉机、排粉风 机等。典型的钢球中储式磨煤机制粉系统如图2 1 所示，其工作过程如下： 冷风 热风 秀循环最 图2 - 1 球磨机制粉系统的结构组成图 由锅炉空气预热器供给的热风由热风档板控制，冷风门在正常运行时是关 闭的，只在停机冷却磨煤机时使用：由排粉机出口至磨煤机入口的再循环风量 9 上海大学硕士学位论文 是由再循环风门控制；由给煤机输送来的原煤与热风一起进入磨煤机简体，筒 体出口流出的风粉混合物经管道1 进入粗粉分离器，经粗粉分离器分离后，较 粗的煤粉通过回流管2 流回简体中，合格的煤粉悬浮在气流中流向细分分离器， 这部分煤粉就是制成的煤粉，制成的煤粉通过管道5 存储在煤粉仓中，再通过 给粉机用热风吹入炉膛燃烧。经过细分分离器后含有微量煤粉的乏气流通过管 道4 经排粉机后，其中一路经管道6 进入炉膛燃烧，另外一路经再循环风门流 入磨煤机筒体，以降低磨煤机出口风粉混合物温度，并维持磨煤机入口负压在 规定的范围内。衡量制粉系统运行的标准是磨煤机的入口负压、出口温度及磨 煤机的磨负荷( 装载量) 。给煤量、热风量和再循环风量任被改变其一，都将 影响到入口负压、出口温度和磨负荷。 球磨机制粉系统可分为中储式和直吹式【3 1 ，而中储式球磨机制粉系统是目前 我国火力发电中应用最广的制粉系统，它按送粉方式的不同又可以分为乏气送 粉系统和热风送粉系统两种，一般常用乏气送粉。 在制粉系统运行过程中，煤由原煤斗经过变频给煤机均匀地送入给煤机， 将二级空气预热器的热风作为干燥剂，送入磨煤机对煤进行干燥，同时携带着 磨成的煤粉离开磨煤机进入粗粉分离器，把不合格的过粗煤粉分离出来，经过 回粉管返回磨煤机重新再磨，合格的煤粉被干燥剂带入细粉分离器，在此大约 9 0 的煤粉被从干燥剂中分离出来i 通过切换档板直接送入煤粉仓，或利用螺 旋输粉机送到其他锅炉的煤粉仓中，从细粉分离器上部出来的乏气带着未分离 出来的少量煤粉，经排粉机升压后再作为一次风直接将给粉机排出的煤粉吹入 炉膛，就称为乏气送粉系统。而若升压后的乏气在燃烧器上部一定距离处作为 三次风送入炉膛，改由空气预热器过来的热空气作为一次风来输送煤粉，这种 送粉方式就称之为热风送粉。当燃用无烟煤、贫煤或劣质烟煤时，为了稳定着 火燃烧，常常使用热风送粉。 在中储式制粉系统中，利用再循环管来协调磨煤、干燥和燃烧三者所需风 量f 4 1 。再循环管把排粉机出口处的一部分乏气作为再循环风引至磨煤机，然后 又回到排粉机进行再循环，由于再循环风是乏气，不起干燥作用，而且温度低， 因此既可以调节磨煤机干燥剂温度，又能增加磨煤机通风量，同时兼顾燃烧所 需一次风的要求。 l o 上海大学硕士学位论文 2 1 2 影响磨煤机出力的因素 磨煤机制粉量的大小受磨制出力、干燥出力和通风出力三者的限制，且等 于三者中的较小者。 1 ) 磨制出力 球磨机出力除了与设备类型、转筒转速、煤种有关外，还与钢球数量和规 格、筒内载煤量有关。一般情况下，增加筒内载煤量，磨煤机的出力也相应增 加，当筒内载煤量增加到一定程度后，为了保持磨煤机负压运行，通风量相应 减少，通风出力减少，进煤量大于出粉量，转筒内存煤量越来越多，直至堵煤， 磨煤机出力反而降低。因此，为了提高磨煤机出力，降低磨煤机电耗，应维持 筒内最佳载煤量。 2 ) 干燥出力 影响磨煤机干燥出力的因素主要是煤的水分、热风温度和热风量。当湿煤 进入磨煤机后，就会造成热风的干噪能力不足，使磨煤机出力降低。送入磨煤 机的风量一般为热风和再循环风。为了保持磨煤机入口负压，进入磨煤机内的 总风量应在一定范围之内。当煤湿的时候，送入磨煤机的热风量应该多一些， 再循环风量应该少一些，来提高磨煤机的干燥出力。 3 ) 通风出力 球磨机内磨制好的煤粉需要相当的干燥风量将它携带出来，一般来说，增 大通风量，可输出更多的煤粉，因此磨煤机的入口负压应维持再合理的水平， 以保证通风出力。如果磨煤机的出口温度已达到要求而通风量不足，就会使一 部分合格的煤粉继续留在筒内，造成磨煤机的出力降低。通风量不足的原因很 多，除了运行操作力小的因素以外，球磨机制粉系统设备及管道严重漏风、粗 粉分离器和细粉分离器阻力过大，排粉风压和风量不足等都会造成通风量不足。 2 1 3 球磨机制粉系统的任务 1 ) 磨煤机入口负压调节 一般来说，入口负压是由再循环风量调节的，但再循环风量的变化直接影 响锅炉的燃烧，故采用热风量作为辅助调节。特别是当再循环风量已经超出一 定的范围而负压仍达不到要求时，则应主要使用热风量参与调节。在使用热风 上海人学硕上学位论文 量参与调节时，一定要注意给煤量与热风量的配比，保证磨煤机出口温度不变。 再循环风量限制范围可根据不同球磨机的具体情况由运行人员设定。该负压值 应尽量小，以最大限度地减少漏风量，应充分利用热风，提高磨煤机出力。 2 ) 磨煤机出口温度调节 当制粉系统运行时，为保证磨煤机通风量和干燥出力，必须将磨煤机出口 温度维持在允许范围内。根据球磨机制粉系统的对象特性，磨煤机的出口温度 主要是与送入磨煤机内的热风量和给煤量有关。温度对象的特性存在着大惯性、 大滞后的特点，当磨煤机内存煤量多时，改变热风量或给煤量，出口温度变化 很慢；反之，变化快一些。球磨机在正常运行时，系统达到了动态平衡，磨煤 机出口温度变化很小，当系统受到风温或煤质的扰动后，这种动态平衡就会遭 到破坏，控制系统的任务就是适当增减热风量和给煤量，使系统达到一种新的 动态平衡。综上所述，调节球磨机出口温度的手段是改变热风量或给煤量，或 者同时调整这两个量。 3 ) 磨煤机负荷调节 磨煤机的负荷控制就是给煤机的转速控制。对于中储式钢球磨煤机制粉系 统，在运行过程中，总希望磨煤机处在最佳工况下工作。理论和实践均已证明， 当磨煤机制粉系统的制粉出力接近最大，制粉的单位电耗较小。因此要降低制 粉电耗，必须增加磨煤机内的存煤量。但若存煤过多，容易造成磨煤机内满煤、 堵煤。因此，如何直接或间接测量磨煤机内的存煤量是给煤机转速控制系统的 关键。目前，国内对钢球磨煤机负荷的测量研究较多，具体方法大体为以下几 类：以直接测量磨煤机存煤量为基础，在磨煤机轴承上安装测重装置或在原 煤斗和给煤机间加装计量设备等，但这类方法投资和改装工作量大，测重装置 维护量大，一旦钢球装载量发生变化时，直接影响存煤量的测量。通过音频 传感器确定磨煤机的存煤量，但当煤种、水分和钢球量等发生变化时，同样的 存煤量对应的噪声电流是不同的。通过控制磨煤机进出口压差，因为它在一 定程度上能间接反映磨煤机内的存煤量，但煤的含水量、煤质及钢球装载量的 变化，均对压差有影响。因此磨煤机负荷调节的主要任务是，在能够保障入口 负压和出口温度都正常时，尽量加大给煤量，寻找最佳经济工作点。 1 2 上海大学硕士学位论文 2 2 球磨机制粉系统的数学模型 针对图2 1 所示的制粉系统根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种 有关的平衡方程。如：质量平衡方程、能量平衡方程、压差一流量平衡方程、 动量平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的特性方 程，最终可求出该制粉系统的数学模型【3 7 】。 2 2 1 由球磨机进出口质量平衡方程求磨内存煤量变化 筹= 等36 仁， 一= = 一 ，- l d f 式中b 为磨内存煤量姆，b 窖为给煤量f j i l ，b 。为磨煤机出力f j j l 。 b g = 以曰舭 ( 2 - 2 ) 式中譬为给煤机开度( o - l o o ) ，吃慨为给煤机最大出力f j i l 。 既= 风k 朋k 7 k 口xk 矿xk 矿 ( 2 - 3 ) 式中眈为磨煤机型号决定的出力t h ，k 。为原煤本身性质对出力的修正系数， k r 为磨出口温度对出力的修正系数，k 口为磨内存煤量对出力的修正系数，k 矿 为磨内通风量对出力的修正系数，k 为粗口分离折向门角度对出力的修正系 数。式( 2 3 ) 假定护甲为波浪形护甲，钢球填充系数为标准值并且忽略钢球和护 甲的磨损，磨工作在额定工况下，b 。取磨煤机铭牌上的标准出力参数。 = k 警 ( 2 4 ) 式中k 拥为煤的可磨性系数，墨为水分对煤可磨性的影响系数，为燃料的质 量转换系数，墨为原煤颗粒度修正系数。 k t - - 瓦两2 1 1 0 9 1 ( 2 - 5 ) 式中丁为磨出口温度，本式中当t = 7 5 时k r = 1 。 1 3 上海大学硕士学位论文 呐万b 一也( 旁2 ( 2 - 6 ) 式中后。、屯为常数，通常毛= 2 ，如= 1 ，b 为磨内存煤量，b 季为磨内最大存 煤量。 当其它条件均不变时，球磨机产粉量与磨内存煤量的关系如图2 2 所示， 经验证式( 2 6 ) 可以与图2 - 2 所示的曲线很好地拟合。 彦电力 存煤疑 b 雄 图2 - 2 球磨机出力与存煤量的关系图 巧2 霜1o 7 + o 3 生 g f ( 2 - 7 ) 式中g 矿为实际系统通风量堙s ，嘭为最佳系统通风量堙s 。嘭由人工设定， 其数值取额定工况下系统通风量。 g = g 胄+ g 工+ g 矿+ 6 埘 ( 2 - 8 ) g 且、g 工、g 矿、g 。分别为热风、冷风、漏风以及磨煤过程中蒸发出的水蒸汽 量姆s 。为了便于计算和仿真，本文分别作如下假设： 1 ) 假设热风流量g 骨是热风门开度以( 0 - - 1 0 0 ) 和磨入口负压尸的函数 g 胄= k 删虮正丽i 万万 ( 2 - 9 ) 式中k 例为由热风管道状况决定的系数，风为热风密度，最为热风门入口压 力。 2 ) 假设冷风流量g 工是冷风门开度( o 一l o o ) 和磨入口负压p 的函数 1 4 吼= k 倒m 2 p 工( 一d ( 2 1 0 ) 式中k 聊为冷风管道状况决定的系数，成为冷风密度 3 ) 假设漏风流量g l ，是磨入口负压尸的单值函数，漏风来自环境 劬= 勖2 x 见( 一尸) ( 2 - 1 1 ) 式中k ，为经验系数，成为冷风密度。 4 ) 假设磨煤过程中蒸发出的水蒸汽量g 册是给煤机开度g ( o 一1 0 0 ) 1 均 单值函数 瓯= a m xb 艄以3 6 ( 2 - 1 2 ) 式中a m 为磨煤过程中蒸发掉的水分( 质量分数) ，曰g 脚为给煤机最大出力 t | ho 巧= l 乒丽_ 1 乒丽而百硼 ( 2 - 1 3 ) 式中为粗口分离出口煤粉细度，心为粗口分离折向门开度。 由公式( 2 1 ) 至( 2 1 3 ) 即可求出磨内存煤量。 2 2 2 由球磨机进出口能量平衡方程求磨出口温度变化 为了便于计算和仿真现进行如下假设：漏风与冷风均来自环境，因此其温 度和比热值相等；磨煤机对外散热集中于筒壁上；将筒壁吸收的热量视为向环 境散热的一部分。 1 ) 进入磨煤机的热量由原煤、热风、冷风、漏风以及磨煤中产生的热量五 部分组成： q 删= b g 3 6 + g 月c 置+ ( g + g 扩q 瓦) + q o ( 2 - 1 4 ) 式中b 譬为给煤量f ，由式( 2 2 ) 确定，为原煤比热“培。o ，为原煤 温度。c ；g 鼻为热风流量堙s ，由式( 2 - 9 ) 确定，g 为热风比热杉( 姆。c ) ，疋 为热风温度。c ；g 工、g ，分别为冷风流量姆j 、漏风流量堙s ，分别由式( 2 - 1 0 ) 、 上海人学硕士学位论文 式( 2 1 1 ) 确定，q 为冷风比热材( 堙。c ) ，瓦为冷风温度。c ：g 为磨煤过程中 产生的机械热量k j s 。 q o = 4 1 5 7 b g 3 6 = ii 5 5 b g ( 2 1 5 ) 式中b g 为给煤量f i i ，由式( 2 - 2 ) 确定。 2 ) 流出磨煤机的热量由出粉、系统通风( 除去原煤中蒸发的水分) 、磨 煤时从原煤蒸发出的水分以及系统对环境散热四部分组成： o o 盱= b c t 3 6 + ( g 胄+ 吼+ 嘞) c g t + g , ( 2 5 1 0 + i 9 t 一4 1 9 t m ) + q l ( 2 1 6 ) 式中b 。为球磨机出力，由式( 2 3 ) 确定f ，q 为煤粉比热灯( 堙。c ) ；t y 0 1 奢 出口温度；g r 、g 工、g ，分别为热风流量培j 、冷风流量堙趴漏风流量姆s ， 分别由公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 11 ) 确定，g 为通风比热材“堙。c ) ；g 。为磨煤 过程中蒸发出的水蒸汽量姆j ，由公式( 2 - 1 2 ) r 确定，为原煤温度。c ，q l 为 系统向环境散发的热量k j s 。 q l = k 歙仃一) ( 2 1 7 ) 式中k 鼬为系统对环境的综合散热系数材似。o ；r 为磨出口温度；为环境 温度。 3 ) 由能量平衡方程求磨出口温度变化： 等( 曰g + m 嬲c 掰) = 鳊+ 鳊w ( 2 - 1 8 ) 式中b 为磨内存煤量堙，由公式( 2 1 ) 确定；q 为煤k j ( k g 。o ；m 羽为 磨内钢球质量姆，c 阴为钢球比热肜( 姆。c ) ；鲸、q d w 分别为进出 磨煤机的热流量k j s ，分别由式( 2 1 4 ) 、( 2 1 6 ) 确定。 2 2 3 由球磨机压差一流量方程求磨入口负压值 严格来讲，磨入口负压应由整个制粉系统的流动模拟图通过两个非线性代 数式迭代求解。本文的球磨机模型是针对研究球磨机控制的需要而设计的，因 1 6 上海大学硕士学位论文 此要做一些简化和假定。假定系统通风阻力集中在i , f - j 、磨筒、磨出口至排粉 机入i ：1 - - 处。则可得出系统负压平衡式： 只一耳= 嘭+ 厶g ；+ 嘭 ( 2 1 9 ) 式中嘭为系统通风量幻s ，由公式( 2 8 ) 确定。 厶为风门阻力系数。经分析，风门阻力由冷风门阻力、热风门阻力和漏风 门阻力三部分并联而成： 石1 = 筹+ 筹+ 1 磊( 2 - 2 k 一= 三+ j 二 n 、 专l i k lr 专匿 、 式中m 、“分别为冷、热风门开度( o 一1 0 0 ) ；k 、k 置为常数；磊为漏 风阻力系数。 厶为磨筒阻力系数，受磨内存煤量和磨内钢球填充量的影响 乞= 厶( 1 + o 8 u 。) b( 2 2 0 式中厶为磨煤机环节的阻力系数忍( 培s ) 2 ；“m 为通过磨煤机的煤粉浓度， ( 1 + o 8 u m ) 表示通过球煤机的煤粉浓度对阻力的影响；k s 为磨筒内空气流通面 积。 “艚= 如吃( 3 6 嘭) ( 2 - 2 2 ) 式中如为粗粉分离循环倍率 k 妫= 1 7 6 5 + 7 0 芬 ( 2 2 3 ) 式中以为粗粉分离折向档板开度 舻g 一专一专 弘2 4 ， 式中g 为一个近似常数，经计算取0 5 5 ；吒为钢球装载量；为钢球堆积密 度瞎m 3 ；b 为磨内存煤量姆；成为原煤的密度堙研3 ；y 为磨容积研，。 为磨出口至排粉机入口的综合阻力系数，即粗粉分离器阻力、细分分离 1 7 上海大学硕上学位论文 器阻力和煤粉提升阻力的综合值，这里把它看作常数。 为了便于计算，现作进一步假设：将热风门入口负压昂和排粉机入口负压 耳视为定值，则磨入口负压p 为： 乒4 - # 户2 瓦二薏b 一耳) + 斥 ( 2 。2 5 ) 2 2 4 中储式钢球磨煤机制粉系统的数学模型表示 典型的球磨机被控对象包括三个输入量( 给煤量、再循环风量、热风量) 和三个输出量( 磨负荷、入口负压、出1 3 风粉混合物温度) 。按照这种思路进 行建模，得到的数学模型往往非常复杂，解耦及控制设计繁复且很难取得好的 控制效果。 如果改进参数检测方法，用球磨机前轴瓦垂直振动分量代替压差信号表征 存煤量，这样风量将不影响存煤量信号，而给煤量对负压的影响可忽略，对温 度信号的影响可看作可测扰动，于是原来的三输入三输出对象就分解为一个耦 合的两输入两输出对象和一个简单的单输入单输出对象。 对两输入两输出对象按照工艺要求进行变量配对，使用热风量控制出口温 度，再循环风量控制入口负压，即输出信号y = ，输入信号u = 瓷 ，其 中下标p 表示球磨机入口负压，下标丁表示球磨机出口温度，两个回路( 出口 温度回路与入口负压回路) 之间仍有很强的关联。将被控对象的耦合回路描述 为y = g u ，其中，传递函数矩阵： g c s ，= 曼暑曼曷 c 2 - 2 6 ， 研究表明，采用这样的建模方法更有利于控制系统的设计与应用。根据某 国产3 0 0 m w 机组球磨机制粉系统的运行情况，可以得到球磨机机组运行的出 口温度回路和入口负压回路的各传递函数为： g l l ( s ) = ( 8 _ = 0 8 l + 1 ) 2 ( 2 - 2 7 ) 1 8 上海大学硕士学位论文 g 1 ：( s ) = 丽- 0 1 4 ( 2 - 2 8 ) g 2 l ( s ) 2 矗( 2 - 2 9 ) g 2 2 ( 加器( 2 - 3 0 ) 而球磨机磨负荷回路的传递函数为： 啪，= 斋p 瑚 本文所进行的所有仿真研究都是基于公式( 2 2 7 ) 到公式( 2 - 3 1 ) 所示的传递函数。 2 3 球磨机制粉系统的特性分析 2 3 1 热风量对揲磨木几出口濡府的影响 经过空气预热器的热风一般可达3 0 0 4 c 左右，远高于球磨机内部的温度， 因此热风门开度对磨出口温度的影响很大，在其它物理量不变的时候，增加热 风门的开度，球磨机的出口温度将增加。热风门开度坼对球磨机出口温度的阶 跃扰动近似曲线如图2 3 所示。这里需要指出的是，球磨机内的存煤量会对温 度变化产生影响。当磨内存煤量多时，磨出口温度变化幅度较小且容积延时较 长：反之，温度变化幅度较大且容积延时较短。 图2 3 热风门开度对球磨机出口温度的阶跃扰动曲线 1 9 上海人学硕十学位论文 2 3 2 再循环风量对球磨机出口温度的影响 在球磨机制粉系统中，再循环风量的温度与球磨机的出口温度基本相同。 不考虑其他因素的影响，改变再循环风量，球磨机的出口温度变化很小。 2 3 3 给煤量对球磨机出口温度的影响 原煤经过给煤机进入球磨机内部时，由于原煤温度与环境相当，因此给煤 量的增加一定会使得球磨机出口温度的降低，并且改变给煤量会使得球磨机的 出口温度产