（测试计量技术及仪器专业论文）智能化钢球磨煤机制粉系统设计.pdf

摘要 摘要 题名：智能化钢球磨煤机制粉系统设计 姓名：郝勇生 导师；吕震中 学校：东南大学 正文； 钢球磨煤机是目前我国火电厂制粉系统中使用最多的磨煤设各，且广泛应用于其他行业。本文针对 钢球磨煤机制粉系统电耗高、控制优化难的问题，对智能化钢球磨煤机制粉系统进行了研究和开发。有 利于提高制粉系统的经济性和测控水平。 本文的工作重点为试验研究和总体设计，主要内容包括以下几个方面：1 对国内球磨机制粉系统测 控的现状、存在问题和发展方向进行分析研究；2 分析目前国内球磨机制粉系统调试方法，作为系统优 化决策的基础；3 建立和分析球磨机制粉系统的动态模型，指导智能测控的研究与开发；4 结合在金陵 石化熟电厂进行的试验阐述振动信号表征存煤量和钢球装载情况的监测机理、平台设计和分析结论； 5 试验监测系统的应用软件开发，系统已在线、可靠工作；6 从监测、控制和优化等方面，提出了系统 的总体设计和实现方案。 本文通过大量的分析研究和现场试验，通过对球磨机振动信号进行频谱分析，监测磨筒存煤量和钢 球球径分布情况，初步解决了球磨机测控中一个关键问题；在此基础上，采用软测量、多传感器信息融 合技术，引入神经网络模型等方法，并考虑与电厂d c s 和计算机信息系统的连接，对智能化球磨机制粉 系统进行了总体设计，在技术上有所创新。 关键诃：振动；软测量； 监测； 控制；优化；制粉系统 a b 贸限a c t a b s t r a c t t i t l e ：d e s i g no fi n t e l l i g e n tb a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e m n a m e ：h a oy o n g s h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l uz h e n z h o n g s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： t h i sp a p e rp o i n t e do u te x i s t i n gm a j o rp r o b l e m so fm e a s u r e m e n t , c o n t r o la n do p t i m i z a t i o no f b i nf e e d e ra n dd i r e c tb a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e m t h ed y n a m i cb a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e mm o d e l w a sa l s op r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ew e r ed e s i g n e df o r t h et e s ts y s t e m i n t e l l i g e n ts c h e m eb a s e do ne x p e r i m e n t sw a sp u tf o r w a r di no r d e r t oi m p r o v ee c o n o m i c a le f f i c i e n c y a n dm e e tt h es a f e t yr e q u i r e m e n t t h ef o l l o w i n gm m np a n sw e r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r 1 。i ti n t r o d u c e dt h ec u r r e n tp u l v e r i z i n g s y s t e ma n d i t si n s t r u m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 2 。a d j u s t m e n ta n d a n a l y s i so np u l v e i z i n gs y s t e mw a s p r e s e n t e d 3 ad y n a m i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw a sg i v e n ，m o r e o v e ri n t e l l i g e n ts e n s o r , c o n t r o la n d o p t i m i z a t i o ns c h e m ew a sp u tf o r w a r d 4 ，t h et h e o r y , p l a t f o r ma n dd a t aa n a l y s i sw e r ed i s c u s s e di n o r d e rt of i n dt h er e l a t i o nh e t w nv i b r a t i o ns i g n a lo fb a l lm i l la n dc o a ll o a d b a l ld i s t r i b u t i o nr a t i o 5 ，s o f t w a r ed e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e mf o re x p e r i m e n tw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c hh a sb e e n p u ti n t or e n dt i m eo p e r a t i o n 6 ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ew h o l ep r o j e c t , i n c l u d i n gi n o 船u 陀n l e n t c o n t r o la n d o p t i m i z a t i o n d u r i n gt h i sr e s e a r c h , d e t a i lt e s ta n da n a l y s i sp r o v e dt h a tv i b r a t i o ns i g n a lo fb a l lm i l lc a l l r e p r e s e n tc o a ll e v e lo ft h eb a l lm i l la n ds t e e lb a l l sd i s t r i b u t i o n t h et e s tr e s u l tc o u l dh e l pt or e s o l v e an l a i np r o b l e mo f b a l lm i l ll o a dm e a s u r e m e n t t h ei n t e l l i g e n ts c h e m ef o rp u l v e r i z i n gs y s t e mw h i c h w a sb a s e do nm u l t i s c n s o l sf u s i o nt e c h n i q u ea sw e l la st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o dw a sg i v e ni n t h et h e s i s k e y w o r d s ：v i b r a t i o n ；s o f ts e n s i n g ；m o n i t o r i n g ；c o n t r o l ；o p t i m i z a o o n ；p u l v e r i z i n gs y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： ! 苤臣复垒 日 期：兰竺? 。夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：童：2 复兰 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景与研究意义 制粉系统是火电厂的一个重要的予系统，它的任务就是按照规定的煤粉经济细度和水分制出锅炉所需 要的煤粉，将其输送到炉膛，以保证锅炉稳定、经济运行。钢球磨煤机则是目前我国火电厂制粉系统中使 用虽多的磨煤设备，而且广泛应用于其他行业。钢球磨煤机的优点是运行可靠、维护简单，对煤种适应性 强和检修费用低等；缺点是制粉电耗高、难以投用自动和优化运行 钢球磨煤机是一个非线性、大滞后、强耦合和具有多种不确定性扰动的多变量对象。由于原煤水分、 煤质( 挥发分、灰分、可磨性等) 的变化，以及钢球、衬板磨损等原因，不仅特性复杂，而且缓慢时变， 使磨煤、干燥、输送出力相互难以优化匹配。 早在1 9 6 3 年，电力部大抓火电厂自动化试点工作时就将钢球磨煤机制粉系统自动化列为重点课题 但由于主设备不完善，堵煤严重，技术手段有限等原因使之投入率低，投用效果不能保证。长期以来，因 为磨煤机筒内存煤量、风量及制粉量等缺少有效可靠的检测手段自动控制系统难以长时间可靠投用。运 行人员为保证安全运行，防止满磨、堵磨等事故，经常手操运行于存煤量偏低、风量偏大、经济性较差的 习惯运行区，制粉电耗偏高。加上钢球添加缺乏合理的指导；而制粉系统启停频繁，不同人员往往采用不 同的调整，差异较大故制粉系统控制优化应是火电厂重点节能挖潜之处。 随着国家电力系统厂网分开，竟价上网政策的出台，各个电厂都积极筹划通过省煤节电来提高整体经 济效益，作为厂用电大户的钢球磨煤机制粉系统。其经济运行自然又一次成为大家关注的焦点目前全国 针对球磨机制粉系统展开研究的单位很多，有的处于起步阶段，有的相对较成熟，纵观目前的研究情况t 诸多系统运行的可靠性、稳定性和经济性需进一步提高比如说一个很现实的问题是当自控投用一段时间 以后是否能够降低制粉单耗。 本文针对中储式钢球磨煤机制粉系统和直吹式双进双出球磨机制粉系统，开发基于数据挖掘和人工智 能技术的智能化钢球磨煤机制粉系统，实施以经济性为主导的优化决策与控制。本文着重于总体方案设计 和试验综合研究，以及系统部分软件的开发。本文的试验研究分别在合肥第二发电厂和金陵石化热电厂进 行 1 2 球磨机制粉系统存煤量测量的现状和发展 1 2 1 差压法鼬7 1 到目前为止，差压法是很多厂家用来判定球磨机内存煤量的方法。球磨机进出e l 差压信号在一定程度 上能间接反映筒内的存煤量情况，当球磨机正常运行且在其它条件不变的情况下，磨进出e l 压差越大。说 明筒内存煤量越多，反之磨进出口压差越小，筒内存煤量越少但是差压信号易受其它因素，如风量、煤 质及钢球装载量等的影响，因此用它来反映存煤量，其动态响应较慢、可靠性较差，难以保证球磨机维持 最佳存煤量，导致自动系统难以长期投入运行。 1 2 2 功率电流法 通过电流来判断球磨机简内存煤量也是很多厂家行之有效的经验做法，如南京金陵石化热电厂正常运 行时保证磨煤机电流稳定在4 0 a 左右。当启动一台空磨，然后缓慢向磨中加煤，则电流将稳定增加直至最大 如加煤过量，则电流会再次下降。至于加煤过程中为什么电流会下降，主要是因为重力中心将向磨的中心转 东南大学硕士学位论文 移，最终我们可以看到磨的电功率消耗是磨加煤量的函数。文 2 提出通过对磨煤机电流的控制来实现给 煤量的控制。以最终达到控制磨煤机煤位的目的，给出给煤负荷与电流之间的关系如图1 一l 所示；同时文 中指出采用该种方式后对运行影响最大的是钢球装载量的变化，在一定的制粉通风量下，当装球量减小时， 功率消耗将会下降。磨煤机效率将会降低，所以应维持稳定且合理的钢球装载量。 功率电流法反映存煤量受到钢球装载量、风量和煤质的影响，当然相对于差压法受到的耦合影响较小 因而如果用功率电流法来控制给煤量，必须建立相关的钢球补充机制和设定电流修正系数。 电 流 存煤量 图l l 功率与给煤量关系 1 2 3 音频法 音频法的原理是通过音频传感器或传声器采集音频信号根据不同的存煤量状态下工作时其滚筒发出 的噪音不同来判断存煤量。经验运行表明当球磨机内存煤量少时钢球间及钢球与简体的撞击机会将增大， 发出的声音频率高，声强大；而当存煤量多时金属间由于有较软的煤屑起着缓冲作用发出的声音频率 低，声强弱。利用音频信号反映存煤量的典型系统是陕西天安智能公司的t c s 2 0 0 球磨机存煤量监控系统。， 其工作机理提取能敏感反映煤位高低的声信号特征量( 经带通滤波后音频信号的有效值) ，来表征存煤量。 文 4 提出利用小波变换技术和基于小波变换的多频道分解技术从声音信号中识别提取反映存煤量的特征 信息 音频法从本质上看是振动法的演变，音频信号的起源还是设备的振动。音频法受到钢球装载量、煤质 等因素的影响，从它的投用效果来看，不同机组之间存在很大差异 1 2 4 振动法 该种方法是通过测量球磨机前轴承或者后轴承的振动加速度信号来反映球磨机中存煤量的多少，这种方 法也是本文试验研究的重点。文 5 和文 6 通过在球磨机前轴承上加装振动加速度传感器进行试验，均对采 集到的振动信号滤波后取有效值来表征筒内存煤量，如图i - - 2 所示，其中输入部分将传感器的输入信号进 行放大转换成电压信号：信号处理部分负责滤波和取有效值；输出部分将电压信号转换成易于现场传输不 易受干扰的电流信号。文 5 1 同时通过对比试验指出振动法比差压法响应迅速，且后轴承的振动响应比前轴承 慢。也有学者认为前轴承振动信号受到的下煤量的影响大，采用后轴承更为合理。 图1 2 振动法测料位示意图 2 第一章绪论 轴承振动法取用的信号都是轴承振动加速度信号。但信号的处理有不同的方式。此类方法已在全国很多 厂家得到推广工程实现和信号处理有着需要不断研究的地方。 1 2 5 其它测量方法 除上述讲述的几种常用方法外，还有称重法“，即在球磨机的轴颈处加称，直接称出简内煤的重量，此 类方法投资很大，投入使用后控制效果不理想。在国内很少应用。双进双出球磨机应用较多的是气动差压法 ，测量高煤位点和低煤位点与参考点之间的差压，经压差变送器转并换成电流信号送往煤位控制系统 图l - - 3 气动差压法的测量原理图 l -3 制粉系统控制现状与发展 1 3 1 常规控制隙 1 6 j , 跏 常规的中储式制粉系统自动控制的设计是采用热风门控制球磨机出口温度，再循环风门控制入口负 压，给煤量控制球磨机入口负压形成3 套独立的p i d 控制回路。但是这三个自动调节系统之间存在着很强 的耦合。因为热风比容大，它对负压的影响远比再循环风门对入口负压的影响大；给煤量及煤水分对温度 的影响也很大如果将三个系统做成各自独立的系统，根难保证长期稳定安全经济运行特别例如当用热 风门独自控制球磨机出口温度，当煤含水分增加时，出口温度变低，此时热风门将开大，同时关小再循环 风门，由于热风比容大，很容易使入口负压变小，甚至出现漏粉现象。另外用给煤量来控制球磨机进出口 差压，很难保证球磨机在优化区运行而不出现堵磨现象，因此常规的制粉系统的控制策略应用效果并不理 想 1 3 2 解耦控制 球磨机制粉系统是一个严重的三输入三输出多变量耦合系统，在其三个调节回路中，不管三个输入和 三个输出如何配对均存在严重的耦合，因此需要进行多变量解耦。文献 9 论证了解耦控制在解决球磨机 制粉系统控制可行性，提出采用振动信号测量球磨机存煤量并采用工业p c 机对钢球磨煤机制粉系统进行自 动控制是可行的。文献 1 0 设计了三种解耦控制系统：动静态全解耦方法、静态解耦方法和工程静态解耦 3 变要查兰堡主茎堡丝苎 方法。文 1 1 将给煤控制回路看作单回路系统，针对磨入口负压和出口温度利用单位矩阵综合法对磨入口 圈1 4 带相位补偿的温度、负压解耦控制模型 负压和出口温度回路进行解耦并引入给煤量信号作为前馈信号，解耦系统比较简单实用文 8 中在磨 入口负压和出口温度两个单回路系统的基础上设计交叉解耦环节，以消除磨煤机入口负压和出口温度控制 系统之间的相互作用，并且在磨煤机出口温度控制中加入相位补偿环节克服温度对象的大惯性，提高温度 控制系统的品质，同时使用给煤机转速控制球磨机的负荷，如图1 4 所示文 1 3 和文 1 4 以振动信号来 表征球磨机的负荷。将给煤量设计成一个单回路，对磨煤机入口负压和出口温度回路则基于多变量频域设 计方法，给出7 逆奈奎斯特阵列i m 法和反标架正规化r 刚设计方法如图l - - 5 ，其特点是系统结构简单， 较易于工程实现，系统具有一定的鲁棒性。 图1 - - 5i n a 和r b f 设计闭环框图 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 过补偿实现，但工程应用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 3 模糊控制 模糊控制本质上是非线性控制，它不需要知道被控对象的数学模型，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，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。在现实应用过程中，模糊控制方法有着不同的应用形式。文 1 2 采用一种变结构控制方案，大偏差 时采用模糊控制，小偏差时采用p i d 控制。而当系统接近稳态时则为保持方式，并应用于对稳定锅炉燃烧 具有重要影响的捧粉机出口压力控制如图l 一6 所示。文 1 5 和 1 0 针对纯延迟非线性特性均采用分级模糊 控制和预测模糊控制相结合的控制方法，首先控制入口负压不能太大或太小，其次控制出口温度在一定范 围内，在负压和温度都正常的情况下，调节给煤量使给煤量最佳。文献 1 7 采用分级控制方法，利用模糊 语言规则将运行人员的经验归纳后，储存到计算机中进行数值计算实现模糊控制。首先通过调整冷、热、 再循环风门使磨煤机入口负压和出口温度控制在给定范围内，其次在负压温度都正常的情况下调整给煤量 到磨煤机最佳存煤量，即达到出力最大和单耗最小 模糊控制方法的核心是模糊规则库的建立，规则库的建立、完善和更新是模糊控制的难点，它也直接 影响控制的品质。 4 第一章绪论 图1 6 排粉机出口压力变结构控制示意 1 3 4 自寻优控制 当制粉系统处于稳定工况时，常规控制方式可以维持系统运行在给定存煤量下，一般运行在习惯工作 区。即最佳工作区的左侧，无法保证球磨机运行的经济性。对于球磨机制粉系统来说，最佳存煤量并不是 一成不变。钢球损耗、煤种变化以及煤的水分变化等都会使最佳存煤量产生漂移，因而对应的最小制粉单 耗也是变化的。常见的自寻优控制有以下几种： 方法一是改变给煤量计算单耗判断单耗变化方向，控制给煤朝单耗减少的方向变化1 文 1 t 不测 量存煤量，首先入口负压、出口温度仍由再循环风门和热风门调节，采用模糊控制的方法；其次给煤量调 节在线寻优。先计算出单耗，然后根据其变化方向进行正向或反向寻优，直到单耗在某值附近摆动表示单 耗已接近最佳工况值，如图1 - - 7 所示。方法二是利用振动信号特性或音频信号特性作为自寻优的指标，结 合模糊控制方法在线寻优控制给煤量，寻优过程中需要给出振动信号变化的整定值，不断比较实际变化值 与整定值的大小来判断工作点在最大出力点的哪一侧，从而改变寻优控制器的设定值“”，控制结构如图l 一8 所示。方法三采用预估比较的动态步进搜索法，给定一输入信号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，辨明方向后，再按需要的方向调节被控对象的输入，文中利用这一方法并结合 音频信号实现了球磨机负荷控制的仿真1 ，将常规控制和自寻优控制相结合，采用定时寻优或工况改变寻 优，如图1 9 所示。 图l 一7 根据单耗寻优控制给煤 圈1 - 8 模糊自寻优结构 5 图1 9 步进搜索自寻优 东南大学硕士学位论文 球磨机制粉系统自寻优控制是一定范围内的在线寻优。球磨机单耗的计算有不同的标准及算法同时 以给煤量近似表示球磨机负荷并不能准确反映球磨机的实际出力，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 5 预测控制 由于常规模糊控制的控制规则集中而且不包括对象纯滞后的信息，因此寻找克服大纯滞后对象模糊控制 规则是现今研究的一个方向。文 2 0 提出了一种鲁棒性强、具有自适应能力的h a c 控制方式。还有文献提出 将球磨机的传递函数矩阵转换为球磨机的脉冲相应矩阵，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。文 2 1 针对制粉系统多变量强耦合的特点，提出了多模型自适应解耦预测 控制方式并且对于预测控制的其它设计参数进行模糊自整定，可以使得系统在大范围内克服球磨机系统的 非线性强耦合特性 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样一时变对象。将预测控制和其它智能 控制方法相结合是解决球磨机这样一个复杂对象的探索途径。 1 3 6 其它智能控制方法 针对中储式制粉系统，除了上述控制方法外。还有基于规则的智能控制，神经元控制等。文 2 2 提出了 基于规则的智能控制，采用智能逻辑判断方法，结合p i 控制成功解决了入口负压和出口温度相互干扰的问题： 文e 2 3 引入重庆大学周其鉴等人提出的仿人智能控制算法，提取了操作人员的经验，并与模糊控制相结合， 有效解决了球磨机负荷控制。文 2 4 提出了神经元控制方法，将神经网络理论应用于球磨机控制系统如图1 一1 0 从上面介绍可以看出，针对球磨机制粉系统的优化控制问题有很多方案被提出和通过仿真研究，表 明可在一定程度上解决球磨机自控中难点，但是能否在工程实际中投用，能否长期稳定运行节能降耗，还有 很多工作要做。因而在优化操作指导下实现自动控制是球磨机制粉系统改良的方向。也是本文研究的出发点 图l 一1 0 神经元控制系统的模型结构 1 3 7 直吹式制粉系统的控制方法啮1 - 直吹式制粉系统与中储式制粉系统相比制粉与炉膛燃烧的关系更为直接，自动控制更加复杂，控制安全 性要求很高。其控制功能大体分为三个部分：以一次风量的调节控制磨煤机送入炉膛的煤粉量：以磨煤机简 内的煤位来控制给煤机的转速；以密封风控制磨煤机内煤粉的外泻。 6 第一章绪论 1 4 本文主要的研究内容啪1 本文针对球磨机制粉系统本身存在的问题和目前测控现状，基于软测量技术，通过多传感器信息融合， 引入智能化控制和优化方法，并充分考虑与机组i x ：s 及计算机信息系统的连接，提出智能化球磨机制粉系 统的总体设计方案。本文的主要内容包括以下几个方面： 1 综述和比较目前国内球磨机制粉系统所应用的测量和控制方法，深入研究和分析该课题的背景和研究 价值。 2 研究和分析球磨机动态数学模型，明确球磨机各参数之间的函数关系，并在此基础上提出软测量方法 和智能控制和优化策略 3 在综合分析国内球磨机制粉系统调试和试验方法的基础上，在金陵石化热电厂进行了试验研究，以求 通过球磨机轴承振动信号的频谱分析，来监测球磨机内存煤量和反映钢球球径分布。试验结果表明， 振动信号与后两者之问存在者密切的关系，可应用于工程实际。 4 完成了球磨机存煤量监测系统的试验硬件和软件的设计开发。硬件部分主要是前置放大器的设计，软 件部分包括了数据采集、数据处理、数据库接口以及人机界面的设计，监测软件已用于金陵石化热电 厂试验现场。 5 基于机组d c s 和电厂信息化概念，将智能化钢球磨煤机制粉系统作为锅炉测控相对独立的子系统，提 出了针对不同系统与需求的多种实现方案，并进行了比较和分析，可作为进一步研究与开发工作的基 础。 本文着重于试验研究和总体设计通过试验研究和理论分析初步解决了球磨机筒内存煤量的测量问 题。同时提出智能控制和优化决策的设计方案，主要内容包括了球磨机负荷、入口负压和出口温度的控制， 以及钢球装载、存煤量、风量的优化等。根据前期研究工作本文认为就运行中节能降耗而言，优化决策 的作用比单纯智能控制更加重要。如果缺乏有效的优化决策，即使自动控制能够投用，其节能效果依然有 限只有充分利用信息，对制粉系统中的风、煤与钢球诸因素进行综合优化，才能最大限度地实现节能降 耗的目标。本文提出的软测量思想、信号处理方法以及制粉系统的智能化控制优化策略在技术上有所创新。 参考文献： 1 】游景玉论数字化钢球磨煤机制粉系统的实现热工自动化信息，2 0 0 3 ( 3 ) ：1 6 2 张怡强功率法对磨煤机煤位的控制与应用华东电力，2 0 0 1 ( 7 ) ：4 8 4 9 3 王兴国，田维铎等球磨机料位监控技术和制粉系统优化运行中国电力，1 9 9 6 2 9 ( 1 ) ：2 1 2 5 4 吴志敏，胡选利，黄协清基于声信号的球磨机煤位监测研究中国机械工程，1 9 9 8 。9 ( 2 ) ：3 0 3 5 【5 】苏杰，常太华，曾新球磨机内存煤量在线监测方法的研究与实现山西电力技术，1 9 9 9 ( 3 ) 。3 4 6 马冰岩球蘑机在线监测中国电力。1 9 9 4 ( 2 ) ，5 0 5 2 7 】王俊蕊，唐歆熙，崔彦彬球磨机载煤量测量方法的分析电力情报，2 0 0 0 ( 4 ) 1 1 1 3 8 曾风茹。张玉萍。喻玫双进双出铜球磨煤机的煤位控制策略河北电力技术，1 9 9 5 ( 3 ) ，5 8 6 1 9 杨庆柏。韩希昌，白焰钢球磨中储式制粉系统解耦控制的可行性分析东北电力技术，1 9 9 7 ( 1 0 ) ：1 9 2 l 1 0 于希宁。边立秀。孙建平磨煤机解耦控制系统的设计与调试河北电力技术，1 9 9 4 ( 6 ) ：1 0 1 3 1 1 潘且鲁一台3 0 0 唧机组磨煤机解耦控制系统设计热力发电，1 9 9 6 ( 6 ) ：1 3 1 7 1 2 吕剑虹，沈炯，杨榕等中储式钢球磨煤机制粉系统控制策略研究及应用中国电力，2 0 0 0 ，3 3 ( 9 ) ：5 7 6 l 7 东南大学硕士学位论文 1 3 田沛马平球磨机控制系统i n a 方法设计华北电力大学学报，1 9 9 4 2 1 ( 1 ) ：6 9 7 2 i 4 】苏杰，孙德立，曾新球磨机控制系统的一种频域方法设计华北电力大学学报，1 9 9 8 ，2 5 ( 3 ) ：8 1 8 6 1 5 】祝晓松，李晓春，王晋嫒模糊控制技术在磨煤机自动控制中的应用江西电力职工大学学报， 2 0 0 0 1 3 ( 1 ) ：4 7 1 6 李遵基，蔡军中间储仓式制粉系统球磨机模糊控制理论与实践中国电力，1 9 9 6 。2 9 ( 1 0 ) ：3 3 3 7 1 7 】邓依群。扬志勇球磨机计算机控制系统中国电力，1 9 9 8 ，3 1 ( 3 ) ：4 7 5 1 1 8 张彦斌，贾立新，杨波，樊少华自寻优模糊控制策略在球磨机控制中的实现电力系统自动化， 1 9 9 9 2 3 ( 1 7 ) ：2 3 2 5 c 1 9 刘齐寿，黄锦涛，贺刚等球磨机中储式制粉系统自寻最优控制西安交通大学学报2 0 0 0 ，3 4 ( 7 ) ：3 0 3 4 2 0 】刘军，李遵基国产2 0 0 唧制粉系统微机自动控制研究电力技术，1 9 9 0 ，2 3 ( 8 ) 2 1 】王东风多变量智能控制在电厂制粉系统中的应用研究： 学位论文】华北电力大学，2 0 0 0 2 2 潘维加，张玉铎。王春玲等钢球磨煤机智能控制系统东北电力学院学报，1 9 9 7 ，1 7 ( 1 ) ：7 3 7 7 2 3 章兢，童调生，庄斌球磨机仿人模糊智能控制电工技术学报，1 9 9 8 。1 3 ( 1 ) ：5 5 5 8 2 4 】姚刚周洪，李崇晟球磨机神经元解耦控制系统东北电力技术，2 0 0 0 ( 2 ) ：6 9 2 5 赵志军正压直吹式双进双出钢球磨煤机自动控制特点分析河北电力技术，2 0 0 0 ，2 1 ( 6 ) ，2 2 2 4 2 6 】黄蔚雯磨煤机料位测量装置的开发与应用： 学位论文 东南大学，2 0 0 3 2 7 徐宁中储式球磨机制粉系统实用的自动控制策略火电厂热工自动化，2 0 0 1 ( 1 ) ：3 3 4 3 9 2 8 郝勇生吕震中基于软测量的球磨机制粉系统智能控制与优化决策能源研究与利用，2 0 0 3 ( 4 ) ：2 1 2 4 2 9 c u s c h i e rj 耳r i c h a r d sej - e s t i m a t i o no fn o i s ee n e r g yr a d i a t e db yi m p a c te x c i t a t i o no f as t r u c t u r e p r e d i c t i o no fi m p a c tn o i s e ，n j s o u n dr i b 1 9 8 3 ，8 6 ( 2 ) ：3 1 9 4 3 4 2 3 0 r i c h a r d sej e n e r g ya c c o u n t a n c yi ni n d u s t r i c a lm a c h i n e d p r e d i c t i o no fi m p a c tn o i s e ， j s o u n dv i b 1 9 8 1 ，7 6 ( 2 ) ：1 8 7 2 3 2 8 第二章球磨机制粉系统分析与研究 第二章球磨机制粉系统分析与研究 2 1 制粉系统概述 制粉系统是火电厂的重要辅机设备，其任务就是将原煤磨制成符合要求的煤粉供锅炉燃烧。 制粉系统按照结构区别可分为直吹式和中问仓储式两种：直吹式系统是指煤经磨煤机磨成煤粉后直接吹 入炉膛燃烧 而仓储式制粉系统是将磨好的煤粉先储存到煤粉仓中，然后再根据锅炉运行负荷的需要，从煤 耢仓经给粉机送入炉膛中燃烧 制粉系统选用的磨煤机又可分为以下三种：低速磨煤机，转速为1 5 2 5 r r i n ，如简式钢球磨煤机；中 速磨煤机，转速为5 0 3 0 0 r e i n ，如平盘磨煤机、环球式磨煤机、碗式磨煤机等：高速磨煤机，转速为7 5 0 1 5 0 0 r s i n ，如风扇磨煤机。国内应用较多的式筒式钢球磨煤机、中速磨煤机和风扇磨煤机。 对于筒式钢球磨煤机，按照它的结构特点，又分为单进单出钢球磨煤机和双进双出钢球磨煤机。单进单 出球磨机国内应用较广泛，而双进双出钢球磨煤机在一些大容量锅炉机组中应用较多。 2 1 1 中间仓储式单进单出钢球磨煤机制粉系统 单进单出钢球磨煤机制粉系统分为集中制和单元制两类“。多台锅炉燃用的煤粉都集中在制粉车间或制 粉工厂进行磨制和干燥，称为集中式制粉系统。如果制粉系统直接与锅炉配套，并取用锅炉的热空气或热烟 气作为干燥剂和输送介质，就称为单元制制粉系统。目前国内绝大多数电厂采用单元制制粉系统。 单元制制粉系统又分为直吹式和中间仓储式两种。在直吹式系统中，煤粉从磨煤机出来，直接经燃烧器 吹入炉膛；在中间仓储式系统中煤粉被收集存储到煤粉仓中，燃用时再由煤粉仓下部的给粉机按锅炉负荷的 需要调节给粉量，由乏气或一次风机送入炉膛。 i 图2 - - 1 中储式单进单出钢球磨煤机制粉系统 典型的钢球磨煤机中间仓储式制粉系统的结构如图2 1 所示。它比直吹式系统增加了细粉分离器和煤 粉仓等设备。原煤和球磨机进口总风在下行干燥管内相遇后，一同进入球磨机。磨制好的煤粉由风带出，输 送至粗粉分离器。经过一次分离台格的煤粉被输送至细粉分离器，不合格的煤粉返回球磨机重新研磨。经细 9 东南大学硕士学位论文 粉分离器将风粉分离后，煤粉被输送至粉仓，再按锅炉需要由可调节的给粉机送入一次风管由一次风送入 炉膛内燃烧。由细粉分离器上部出来的为磨煤乏气，含有约1 0 的极细煤粉。磨煤乏气可以作为一次风输送 煤粉进入炉膛，称为乏气送粉当制粉系统没有启用，或是为了稳定着火燃烧，常利用热空气作为一次风送 粉，称为热风送粉。从图2 1 中可以看出通过风门间的切换可以实现乏气送粉和热风送粉两系统之间的相 互切换，称为倒风。中间仓储式系统中，以乏气送粉居多。 针对单进单出球磨机，中间仓储式系统相比直吹式系统有如下优点； 1 排粉机输送的是经煤粉分离器后的乏气，其含粉量只有1 0 左右，因而减轻了捧粉机叶轮的磨 损，延长了使用寿命 2 利用给粉机调节进入锅炉的煤粉量，增强了调节灵活性，加快了响应锅炉负荷变化的速度。 3 因有中间粉仓的存贮、缓冲作用，磨煤机可一直在最大或最经济出力下运行，降低了磨煤单位 电耗和金属磨损量。 4 由于有中间煤粉仓，且各锅炉制粉系统间有螺旋输粉机相连接，提高了锅炉机组运行的可靠性， 可适当降低制粉系统磨煤机出力的设计裕量。 相比直吹式系统，中间仓储式系统也有它的不足之处： 1 由于系统负压较大。漏风多，使输粉电耗增加还降低了锅炉效率。 2 由于增加了粉仓等设备，使得系统结构变得复杂，建设空间和投资也相应增加，因而很多大型机 组选用了直吹式系统 炉鱼妒 一! 二二二二二1 一一卜j 一次风机 图2 2 正压直吹式双进双出球磨机制粉系统 2 1 2 直吹式双进双出钢球磨煤机制粉系统 双进双出钢球磨煤机一般应用于正压直吹式制粉系统。磨煤机磨制的煤粉全部直接进入炉膛内燃烧。 运行中制粉量在任何时候均等于锅炉的燃料消耗量。在直吹式系统中，根据一次风机位置的不同，又分为正 第二章球磨机制粉系统分析与研究 压系统和负压系统0 1 一次风机装在磨煤机之后，整个系统在负压下工作，称为负压直吹式制粉系统。负压 系统的优点是不漏粉，工作环境好：缺点是一次风机易磨损，漏风较大，从而增加了运行成本。一次风机装 在磨煤机之前，整个系统在正压下工作，称为正压直吹式制粉系统。正压系统的优点是一次风机磨损小，没 有漏风，经济性好；缺点是有漏粉，管道密封要求高。双进双出球磨机一般用正压壹吹式系统，如图2 2 所 示。 图2 2 系统是由两个相互对称并组合在一起的独立回路构成的。其中每个回路的工作流程为：原煤由 煤仓经可调转速给煤机送入混料箱( 预干燥混合室) 在其内原煤受到高温旁路热风的预干燥。表面受到 干燥的原煤与分离器分离出的回粉汇合后，到达磨煤机迸煤管的螺旋式输煤器，由其带动沿与气粉混合物相 反的流动方向送入磨煤机筒内。热风经中心管进入磨煤机筒体，完成对煤的干燥，并把煤粉带出磨煤机。携 带煤粉的磨煤风与预干燥原煤的旁路风混合后进入分离器。分离器为带可调导向叶片的圆锥型离心分离器， 通过调整导向叶片的倾角来改变煤粉的细度。合格的细煤粉由磨煤机总风携带离开分离器送往锅炉燃烧器。 2 1 3 负压仓储式单进单出系统和正压直吹式双进双出系统比较 负压仓储式钢球磨煤机制粉系统由于制粉与锅炉负荷没有直接的联系，因而制耢系统可以断续运行。 在系统设计中应首先根据煤质特性确定最佳钢球装载量；同时易使碾磨出力、输送出力与干燥出力优化匹配 保证球磨机具有最经济出力，在制粉单耗晟小工况下稳定运行：测量与控制应保证系统不堵磨，磨进口负压， 出口温度、进出口差压在安全范围内。 正压直吹式双进双出钢球磨煤机制粉系统由于制粉量必须与锅炉负荷匹配，因而制粉系统必须连续投 用，保证制粉出力快速响应锅炉负荷要求。锅炉负荷的变化决定磨煤机一次风量的改变，而磨煤机出力直接 受入口一次风量的影响，也和磨煤机装球量、煤质特性( 原煤粒度、表面水分、可磨度等) 有关。系统在保 证锅炉负荷前提下，不可能保证球磨机均在最经济出力下运行：同样应保证系统安全性( 不堵磨、出口温度 在安全范围、耪管内有一定风速等) 2 2 球磨机制粉系统动态模型与分析 球磨机是一个复杂的对象，具有强耦合、大滞后、大惯性等特征。本文在参考文 3 】、 4 和 5 基础上 针对中储式球磨机制粉系统建立动态模型并对其进行分析，为系统设计提供参考其动态模型遵照以下基本 假设： 模型仅从总体上反映磨煤机特性，不涉及磨筒内复杂的磨煤过程； 将磨煤机简体、下降干燥管和回粉管合并考虑； 磨煤机出1 3 温度是风耪混合温度：没有考虑磨煤机内的热损失l 将磨煤机内的钢球视为定值：漏风集中在磨煤机入口。 2 2 1 球磨机进出口质量平衡方程 球磨机进出口质量平衡方程如式2 一l ； 冬生：生 ( 2 - 1 ) 3 6 d z 、7 式中b 。为给煤量( t h ) ，既为球磨机出力、即粗粉分离器出口煤粉量( t m ) ，m 。为简体内存煤量( k g ) 。 f 为时间( s ) 。其中 以=bob(2-2) 东南大学硕士学位论文 吃为简体计算出力( 讹) ，毋为粗粉分离器回粉量( 如) 。从质量平衡方程可以看出： 1 筒体内存煤量是给煤量与球磨机出力之差的积分，而球磨机出力又是受多种因素影响的非线性 函数。故筒内存煤量也是受多种因素影响的非线性函数。 2 存煤量是给煤量和制粉量的动态平衡体现在球磨机筒内存煤量上。给煤量和制粉量相等时磨筒 内存煤量处于平衡状态这里指的平衡点是可变化的，对应于不同的给煤量和通风量，平衡时 的筒内存煤量是不同的。 2 2 2 球磨机进出口能量平衡方程 球磨机进出口能量平衡方程如式2 - - 3 z 靠g 。k + 乞g 。乜+ q 岛+ 警+ q 0 一墨_ 竺! 塑芝等竺型 一警一g 岛f _ = 丢【( c h - f 舸+ c 一 f ) f 一】 r 2 - 3 ) 式2 3 中c t 、c 。、c ；、c ，、c 、c 。、气分别为热风、再循环风、漏风、总通风、给煤、 煤粉、钢球的比热，均取定值厨，船k 、i 。、k 、分别为热风、再循环风、漏风、磨煤 机出口风粉混合温度、给煤温度( 。c ) 。g t 、g 。、g r 、g r 分别为热风、再循环风、漏风和总通风质量 流量( 磁，s ) 。m 。为钢球装载量，a w 为磨煤过程中煤的水分蒸发量( 砖，j 珞) a q o 为磨煤过程中产生 的净机械热( 船，s ) a c 。：等 + 坠弘 c z 一 q o = 4 1 5 7 b j 3 6 = 1 1 5 5 曰 ( 2 5 ) 式2 - - 4 中一为煤粉水分( ) 。球磨机内的能量转化是一个复杂的过程。热风、漏风、再循环风以及 给煤起进入球磨机，它们和钢球一起作用发生能量交换，最终一部分能量传递给出去的是风粉混合物，另 一部分传给了简内的钢球和存煤可视为储蓄能量。在这样一个能量转化体系中，我们可以看出，热风主要起 到了加热干燥作用，确保出去的风粉混合物达到规定的温度范围。再循环风主要起到了调节通风量的作用， 由于再循环风的温度和磨煤机出口温度相差不大，因而它对于干燥出力基本没有影响。冷风门在正常工作情 况下，通常处于完全关闭状态。从能量平衡方程中，还可以看出若不考虑漏风和机城热，蓄热基本不变时， 1 2 第二章球磨机制粉系统分析与研究 对能量平衡系统影响很大的一个因素就是给煤的特性。通过分析可以得到一些启示： 1 如果能够测量各风量、风温、比热以及给煤量及特性，完全可以得出热风量和再循环风量的关系方 程，例如当再循环风变化时，保证总通风量不变，通过方程就可以计算此时热风量应是多少。 2 由于煤的特性直接影响到能量平衡体系，当建立模型优化出力、优化风量时应把煤的特性作为模型 的一个输入置。 2 2 3 磨煤机出力方程 燃料在粉碎和分离过程中，影响因素很复杂，对中储式球磨机制粉系统 的经验公式2 6 。 b m = b o k k k f k 口 由长期运行可得出磨煤机出力 ( 2 6 ) 其中岛为筒体计算出力( 讹) tk 。、k m 、k ，、b 分别为磨煤机出口温度、筒内存煤量、磨煤机内通 风量、粗粉分离器折向门影响修正系数。s o 的经验计算公式如式2 - - 7 b o - - 0 1 1 d 2 4 l 尼k k 脚矿s 2 - 足二 ( 2 7 ) 式2 - - 7 中d 为磨煤机简体直径( m ) ，l 为磨煤机简体长度( m ) - n 为简体转速( d m i n ) 为护甲修正 系数，k 。为钢球、护甲磨损系数，y 为钢球充满系数，s 2 为原煤质量换算系数、即将水分为w 4 时的磨 煤出力换算到水分为w ，的原煤质量的换算系数，置二为工作燃料的可磨性系数。 y = 南 ， 式2 8 中，为钢球密度慨m 3 ) ，y 为磨简体积( m 3 ) 1 0 0 一w ” 3 22 1 0 0 - w 式2 - 9 中，4 为筒内煤平均水份( ) ，为原煤应用基水分( ) ，其中 榀燃、w ：+ 3 w 一 何2 烟煤。w ：+ 4 6 可 烟煤 、 孵tu r 1一一 7 峨= 等 睨= q 4 - 1 3 ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2